基于风险分析的变电站选址优化研究

摘要：笔者从全寿命周期角度考虑，基于运筹优化理论和风险分析的评价方法建立了变电站选址化模型。模型改进了选址优化问题中以最小成本为目标函数的局限性，提出了以全寿命周期内最大风险利润为目标函数，并通过传统优化方法与智能优化方法的对比，分析了优化结果的可行性。

关键词：全寿命周期；风险分析；解释结构模

一.国内外研究现状

随着城市经济的发展，土地越来越紧缺，人们环保意识也不断增强等，使变电站的选址风险越来越大。变电站站址的选择与落实将影响到电网的投资、运行的经济性、可靠性等，变电站的站址直接影响着未来电力网的结构，供电质量及运行经济性。如何基于风险分析来进行城市变电站的优化选址是我国城市电网规划面临的现实问题。

国内外学者对变电站的选址问题进行了一定的研究。变电站站址优化是指：在满足诸如负荷需求、线路容量、变电站容量等约束条件的情况下，寻优新建变电站的位置坐标，使某目标值（如年综合计算费用、线损等）达到最优。我们将拟动力方法引入高中压变电站长期规划的站址优化中，但优化方法没有考虑地理环境等不确定因素带来的影响。我们提出将启发规则运用于迭代算法中，从而解决变电站站址优化问题，该方法无需候选站址。有学者也提出使用线性函数表示的总费用成本函数的模型，将站址优化规划问题确切地阐述成混合整型线性（MILP）规划问题，从而避免了非线性规划和得到局部解的可能。我们提出包含启发式组合优化算法，并通过软件实现站址优化问题，该法站址优化问题的模拟性强。我们考虑未来系统运行中网络重构，提出启发式搜索算法。但该方法的应用基于特定的候选站址数目。我们为多站址整体优化问题提供两阶段优化规划方案，第一阶段采用改进的粒子群算法，得出备选站址；第二阶段着重考虑地理因素对选址的影响，结合层次分析法，获得了更为合理的变电站站址选择方案。我们提出的方法对新建变电站的上下级电网进行了整体优化，在发挥计算机功能的同时，还充分考虑了电力规划专家的经验和判断能力。变电站选址中不确定性因素的问题得到了初步的解决，但缺少对动态的不确定性因素问题的解决。刘巍等基于优化理论，运用非线性寻优及最小费用最大流法，提出一种在多约束条件下的变电站站址分层优化方法，运用非线性规划中的步长加速法实现变电站站址的最优化，它能够在给出优化站址的同时，实现电网网架的最优。基于模糊层次分析法，通过建立递阶层次结构图，构建模糊统一矩阵，解决变电站选址中涉及的不确定因素，从而得到最优站址。但该法不能定量描述各种不确定风险对变电站站址成本的影响。我们可采用单亲遗传算法加入模拟退火选择操作，构建了退火单亲遗传算法，得到了较一般遗传算法更优的结果，但计算复杂，而且缺乏对选址问题中的不确定性因素进行分析。我们在枣西220kV高新变电站选址定容优化规划中，采用粒子群算法进行一次规划，并考虑不确定性，建立了变电站评价指标体系，结合综合评价方法进行二次规划，从而获得了最优站址。但方法仍未考虑不确定性对收益和成本的综合影响。我们提出了将数据融合技术和证据理论应用于变电站选址的问题，并解决了多因素选址问题。我们将GIS中的地理信息引入变电站选址问题，综合了可量化因素和非量化因素，并结合粒子群算法，进行变电站选址优化，该方法降低了寻优的复杂程度，提高了搜索精度。随着计算机技术和现代智能优化技术的发展,变电站选址从最初的人工筛选方式发展为通过计算机计算自动生成站址的方式,其优化方法也由传统的数学优化方法上升到现代的智能优化算法,己发展了多种智能优化算法。我们采用遗传算法和多目标决策方法的组合方法，得到了变电站选址中的整体最优解。

二.变电站选址的基本理论

1.多源选址问题

多源选址问题比单源选址问题要困难得多。首先，我们将一直的固定位置称为“终点”或“目的地”。多源选址问题一般是已知各个终点的位置、需求量及有关区域的运价等，求解源的个数、位置及将终点划分给各个源的情况及容量。然而，同时求出源的个数和位置并对终点进行分配是相当棘手的问题。与单源选址问题类似，采用迭代方法，先假定源的个数已经确定，再求解最优选和分配问题，然后对不同数目的源多次重复迭代，计算求出的最优解即为最优站址。而这样的迭代算法，需要基于以下两个假定：一是各个源的容量不受限制，二是单位运价与源的总输出量无关。

假定源的个数为n，而各个源的资本折旧费和经营管理费是 n的某个函数：f1（n），这个源n向给定的m个终点供货的最低费用为f2（n）。那么，实际供货的总费用CT为：

CT=f1（n）+f2（n）

形式上，其最小费用解，也即是当总费用取最小时，源的个数为：

■= ■= ■=0

一般来说，源的个数要精确或分配要完全恰到好处这类要求，最优解并不是特别敏感。而在求解f1（n）和f2（n）的时候，一般情况下，f1（n）是很容易的获得的，只需要将费用的数据拟合成一个经验方程或者简单地总费用数据即可。

在这种情况下，多源选址-分配问题的核心是求解f2（n）。而f2（n）就是给定的m个终点运货的最小费用，对于不同的终点，f2（n）是不一样的，则需要先明确某一固定的n值，f2（n）的求解方法。

（1）交替选址-分配法

将m个终点组成的集合划分成n个元素大致相等的子集；

将每一个子集当作是一个单源选址问题，求解所有的n个子集；

将n个子集求解出的n个源与每一个终点的位置进行比较，将每一个终点与n个源的距离按最短距离原则重新分配；

如果分配结果与上次计算的中分配结果不一致，则返回步骤2。否则，认为选址-分配完成，计算即可终止，输出分配结果。

交替选址-分配法是一种单调递降的收敛过程，即计算结果随着循环次数的增加，而变得越来越好，越来越精确。然而，交替选址-分配法对初值有较强的依赖性，即对于步骤1中选用不同的分配方法，按照该法求得的最优解一般有所不同，往往我们希望可以改进所得的解，可以采用同样的一组数据多次重复使用交替选址-分配法。

（2）随机终点法

在1到m个整数中，按照均匀分布函数，随机取n个整数；

将所产生的n个整数看作是源，并按照1到n做好标记；将其余的m-n个终点分配给费用最小的源，即若（xj，yj）是其中的一个源，分配时应使βjωj[（xs-xj）2+（ys-yj）2] 取得最小值；

重复步骤1和2，直到满足终止准则为止，每次重复都应保留总费用最小的解；

为了求出最优解，求解n个单源选址问题，比较计算结果。

2.选址优化的主要方法

近年来，变电站选址优化问题受到了国内外学者的关注。学者们积极地做了大量的重要研究，提出或改进了一系列实用可行的分析方法和数学优化模型，大大提高了变电站选址问题的科学性与工作效率。本文从定性分析法、负荷重心法、传统运筹优化算法和智能优化算法四个方面，将概括地介绍变电站选址优化问题中的常用方法，并分析他们的特点和存在的不足。

定性分析法

定性分析法是基于对社会经济发展、国家或地方政策、侯选站址的未来负荷分布及成本费用等各方面因素进行综合考虑，根据变电站的容量、以及中远期的规划、与系统的接线方式、供电需求等，采用比较的方法，例如综合评价方法等，合理地选择变电站站址。

在定性分析法中，首先要搜集政策方针类的资料，例如城市电网规划报告、城市土地规划报告等，拟定工作计划、有条理地、按计划地进行选址，并估算变电站选址的各项指标；其次，对有可能建变电站的站址进行实地现场勘查研究；然后，基于现场调查资料的基础，对备选站址进行综合评价，综合得出一个高可靠性且经济的方案。

负荷重心法

负荷重心法是根据负荷的大小及其位置，根据负荷的大小确定其权重，然后根据负荷的位置与权重的乘积求出重心，该重心的坐标位置就是变电站的站址位置。由负荷重心法的定义可知，若变电站的负荷为P1，P2，…Pn，负荷点的坐标分别为（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xn，Yn），如图2-1所示。

其中，黑色的坐标点表示负荷点，白色的坐标点表示根据负荷重心法求得的负荷重心点，即新建站址的坐标点。由负荷重心法定义可知，各个负荷的权重如下式（2-20）所示：

ωi=■

（2-20）

3. 变电站选址的简介

a.变电站选址问题的特点

变电站选址问题是一门综合的科学的学问。然而，影响变电站的因素按照是否容易量化，大致分为两大类：第一类是易量化因素，包括变电站的建设成本，如变电站高压侧进线、低压侧出现的新建投资和运行损耗等；第二类是不易量化因素，如地理环境、地形地貌、环境政策、政策因素等。

因此，变电站选址优化问题是一个既庞大又复杂的运筹学优化问题，求解也比较困难；同时，变电站选址过程中涉及到的变量很多，往往有一些重要的因素常常会被忽略。

b.变电站选址的原则

（1）靠近负荷中心。这一原则是变电站选址的首要原则，变电站站址必须是适应电力系统发展要求的，尽可能的接近负荷中心，这样，既节省了变电站线路的投资又可以降低电网的网损，降低了变电站的线路成本和运行成本。这一原则不仅符合技术经济的经济型评价，又可尽可能避免因远离负荷中心而带来的其他不必要的问题。

（2）地形地貌

适合的地形地貌是变电站选址问题中将选址规划付诸于实际建设和安全生产的重要条件，选择地质地貌较好的站址，可以使变电站建设期大大节省因弥补地形地貌而引起的投资，从而节省变电站建设成本。

变电站的地形条件应选在地势平坦且开阔的场地，例如大片或成片的坡地、台地、谷地、丘陵等，以有利于变电站的建设和运行。

在选择变电站的站址时，应实地调研侯选站址的地形地貌，尤其是地质条件复杂的场地，地址条件的优劣往往对变电站选址起着决定性的作用。

（3）交通运输

变电站站址应考虑变电站建设施工时期的设备材料的运输，尽可能在交通较方便的场地，例如铁路、公路等附近，以减少应交通运输不便而带来的投资增加，以此来降低运输成本，从而减少变电站建设成本。

4.变电站选址风险管理理论

变电站选址风险识别与评价

（1）变电站选址风险识别

变电站选址风险的识别时是指通过系统而全面地发掘所研究问题的风险元，运用多种途径与方法发现不确定风险因素的过程。风险识别的任务是发掘和总结变电站选址过程中的各种不确定风险因素。

基于全寿命周期的角度来看，变电站选址的风险识别应该从变电站设计规划期、建设期、运营期及报废成本回收期这四个时期来发掘各种不确定风险因素的可能性及可能损失的程度。

（2）变电站选址风险评价

在变电站选址风险识别的基础上进行风险因素的评价，通过变电站选址问题中的风险可能性与可能风险的损失程度之间的函数表达式，将风险事件的发生概率和可能损失的程度统一结合起来进行评价。

一般情况下，风险元是具有统计规律特征的，则能够运用数理统计与概率论中随机变量的相关理论知识对风险元进行评价。在数理统计与概率论中，随机事件一般分为离散型与连续型两种，则风险元也可分为离散型风险元与连续型风险元，本文只考虑风险元为独立且单一随机风险元的

三.基于ISM风险分析的变电站选址优化

1.选址问题的描述

如图4-1所示，变电站选址问题可描述为对于m个负荷点，在n个备选站址中选择一定数量（最多选择p个）的地点作为变电站站址，且变电站的电源点只有一个，使得在变电站选址全寿命周期中的利润最大。其中，在全寿命周期内，变电站选址需要考虑的问题有：选选择哪些备选地点作为变电站站址；如何安排变电站对哪些负荷点供电，才能在满足用户需求的情况下实现全寿命周期内利润最大的目标。

2 模型的假设

本文所研究的变电站选址问题是在给定的某一区域所有备选站址的集合中选出一定数目的地址作为变电站站址，主要考虑变电站进出线总费用和由负荷不确定风险引起的变电站全寿命周期内收益、变电站工程费用以及社会补偿费用等。在分析影响这些费用主要因素基础上得出各项费用的表达式，并使总利润达到最大。

为了便于模型求解，同时使模型不至于太简单而又具有实用价值，作如下假设：

（1）只考虑所有变电站的电源点为同一个电源点；

（2）仅在一定备选站址范围内优化选择最优站址；

（3）一个变电站可以给多个负荷点供电，不考虑变电站之间供电；

（4）系统包括从电源点到变电站以及变电站到负荷点之间两个部分组成，分别构成进线和出线；

（5）变电站与电源点之间、变电站与负荷点之间的线路型号和运输单价费用为已知；

（6）负荷点的总数是不变的

参考文献：

[1]王林梅.城市电网优化规划问题的研究[D].浙江大学,2006.

[2]《运筹学》教材编写组.运筹学[M].第2版.北京:清华大学出版社,2004.

[3]严司玮,姚建刚,李丰涛等.基于改进粒子群算法的变电站两阶段优化选址[J].电力系统自动化.2010, 38(5):34-38.

[4]王林梅,黄民翔.变电站站址两阶段优化规划的实用改进方法[J].浙江电力.2006,5:1-5.

（作者单位：山东电力集团公司德州供电公司）

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