一种考虑地理因素的输电通道路径优化方法与流程

本发明涉及输电通道规划领域，具体涉及一种考虑地理因素的输电通道路径优化方法。
背景技术：
：我国能源资源与能源需求呈逆向分布，这种格局决定我国能源无法做到就地平衡消耗，为实现全国能源资源优化配置，我国已经逐步形成西电东送、北电南送的能源配置格局，分别在国家电网形成“三交四直”，南方电网形成“八交八直”的交直流混联输电通道结构。随着用电需求的持续增长与电源的大规模投产，联网范围以及输电网络规模正不断扩大，网架结构也更加复杂，这使得输电通道的扩展规划技术面临更大的挑战。同时输电建设成本巨大，计划一旦实施，其网架结构很难大幅度更改，若不能满足用户要求会带来巨大的经济损失。输电通道的路径规划是一项投资大、要求高的复杂系统工程。输电通道路径选择中，地形、地质、水文等自然条件以及交通条件、施工难度以及对沿线环境的影响等都对投资的综合效益有较大影响。传统的电力线路设计过程中，首先由专业设计人员搜集线路相关资料，然后依据个人技术和经验做出多种备选方案，经过现场勘察后修改并选出较经济的线路，但这种方式耗费时间长、效率较低，而且很难兼顾施工条件、地形地质条件、线路的环保及可持续发展等经济技术问题，因此单独依靠经验和技术在输电线路路径方案规划时具有一定的局限性，科学性也得不到保证。现有的输电通道路径优化方法仅限于单条输电线路的路径优化，并未将输电线路建设经济性和电网安全性联系起来，且未考虑线路建设交通的便利性。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明提出了一种考虑地理因素的输电通道路径优化方法。本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种考虑地理因素的输电通道路径优化方法，包括以下步骤：步骤1：收集待规划区域地理信息以及输电网络现有网架结构信息，基于现有网架结构建立顶层输电通道规划模型；步骤2：按地理环境影响因素性质建立地理信息层级结构模型，并对待规划区域进行格网化，采用区间层次分析法分别求解影响因素各层权重值及综合权重值，并将其赋值于各格网；步骤3：以地理环境总成本为目标建立底层输电通道路径优化模型，通过贪心算法找寻待规划扩展线路优化方案，构建待选输电路径集；步骤4：调用遗传算法对所述顶层输电通道规划模型求解。进一步地，所述的顶层输电通道规划模型的目标函数具体表达式：式中，pgr表示第r台机组的实际出力；cor代表机组出力成本；xkl取0～m之间的整数，m表示可建线路回路数，其取值为非零时表示节点k与节点l之间新投建线路数，取值为零表示放弃投建该线路；ckl表示建设线路xkl的单位投资成本；λkl是由底层模型返回的线路xkl的路径长度；ploss表示系统网损量；pe表示电价；w表示输电网络节点。进一步地，输电通道规划模型的约束条件包括功率平衡约束、输电线路容量约束、常规机组出力约束、节点电压约束与输电走廊数目约束中的一种或多种。进一步地，所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1：确立地理信息层级结构模型步骤3.2：通过区间层次分析法确定各层级间的权值区间层次分析取t.l.sataty1～9标度法作为准则，对同一层次指标进行两两比较，得到相对于上一层要素的判断矩阵；进行一致性校验后，求解所述判断矩阵；根据区间层次分析法中，因素层与准则层之间的权重以及准则层与目标层之间的权重，求得因素层对目标层之间的权重；权重值由区间数变成点值；通过所述的因素层对目标层之间的权重，元素两两比较建立可能度判断矩阵，获得综合权重向量。进一步地，所述步骤3中，通过dijkstra算法找寻待规划扩展线路优化方案，构建综合考虑地理信息因素、路径长度的待选输电路径集；以系统运行经济性以及输电路径优化为目标，建立包括底层模型与顶层模型的输电通道规划双层运行优化模型，所述底层模型目标函数表达式为：式中，wk、wl表示两端格网环境因素权重；lkl表示格网水平路径长度，格网中相邻单元格的长度值为1或2；α表示惩罚系数。进一步地，所述步骤4包括以下步骤：所述遗传算法的决策变量为用0～m间的整数表示待投建线路数，将底层模型的计算结果返回顶层模型；结合遗传算法继续顶层迭代优化过程，判断是否存在满足约束条件的最优解集，若存在则输出优化结果集，否则继续进行迭代优化，直至满足约束条件，最终得输电通道路径优化方案。附图说明下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1为本申请的输电通道规划优化模型流程图；图2为基于线路设计专家调研和线路设计规程归纳的地理信息层级结构；图3为本申请的dijkstra计算流程图；图4为本申请的修改的garver-6节点系统；图5节点1与节点2间人工制定路径与智能优化路径的方案比较；图6是输电路径智能优化方案。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本公开的示例提出了一种输电通道路径优化与扩展方法，采用区间层次分析法，将输电通道扩展与路径设计相结合，分析施工条件、地形地质条件等地理环境因素对路径规划的影响，建立了输电通道规划双层运行优化模型。顶层模型以输电规划经济性为目标，底层模型以线路地理环境总成本为目标进行输电通道路径优化，并将底层优化得到的待选线路集返回顶层模型进行输电网络规划，结合遗传算法实现模型求解。其实现步骤包括：(1)收集待规划区域地理信息以及输电网络现有网架结构信息，基于现有网架结构建立顶层输电通道规划模型；顶层规划模型的目标函数zopf是输电规划总成本，包括线路建设成本、机组运行成本和线路损耗成本，其中待选规划通道合集及建设成本需要通过内嵌的底层模型进行优化计算后得出，目标函数具体表达式：式中，pgr表示第r台机组的实际出力；cor代表机组出力成本；xkl取0～m之间的整数(m表示可建线路回路数)，其取值为非零时表示节点k与节点l之间新投建线路数，取值为零表示放弃投建该线路；ckl表示建设线路xkl的单位投资成本；λkl是由底层模型返回的线路xkl的路径长度；ploss表示系统网损量；pe表示电价；w表示输电网络节点。输电通道规划模型的约束条件例如为但不限于功率平衡约束、输电线路容量约束、常规机组出力约束、节点电压约束以及输电走廊数目约束，具体表达式如下：xl∈{0,1,…,m}l∈ω式中，fij与gik分别表示与i节点相连的所有支路潮流注入量以及节点i处第k个机组的有功出力；di表示第i个节点处的有功负荷；fl表示第l条支路的实际潮流；fl.max和fl.min分别表示第l的条支路潮流的最大最小值；表示支路l两端节点之间原有支路数；和分别为机组r的出力上、下限；和分别代表各节点电压上、下限；g、ω、l分别代表所有发电机集合、待选通道集合、输电网络中所有线路集合。(2)按地理环境影响因素性质建立地理信息层级结构模型，并对待规划区域进行格网化，采用区间层次分析法分别求解影响因素各层权重值及综合权重值，并将其赋值于各格网；(2.1)确立地理信息层级结构模型输电线路选线时应尽可能选择路径短、坡度小、跨越少的路径，尽可能避开自然保护区、军事区域、采矿区域等，保证这些单位的正常秩序；要注意避开易发生地质灾害的不良地质区域和重冰区等，保障线路运行的安全性；同时要考虑建设施工的交通要求，尽量沿交通干线选择路径，节约人力运输成本；还要减少对树木的砍伐和房屋的拆迁，从而满足环境的要求，从而满足环境的要求。本实施例中，以地理环境影响因素的层级划分和因素权重的空间量化为主要考虑对象，对线路设计的专家调研和输电线路设计规程的归纳，建立地理信息层级结构模型，如图2所示。第一层为目标层，即输电线路路径优化方案。第二层为准则层，包括避让区域；地理环境；工程基础；社会因素。第三层为因素层，其中避让区域包括自然保护区、军事基地、采矿区域、地质灾害区域、重冰区等；地理环境主要包括山地、植被、河流等；工程基础主要包括交通运输及输电线；社会因素包括农业用地、房屋公共设施等。(2.2)利用区间层次分析确定各层级间的权值结合gps、rs等技术可以直接采集地理信息数据，但需考虑的影响因素很多，且无法进行定量比较，因此要先对数据进行处理。利用区间层次分析确定各层级间的权值是一种定性与定量分析相结合的一种方法，根据客观逻辑定量表示不同影响因素的相对重要性，利用数学的方法确定各个层次中各元素的相对重要性权值，量化人们对决策问题的评价方式，实现数学化决策思维，为求解复杂决策问题提供科学的决策方法。同时区间层次分析利用区间数量化不同影响因素之间的重要性，与以点值量化的ahp法相比更加客观，减少主观判断造成的误差。利用区间层次分析解决决策问题的基本步骤包括建立层次结构，建立区间判断矩阵、一致性校验、区间判断矩阵权重求解、区间综合权重求解。确定各因素的内在联系与层次结构后，建立区间数判断矩阵。区间层次分析取t.l.sataty1～9标度法作为准则，对同一层次指标进行两两比较，得到相对于上一层要素的判读矩阵。设某层有n个因素，记为u＝{u1,u2,…,un}，则区间数矩阵a可表示如下：aij＝(aij)n×n(1)式中aij＝[aij-,aij+]，aji＝[1/aij+,1/aij-]，其中对角元素aii＝1，aij+、aij-分别表示比较结果的上限与下限。进行一致性校验后，将区间数判断矩阵aij＝(aij)n×n分解为aij-＝(aij-)n×n和aij+＝(aij+)n×n，求解对应特征向量为x-、x+，权重向量w如下：因素层与准则层之间的权重向量记为wg，准则层与目标层之间的权重向量记为wr，即可求得因素层对目标层之间的权重wz：wz＝wg×wr(3)采用可能度排序法实现权重值由区间数变成点值，记x＝[x-,x+]，y＝[y-,y+]可能度计算公式如下：式中，l(x)＝x+-x-，l(y)＝x+-x-。通过权重wz中的元素两两比较建立可能度判断矩阵p＝[pij]n×n，即可求得综合权重向量，计算公式如下：(3)以地理环境总成本为目标建立底层输电通道路径优化模型，利用dijkstra算法找寻待规划扩展线路优化方案，构建综合考虑地理信息因素、路径长度的待选输电路径集；dijkstra算法采用贪心策略，使用广度优先搜索解决赋权有向图或者无向图的最短路径问题。记du为起始点v到点u的最短路径长度，集合s为已求出最短路径的顶点集合，集合u为其余未确定最短路径的顶点集合。求解从起始点v到终点t的最短路径算法的基本过程包括：(3.1)初始时，s只包含起始点，即s＝{v}，dv＝0。若v与u中的顶点u相邻，则w(v,u)表示v到u的路径长度；若v与u中的顶点u不相邻，则w(v,u)＝∞；(3.2)从u中选取一个距离v最小的点k，并设置dk＝min[dk,dv+w(v,k)]，将k加入已求出最短路径的顶点集合s中；(3.3)将k设为新的起始点，即v＝k，修改各点到v的距离，并将k从集合u中除去；(3.4)重复步骤(3.2)和(3.3)，直到所有点都包含在s中，即可得到起始点v到任意点的最短距离及路径。上述dijkstra算法计算流程图如图3所示。运用上述dijkstra算法求解得到待选线路方案集及线路建设成本，以系统运行经济性以及输电路径优化为目标，建立包括底层模型与顶层模型的输电通道规划双层运行优化模型，其中，底层模型需与地理信息系统结合，考虑线路建设造价和环境对路径的影响，故在线路路径选择时要充分考虑影响线路路径选择的地理环境因素、路径长度。输电路径地理环境总成本包括输电路径的地理环境成本和路径成本，故底层模型目标函数表达式如下：式中，wk、wl表示两端格网环境因素权重；lkl表示格网水平路径长度，格网中相邻单元格的长度值为1或α表示惩罚系数。(4)调用遗传算法对规划模型求解。本示例中决策变量用0～m间的整数表示待投建线路数，将底层模型的计算结果返回顶层模型，结合遗传算法继续顶层迭代优化过程，判断是否存在满足约束条件的最优解集，若存在则输出优化结果集，否则继续进行迭代优化，直至满足约束条件，最终得输电通道路径优化方案。下面通过一个具体的示例对本公开的路径优化方法做进一步的说明。以传统garver-6节点系统进行修改并作为算例，实际地形图4-6给出的规划区域为例，该区域南北距离487km，东西距离为1071km，规划区域内有公路等需要跨越，有自然保护区、覆冰等需要避让。输电通道规划模型以及模型求解算法利用matlab编程实现，如图4所示为改进的garver-6节点系统所有输电走廊(非实际路径)。节点1为平衡节点，电源容量为270万kw，节点2、节点3分别接入160、180万kw容量的发电机组，节点6为新建发电机组，接入容量为240万kw，修改后的的garver-6节点如图4所示。通过gis平台采集该地区地理信息，根据提出的影响因素建立地理信息层次模型，并采用区间层次分析法求解得到地理信息因素对输电线路影响的权值。以准则层b为例，构造判断矩阵，判断矩阵如表1所示：表1-b层判断矩阵ab1b2b3b4b1(1,1)(4,6)(6,8)(7,9)b2(1/6,1/4)(1,1)(1,3)(2,4)b3(1/8,1/6)(1/3,1)(1,1)(1,2)b4(1/9,1/7)(1/4,1/3)(1/2,1)(1,1)根据式(4)求得准则层对目标层的权重向量为：wg＝[(0.9156,0.9888)(0.1950,0.2891)(0.1169,0.1648)(0.0905,0.1102)]t用同样的方法计算c1、c2、c3、c4四个因素对准则b1的区间数权重向w1，c5、c6、c7、c8、c9、c10、c11、c12、c13九个因素对准则b2的区间数权重向量w2，c14、c15、c16、c17、c18五个因素对准则b3的区间数权重向量w3，c19、c20、c21三个因素对准则b4的区间数权重向量w4，记各因素层c对准则层b的权重向量为wr，结果分别为：w1＝[(0.1698,0.2292)(0.6316,0.8243)(0.3031,0.4654)(0.4715,0.5913)]tw2＝[(0.0766,0.1092)(0.1356,0.2102)(0.5112,0.6948)(0.0481,0.0611)(0.2493,0.4070)(0.0766,0.1092)(0.1356,0.2017)(0.5843,0.6290)(0.1908,0.2754)]tw3＝[(0.12370.14210)(0.1774,0.3009)(0.3932,0.5651)(0.7309,0.9075)(0.1237,0.1421)]tw4＝[(0.1856,0.2205)(0.7259,0.8641)(0.5092,0.6356)]t根据式(3)-(5)求得各因素的综合权重向量wz，计算结果如表2所示：表2-综合权重分析结果c层权重值c层权重值c10.0632c120.0604c20.0714c130.0466c30.0669c140.0296c40.0689c150.0389c50.0328c160.0493c60.0424c170.0575c70.0604c180.0296c80.0253c190.0310c90.0519c200.0522c100.0328c210.0466c110.0420利用matlab仿真建立单元格权重矩阵，该矩阵元素表示单元格的地理信息因素权值，单元格对应于地图上的网格，利用dijkstra算法求解获得充分考虑地理信息因素后的输电路径方案。以节点1至节点2间输电通道路径为例，具体路径方案如图5所示。在人工计入环境因素时，手工制定路线如图5中实线所示，不计其变向成本，计算得到该方案的成本为36675.54万元。而经dijkstra算法优化得到的布线规划方案的成本为33858万元，比人工方式节约投资2817.54万元，路径如图5中虚线所示。可见，考虑环境因素将带来更多的经济和环境效益，并获得更精确、合理的布线路径。本示例中规划线路的智能优化路径如图6所示，将所有规划线路计入待选线路集。结果中可以看出，输电通道路径方案成功避开了陡坡、重覆冰、保护区、河流等，同时路径方案中未出现较陡的拐点，增强了电网建设的安全性和电气设备的稳定性，并主要沿公路附近，为材料运输和工程施工带来较大便利。将计算得到的待选规划通道合集及建设成本作为输入参数，调用遗传算法实现所述规划模型的求解，得到满足电网安全性的输电通道路径优化扩展方案，如表3所示。该方案综合了众多地理信息因素，同时兼顾电网运行的经济安全，更具实际意义。表3-输电通道优化扩展通道输电网建设是一项长期、高成本的投资，关系到各地区经济发展和电力系统安全运行，通过图形化实时估算出带有完整实际参数的待选线路集，在进行线路实际扩展规划时更有科学性。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。当前第1页12