多元信息融合的城市电网立体智能规划系统研究

 0 引言

随着我国经济的迅速发展,城市建设正以前所未有的速度进行,城市规划面临着新的挑战和变革,规划往往滞后于城市发展步伐。招商引资项目作为城市经济发展的驱动力,其建设时序具有临时性、突发性、不稳定性等特点,涉及的内容多样。而城市规划一般每5年修编一次,项目实际落位情况常常不符合已编制的城市控制性详细规划和土地利用总体规划,无法与城市规划做到一一对应,城市发展给电网规划带来了新的挑战^[1]。

电网规划作为城市规划的重要组成部分,必须要与城市规划协调统一^[2]。由于电网规划无法随城市规划调整而频繁调整,导致电网规划的科学性、准确性受到一定影响,这也表明传统的规划方法已无法满足新形势下城市发展的需要。

大数据^[3]和移动互联技术的应用为提升电网规划水平创造了条件。应用大数据挖掘技术,借鉴“互联网+”思维,加强城市规划数据和电网规划数据管理,挖掘历史数据价值,可为提升规划的科学性和准确性奠定良好基础。

国网吉林电力多元信息融合的城市电网立体智能规划系统（以下简称“系统”）整合了电网规划、城市规划等多元信息,形成空间数据、统计数据两大数据中心;配套建设了信息安全和标准规范两套保障体系,保障系统安全性和有效性;运用大数据挖掘、空间地理信息等技术,构建了城市用电地图、规划方案运行模拟、智能选择路径等三大功能模块。

 1 城市用电地图

系统融合城市控规、土地总体利用规划及营销用电信息采集系统的电力数据^[4],以建筑物为基本单元,应用建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）空间建模技术进行“颗粒化”立体布局,构建城市用电地图,直观展示城市用电信息,动态监测每个建筑物的日、月、年度用电信息,提示用电波动、异常等情况,及时发现城市用电紧张的区域。

1.1 数据来源

用电地图整合了城市发展和电网发展两方面的数据^[5-6]。其中,城市数据为城市现状地形图中的建筑面积、位置,城市控制性详细规划中的用地性质（见图1）,以及政府统计年鉴中的人口、GDP、产业指标等数据。

图1 城市控制性详细规划图Fig.1 Detailed urban control plan

电力数据包括SG186电力营销业务应用系统中的电力客户、业扩报装信息（见图2、图3）;用电信息采集系统中的日、月、年度电量、电流信息（见图4）;生产PMS系统的电网基础数据。

图2 SG186电力营销业务应用系统中的电力客户信息Fig.2 Power customer information of SG186 power marketing business application system

图3 营销业扩报装信息Fig.3 Information on the expansion of marketing industry

图4 用电信息采集系统中的每日电量信息Fig.4 Daily electricity information in the electricity information acquisition system

1.2 技术路线

1）信息采集。每日从SG186系统接口获取电力用户信息,按日、月、年从用电信息采集系统接口获取电量、电流、电压、无功数据,由抄表员将电力客户编号与建筑物地理信息一一对应。

2）汇总与链接。应用GIS空间地理信息系统中汇总（sum）、链接（join）算法,将每栋建筑所有用户电量、电流信息分类汇总,链接到建筑物上,使每个矢量建筑物属性表中包含总电量、总电流、居民生活用电量及电流、商业办公用电量及电流等信息。

3）立体展示。以建筑物为基本单元,采用BIM空间建模技术和三维格式化,实现建筑信息可视化,立体展示每个建筑物的用电量分布,构建城市用电地图。

4）负荷预测^[7-8]。根据用电地图数据,结合气温、节假日、大用户报装、城市用地性质、经济社会指标,应用大数据分析技术中的聚类分析和神经网络分析算法,开展超短期、短期、中期、长期负荷预测。

1.3 功能详述

用电地图实现了数据统计、用电实时监测、异常提示、问题预警、负荷预测、辅助决策等6个子功能。

1）数据统计^[9]。对导入的电网数据进行聚类分析,按项目类型、电压等级、年份、供电区域等分别统计电网基础信息和用户信息。电力设施信息统计如图5所示。

图5 电力设施信息统计Fig.5 Power facilities information statistics

2）实时监测^[10]。将电量数据空间映射到具体的建筑物中,清晰观测城市每栋建筑的实时用电量,便于电网规划人员准确及时地掌握城市用电信息。城市用电信息实时监测如图6所示。

图6 城市用电信息实时监测Fig.6 Real-time monitoring of urban electricity information

3）异常提示。将用电地图中的电量数据与去年同期、上次抄表、指定年月、平均电量等进行对比分析,可判断每个建筑的电量突增、突减、零电量等异常情况,过滤掉季节性用电、生产性用电等因素,对重点异常用户进行分析和检查。

4）问题预警。若某一建筑的电量异常存在一段时间仍未消除,则预警周边电网存在薄弱环节,无法满足该区域负荷增长的需要,负载的轻重以颜色深浅加以区分展示,辅助规划人员判断为其送电的线路载流量、配变容量是否超限,分析电网运行是否存在的问题。长春市南关区电量异常及预警如图7所示。

图7 长春市南关区电量异常及预警Fig.7 Abnormal electric quantity and early warning in Nanguan district of Changchun city

5）负荷预测^[11]。根据用电地图数据,结合气温、节假日、重大事件、大用户报装情况,开展超短期、短期负荷预测,为进行实时安全分析和经济调度制定开机、停机计划和发电计划。在此基础上,结合城市用地性质、经济社会指标,优化中长期负荷预测数据和模型,为电网规划提供决策依据。长春市重庆路卓展购物中心日电量预测曲线如图8所示。

图8 长春市重庆路卓展购物中心日电量预测曲线Fig.8 The forecast curve of shopping center daily power of Zhuozhan road in Changchun city

6）辅助决策。实时电量信息可为售电量预测、生产检修计划制定提供依据;异常用电信息可为用电分析、反窃电工作提供支持;负荷发展趋势预测可为规划方案编制、近期电网建设项目提供建议。

 2 规划方案运行模拟

规划联网方案编制完成后,在系统中对方案实施一段时间内的电网运行情况进行模拟,利用用电地图上的负荷预测结果,通过潮流稳定计算,得出变电站投运后的负载和运行情况。同时,构建电网运行效率评估模型,采用数理统计校验和网络分析技术,从供电可靠性、运行经济性等指标评估方案实施成效,对比分析各种备选方案实施成效,选出最优的变电站联网方案和建设方案。

2.1 数据来源

1）电网联网规划方案;

2）变电站规划方案;

3）根据系统主接线形式,制定出符合系统安全且经济、合理的电网正常运行方式及运行检修、N-1故障等运行方式,明确各设备及元件的运行状态;

4）通过城市用电地图获取到的负荷预测结果。

2.2 构建电网运行效率评估模型

建立电网运行效率评价^[12]指标体系,以方便对电网规划运行模拟结果进行评价分析以及整体量化。这些指标应遵循数据一致性、时空一致性与可度量性等原则,实现对规划方案实施成效的多角度评价,从而推荐最优方案。

系统构建的指标体系综合考虑了电网运行的安全性、可靠性和经济性,以及电网不同电压等级之间的协调性;从最大负荷角度考虑了系统安全性、可靠性与协调性,以及系统运行的经济性。

本系统设定了指标权重,以量化描述同级指标之间的重要程度高低。对于不同地区的规划方案,综合考虑不同地区的发展阶段、区域功能等,设置不同的权重。比如一个地区目前处于城市发展的中级阶段,功能以商办、教育科研、居住为主,对该地区规划方案实施评价时则对“经济性”要求较高,对“协调性”要求较低,因此“经济性”的权重值最大,“供电安全性”、“供电可靠性”和“协调性”的权重较小。

在对电网进行综合评价过程中,需要对电网的“N-1”校验通过率、系统平均供电可用度、线路负载率等各项指标进行评价。确保各项指标在特定范围内,以保障电网运行效果。

2.3 功能详述

2.3.1 模拟电网运行情况

规划方案运行模拟流程^[13]为：首先将配电网规划拓扑结构图、电网基础数据及电力电量预测结果录入系统中;其次根据现有的系统主接线形式,制定出一种符合系统安全、经济合理的电网运行方式,并明确各个具体设备及元件的运行状态;最后按照每个月的典型日针对正常运行方式、运行检修方式、N-1故障方式进行潮流计算,动态分析规划水平年、投运后第5年和第10年的变电站负荷及线路潮流变化情况,验证系统运行方式的灵活性、可靠性。2018年长春市绿园区局部潮流如图9所示。

图9 2018年长春市绿园区局部潮流Fig.9 The power flow trend map of Green Park in Changchun city, 2018

2.3.2 评估方案实施成效

系统方案成效评估具体流程如下：应用反距离加权算法,对空间用电负荷密度进行计算,与规划设计用电负荷进行比对;应用决策树等算法,对规划成果信息进行综合分析,给出总体评估结果。

1）从整体评估电网供电能力,将城市规划、电量预测等多