输电路径（精选6篇）
输电路径 篇1
路径选择是高压输电线路设计的一个重要过程。路径选择的目的就是要在线路起迄点间选出一条符合国家建设的各项方针、政策、技术、经济等指标综合最优的路径。在线路的优化设计中路径的优化是最关键的。什么样的路径合理, 评价的标准是什么, 由于没有一套数学方法, 几十年来设计工作者们对此都没有作定量的分析。
随着计算机技术的发展, 现代线路设计方法是借助计算机技术、使用动态优化、离散优化的方法进行设计, 而传统的线路设计是使用手工和经验的方法进行的。我们在进行输电线路路径方案评价研究时, 接触到了目前国内外线路设计的最新动态, 现介绍如下, 以提高线路设计的质量和效率。
一、当前我国选择线路路径方法简介
选线工作分为初勘选线和终勘选线两步。初勘选线的内容有图上选线、收集资料等;终勘选线是将初勘确定的路径, 在现场具体落实, 按实际地形情况修正图上的选线, 确定线路的最终路径。
设计手册中虽有一些选线的原则, 但这些原则在实际中往往是矛盾的, 例如, 线路要尽可能短, 要尽量避开森林、绿化区, 这可能是矛盾的。在确定路径时, 如何协调选线中这些矛盾的原则, 打破几十年的习惯设计法, 是个难题。
二、线路路径选择的新方法
目前, 国内学者正在研究用专家系统技术和模糊综合评判方法选择线路路径, 国外学者正在研究用目标规划技术选择线路路径, 本文着重介绍用目标规划技术选择线路路径。此种方法分为两步, 一是在计算机自动生成的路径网络中, 用纯经济观点, 找出K条最小费用的路径;二是考虑社会和环境因素对线路路径选择的影响, 用0-1目标规划模型解决该影响。
(一) 线路路径方案的生成。
计算机技术推动了数据采集和绘图技术的发展, 在数据表中可利用卫星图像, 普查信息以及若干资源的数据。先进的地理信息系统可用来识别路径的约束, 避免历史名胜、飞机场等, 但是由于数值解的局限和研究网络的大小先治了地理信息系统的使用。
国外用计算机自动生成线路路径的主要思路如下:首先采集原始数据, 将数字化后的地形图输入计算机, 查看测区内地形地物的分布以及它们对线路布设的影响, 对地物进行合理的区分, 否则会大大影响方案的生成效率。其次是线路走廊的搜索生成, 系统以一个固定的步长将路径从起始控制点向目标控制点延伸, 一旦当前延伸受到地物的阻碍时, 则改变当前延伸的方向。当从路径的最近延伸点无法继续向前延伸时, 回溯到上一延伸点。并改变该点的延伸方向继续向前延伸, 路径延伸到终点时, 则生成一条线路路径。这时需进行回溯以生成其他可能存在的路径。
在路径搜索完成以后, 生成了若干条路径, 对所有路径按族分类, 按照费用最小的原则从各类中选取一条线路路径方案, 完成分类后, 可得到线路路径的网络。路径网络也可用手工生成, 从工程的观点手动生成可能的路径。先用纯经济的观点, 找出K条最小费用的路径, 作为线路路径方案的进一步评价。可用广义复搜扫法 (Generalized Double–Sweep Method) 得到K条最小费用路径。该方法的思想如下:假定网络中所有的结点按1到n编号, 且每一段弧 (ij) 的长度等于dij, 确定各条路径长度的估价矢量, 可用下面一堆递归关系实现:
式中:⊕———表示广义的加法⊙———表示广义的极小值
这些关系用于每一值r=0, 1, 2, ..., 当两次连续应用后, 估价仍然没有变化, 其解收敛于一最优值。式 (1) 定义的运算称为反向搜索, 式 (2) 定义的运算称为正向搜索。
一旦得到路径的长度, 利用跟踪程序可找到相应的路径。假定要求出从原始点到结点i的第m条最短路径, Hmi是这一路径的长度, 这条路径必然是由原始点到结点j的第t条 (t≤m) 最短路及从结点j到结点i的一条弧组成, 因此有:
结点j称为从原始点到结点i第m条最短线路路径上的倒数第二个结点, 通过弧长矩阵D0和各条最短线路路径的长度d1*的集合可确定结点j, 结点j一经确定, 就可以重复这个过程, 以求出从原始点到结点j第t条最短线路路径上的倒数第二个结点。重复这个过程, 最终就可以追踪出从原始点到结点i第m条最短线路路径的全程。
(二) 用目标规划技术选择线路路径。
在得到k条最小费用的路径后, 还应考虑与选线有关的因素, 而对环境引起的破坏考虑较少。随着环境保护法的颁布, 环境因素在选线中已成为不可忽视的因素。要确定线路对环境的影响, 需要许多学科的专家讨论确定, 根据线路与环境的一致性要求, 要减少对生态的、电气的、美学的及社会经济因素的影响。这些影响因线路的电压等级, 经过的地区有所不同。
由于在线路路径选择中, 决策变量限制为0和1, 因而要减少线路对环境的影响问题可表示成0-1整数目标规划, 其模型如下:
式 (4) 要满足约束条件:
式中ni———负偏差;p———正偏差;w———目标i的初始权系数;Sji———目标i中Xj的技术系数;qi———第i个目标;X———决策变量;k———路径个数;L———优先级个数。
求解该模型时, 可用著名的隐枚举法 (Implicit Enumeration Method) 求解。要求主管部门、各学科的专家确定各因素的优先级, 在同一优先级内确定各因素的重要程度权系数。优先级和权系数代表了不同的价值观, 因地域、社会的不同差别很大, 所以没有一项研究成为公认的标准。目标规划技术使用了经济、技术、社会及环境的决策标准, 试图使任一目标的偏差极小化。在几个可行的比较方案中, 选择“最优”的线路路径。在这种情况, “最优”是相对的, 取决于决策制定者的价值观。
三、两步求解法的应用步骤。
可按如下模式应用以上阐述的方法。一是画出合理的路径网络, 应包括所有路段、弧线、转角的费用。二是应用K条最短路径的算法, 找到K条最小费用的路径, K的值定为4或5。三是设置一张社会和环境因素表, 分配优先级和不同的权系数。四使用0-1目标规划算法找到一条路径, 该路径将对环境引起最小的破坏。五是如果在第而步中没有找到一条路径满足社会和环境标准, 增加K的值, 重复步骤三和四。
四、结论
本文叙述的两种求解法, 能应用于高压输电线路路径的选择。电力部门的目标不仅是要选择最便宜的路径, 而且也要选择对环境引起最小破坏的路径。为了解决这两个矛盾的因素, 用复搜索法选择一些小费用的路径。被选择的路径受到社会和环境约束的影响, 用0-1目标规划技术解决。目标规划模型用隐枚举法解决。
该方法的有效性在国外已得到了验证, 结果表明, 如能满足社会和环境的约束, 目标规划技术能解决输电线路路径的选择问题, 该方法的应用是对传统输电线路路径选择设计方法的重大改进。
参考文献
[1].张烈金.用模糊综合评价方法选择输电线路路径[J].电力建设, 1994
[2].张烈金译.用目标规划选择输电线路路径[J].电力建设, 1993
[3].张烈金.计算机在输电线路设计中的应用介绍[J].煤矿设计, 1994
浅谈输电线路路径规划设计标准 篇2
关键词：输电线路,路径,规划设计,标准
引言
目前, 山东电网已发展成以500k V为主网架的超高压、大容量、高参数、高自动化的大型现代化电网, 形成“五横两纵”主网架结构。“十三五”期间, 山东500k V电网在“五横两纵”主网架基础上, 增加500k V变电站布点及变电容量, 优化和完善主网架, 提高电网受电能力、输送能力和供电能力。仅2016年, 500k V输电线路工程在建规模就达2461公里。
随着“特高压入鲁”及一大批配套工程的建设, 线路走廊资源日益稀缺, 尽管广泛采用了同塔双回、多回线路, 高压输电线路仍不可避免的经过城区、乡镇等人口密集区, 对输电线路路径规划设计提出了新的要求。
1 当前输电线路路径规划设计标准及存在问题
根据输电线路设计规范等标准规定, 路径选择应综合考虑线路长度、地形地貌、地质、冰区、交通、施工、运行及地方规划等因素, 进行多方技术经济比较, 使路径走向安全可靠、环境友好、经济合理。路径选择应避开军事设施、大型工矿企业及重要设施等, 符合城镇规划。路径选择宜避开不良地质地带和采动影响区, 当无法避让时, 应采取必要的措施;宜避开重冰区、易舞动区及影响安全运行的其他地区;宜避开原始森林、自然保护区和风景名胜区。路径选择应考虑与邻近设施如电台、机场、弱电线路等的相互影响。宜靠近现有国道、省道、县道及乡镇公路, 改善交通条件, 方便施工和运行等。
从上述叙述可以看出, 现有的标准较多地从技术要求和自然环境方面对路径规划设计原则进行了规范, 但对高压输电线路途经城镇后遇到的新情况缺乏原则性的指导。
2 当前城镇输电线路建设过程中的典型问题
输电线路进入城镇后, 民事问题成为影响工程造价和施工进度的首要问题。以2015年开工的某500k V输电线路工程一施工标段为例, 共有铁塔93基, 大多经过城镇和城乡结合部, 施工单位开始基础施工后只有50基可以正常施工, 不能施工的占总数的46%, 主要为民事问题和行业冲突, 典型的有以下几种情况:
(1) 146塔位于城区一板厂内, 主桩处为木皮堆放场, 该厂正在正常生产, 坚决不允许在厂区内施工。如果将该塔移至场地围墙外, 经设计单位核算, 塔型及呼高会有所变化, 综合费用将增加约6万元。
(2) 150塔位于城乡结合部一村庄, 中心桩距该村坟地约10米, 因民事协调困难无法施工。经设计单位核算, 若该塔基础只移动10米能保持塔型及费用不变;若继续移动, 塔型及呼称高将会改变, 相应综合费用会有较大增加。
(3) 168-174段塔位位于某乡镇境内, 按照当地政府批复的路径进行了设计, 该路径牵涉到一村庄的的搬迁。施工时发现该村庄因赔偿款问题暂时无法搬迁, 于是原来政府批示的路径就走不通了, 村民不同意线路走向, 要求更改路径。
(4) 176塔位于养殖场内, 因要求的赔偿费用过高无法施工。原线路通道十分紧张, 应政府要求为远离新建社区只能紧贴已运行500k V线路走线。现在要移出该养殖场至少需要移动塔位200米, 移动后该档档距超过700米, 考虑风偏影响, 与相邻500k V线路之间的间距应增加6米, 需要拆除该养殖场南侧一个3层的楼房 (约1800平米) , 代价较大。
(5) 169塔跨越G2京沪高速, 勘察定位时发现线路走廊下有一处联通公司运行的信号塔, 设计认为该信号塔满足安全距离要求而未采取措施, 放线施工时发现信号塔确实需要移除, 影响施工进度2个月。
3 原因分析
结合以上实例可以看出, 不重视沿线民事问题和行业冲突, 导致线路路径选择不当, 会对后续的施工进度、造价产生严重的影响, 造成这种情况的直接原因如下:
(1) 设计单位的原因。近年来电力基建工程大量上马, 由于设计任务重、设计周期短等原因, 勘察设计单位在实地勘察落实方面到位不够, 设计深度不足。在塔位选址时, 未周密考虑施工、造价等因素的影响, 将杆塔定位于厂房、坟地、养殖场等敏感位置, 导致后续无法施工。
(2) 地方政府的原因。由于政府规划的变动, 导致已经批复的路径不能实施。特别是目前很多城乡结合部的村庄搬迁不能按计划实施, 造成原批复路径不能使用。
(3) 属地公司的原因。属地公司在路径选择阶段未能深入参与, 未对路径沿线可能存在的民事问题提出警示, 是造成后续因民事赔偿标准过高而难于施工的重要原因。
除了上述直接原因, 现行的国家标准中对路径选择的民事因素考虑较少, 没有具体的、可执行的规定也是一个重要的原因。
4 工作建议
为此我们建议, 在下一次输电线路规划设计标准修订时, 应在线路路径选择的章节增加以下内容:
(1) 综合考虑工程本体造价和施工难易程度、民事赔偿费用等多种因素, 对比择优选择输电线路路径。具体做法是:在线路勘察设计阶段即引入属地供电企业民事协调人员参与路径的选择, 利用其熟悉当地民俗、政府政策等优势, 尽量选择民事问题少、工程造价相对合理的路径。
(2) 在工程设计选线阶段, 设计单位应搜集以下资料:沿线有关城市规划、军事设施、工厂矿山发展规划、地下埋藏资源开采范围、水利设施规划, 林区和经济作物区, 拟建的输电线路、通信线路或其他重要的管线位置、范围。设计单位应在上述资料齐全的基础上编制路径图, 并有沿线相关单位以书面形式或在路径图上签署的意见作为设计依据。
(3) 加强同当地政府部门的沟通协调, 在线路建设问题上得到政府的支持。设计单位应获得政府部门的最新规划, 落实好规划的稳定性和合理性, 提前签署有效合同、协议, 确保选择的路径少变更、不变更。
(4) 在线路路径设计及复测完成后, 对照出版的路径图, 由项目法人单位或建设管理单位组织属地供电企业、设计监理施工等单位, 按照“一基一档一方案”的工作机制, 共同明确路径走向, 并由属地公司与施工单位以书面协议划清民事问题协调责任, 便于后续工作的开展。
5 结语
路径的规划和设计是输电线路设计的重要环节, 直接关系到工程造价与进度, 必须谨慎对待。应在充分考虑各种影响因素的前提下, 选出最优方案, 确保施工顺利、运行安全。
参考文献
输电路径 篇3
关键词：输电路径测量,空间地理信息,GPS,GIS,RS,应用
引言
近年来, 我们国家在全球定位技术 (GPS) 、遥感 (RS) 、地理信息技术 (GIS) 等领域取得了巨大成就, 特别是随着全球范围内对地观测系统 (EOS) 、国家信息高速公路 (NII) 、国家空间数据基础设施 (NSDI) 等重大计划的实施, 人类对地球不同层面、不同现象的综合观测能力以及信息的处理、传输和应用能力达到了空前的水平。地理空间信息技术已在国民经济建设中的各个领域得到了广泛的应用。目前, 电力系统已将该技术应用到输电线路路径设计的生产实践中, 并取得了可观的经济效益和社会效益。
1 技术简介
1.1 全球定位系统即GPS系统, 主要指通过24颗卫星在地球
上空的六个轨道面进行环绕, 从而对需要确定的方位进行精确定位。其进行定位的基本原理主要是通过卫星不断的对自身时间信息以及星历参数进行发送, 地面用户在接收到该类信息后经计算机处理, 得到接收机相关信息, 即三维方向、位置以及时间和速度信息。通过该系统能够在任何地点、时间对地面点进行位置确定。
1.2 遥感技术也是近两年新型的技术, 即RS技术, 主要指从传
感系统或者影像系统中获取可靠的地质遗迹环境信息, 并通过科学的手段进行测量分析, 并对结果进行表达。通过大量的试验, 人们发现, 所有的物体都会吸收和发射或者反射电磁波, 并且依据物体的不同, 其对电磁波的作用也不同, 这是物体的特性决定的。而RS技术便依照这一原理, 通过对物体表面所发射或者反射的电磁波对物体信息进行获取, 从而达到远距离对物体进行识别的目的。依照波段范围的差异, 通过可监管、红外线湖综合微波对物体进行探测, 从而通过航空航天设备对影响予以获取。并且能够提取非语意信息, 对目标点予以精确的判定, 掌握其属性以及位置。
1.3 地理信息系统即平常所说的GIS系统, 主要用于对地理信
息相关数据进行分析、查询以及综合处理, 并对其结果进行储存, 从而显示出地理空间信息同其他先骨干信息之间的关系。GIS是一种计算机系统, 而起主要依赖于计算机CAD软件, 从而能够对有效的对图形数据进行处理。图形数据具有的位置坐标是图形数据的重要标志, 由于图形之间具有差异, 拓扑关系也根据图形的不同而不同, 无论在连接关系上还是空间位置上。总之, 对空间地理信息进行管理分析以及组织显示的系统即地理信息系统。其组成主要包括了系统软件、计算机设备、数据库和分析应用模型, 此外包括人机交互界面和管理人员。
2 地理空间信息技术应用
2.1 GPS的应用
在进行输电线路设计的每一个环节都能够应用到GPS系统, 并且其功能能够满足大部分工作, 从而降低了工作人员的勘测工作强度, 并将勘测工期有效缩短, 降低了勘测成本。正因为GPS系统在测量工作中具有的巨大优势, 使得该项技术的应用范围更加广泛。
2.1.1 进行外控测量过程中, 通过GPS在路径设计的外控测量
阶段, 可以通过静态测量模式进行操作, 对沿线交叉跨越以及沿线的不良地貌信息进行采集, 同事针对走廊内矿、厂以及其他的建筑物信息进行掌握, 从而避免了由于地形问题或者交通问题对测量工作效率以及准确度等方面的影响。
2.1.2 在进行线路设计定位中, 首先设计人员需要将塔位坐标
提供给勘测人员, 通过定位使用RTK对塔位坐标进行输入, 利用GPS系统对塔位实际位置进行确定。当前所使用的RTK仪器中对整周模糊度的计算大部分都采用了OTF算法, 该方式结算时间较短, 并且通过该种方式进行测量, 能够对定位进行精确, 通过观测手簿对放样点进行精确定位, 以收敛值确定定位精度。观测可以在点位达到要求精度后予以停止, 并将点位坐标进行存储。
2.1.3 在定线阶段, 通过RTK功能, 勘测人员能够进行准确的
定线, 通过将转角塔位的数据输入, 在GPS手簿中进行基准线的建立, 通过相邻塔位坐标数据, 系统能够将主线确定下来并显示出单位圆, 并计算出流动站同主线之间的实际偏离角度和距离, 显示出其实际位置, 以此将流动站向主线上引导, 知道其能够同主线重合。从而对现场两个转角塔之间依照实际状况确定直线塔位置, 并进行数据贮存。
2.2 RS的应用
在线路段设计过程中, RS几乎的应用主要体现在地面信息的获取上, 例如在220KV至500KV的输电线路的设计中, 通过摄影测量的方式作为主要的地面信息获取的海拉瓦测量系统已经得以全面的应用。该系统会生成相应的图形, 通过图形设计人员能够实时量取三维坐标以及相关数据, 实现快速准确的位置比较以及选择, 将输电设计过程中所遇到的障碍以及较为特殊的跨越物进行落实, 并准确的进行塔基地形和风偏验算。
2.3 GIS在输电线路路径中的应用
输电线路路径设计的好坏不仅要考虑技术、设备、设施等因素的影响, 还要考虑自然环境、地方规划的影响等, 所以在设计过程中总是希望找到合适的位置。为了解决这个问题, 由某公司开发的输电线路计算机应用设计系统在部分电力公司得到应用。
2.3.1 系统的特点。该系统使用Arcinfo (GIS底层开发应用软
件) 、TIN (摄影测量空三解算软件) 、GRID (栅格数据处理技术) 、NETWORK等技术, 应用全数字化信息设计输电线路的路径。全面实现线路模拟、显示、查询、处理、分析的一体化;可以通过DEM叠加DOM的方式对整条输电线路路径进行三维漫游显示, 直接模拟线路完成后的真实景观;还可以通过数据库的查询、管理功能, 直接点击杆塔明细表、结构图等信息。应用该系统可以全面提高输电线路数字化和信息化的管理水平。
2.3.2 系统的现实性。该系统是根据输电线路勘测设计的工作
步骤开发出来的。目前, 我国输电线路勘测设计一般分为五个阶段:第一, 大方案设计, 在此阶段, 根据电力供应的长期规划, 确定线路的一些基本要素, 包括线路大致走向、电压等级、单双回、变电站等。第二, 踏勘, 在此阶段, 收集线路经过地区, 关于自然环境条件、地形特征、地方要求等方面的信息, 依据环境、技术、经费等因素的影响, 给出几个比较方案。第三, 初步路径设计, 在此阶段, 根据1:5万地形图, 初步确定被推荐的线路路径的每一级杆塔位置。第四, 准确路径设计, 在此阶段, 沿着确定的大致线路路径进行航摄, 再根据摄影测量结果, 将每一级杆塔的位置确定到地形图上。第五, 线路勘测, 在此阶段进行细致的野外勘测设计, 线路、杆塔、基础都要准确定位。
3 结束语
在GIS设计系统中充分应用地理信息技术是对该输电线路设计系统分析以及集成功能的充分利用, 从而在设计输电线路中实现全面的数字信息化以及规模化, 从而将线路设计工作的科技含量予以提高, 从设计速度、设计精度方面分析, 空间地理信息技术的应用能够有效提高工作效率, 同时还大大降低了资本投入。
参考文献
[1]杜美云, 刘琦, 迁世良, 等.地理信息系统在统计经济数据库中的应用[A].北京市第十三次统计科学讨论会论文选编[C].2006.
[2]谢文辉, 李亿红, 苏诚.跨部门大型地理信息系统构建与实践[A].第十三届华东六省一市测绘学会学术交流会论文集[C].2011.
输电路径 篇4
近年来发生的大面积停电事故给电网安全运行敲响了警钟。通过分析这些事故的发展过程可以发现: 事故通常先由单一故障开始,继而因保护设备快速动作引起潮流大范围转移,致使其他相邻线路或元件过载,从而发生连锁跳闸最后发展成为系统事故[1-4]。因此,快速判断支路切除对全网造成的影响,对抑制电网事故的发展和蔓延具有重大意义。 实际上,支路切除后对全网的潮流影响只是局部的[5-6],并且以切除支路为中心向外逐渐减弱。所以在事故发展初期,发生连锁跳闸的支路与初始过载支路往往电气距离较近,即电网潮流首先在与过载支路处于同一个输电断面内的支路上转移。
为了判断支路过载跳闸对全网线路的影响情况,需要重新计算全网潮流,复杂耗时。如果能够找出与过载支路相关的输电断面,只分析该支路跳闸对断面内不同支路的影响程度,判断发生输电断面连锁过载跳闸的可能性,就能够缩短分析时间,尽快采取紧急控制措施,有效避免依靠过负荷保护机械式地切除过载线路所造成的连锁故障。
目前已有学者进行了有关输电断面识别的研究[7-9]。文献[7]提出了区间并行输电断面的概念, 在对电力网络简化、分区的基础上,通过可达矩阵进行逻辑运算判断过载支路的并行断面,但当发电机数目较多时,会存在分区繁多和漏选区内关键支路的问题,可靠性不高。文献[8]仅仅搜索过载支路所在回路的最短路径,同样会导致其他路径上的关键输电断面遗漏。文献[9]通过搜索前k条最短路径来识别输电断面,原理简单且能避免遗漏,但由于限定k值可能会多选额外支路,算例中利用分流系数取代潮流转移因子的理论算式也不够准确。
本文在前述文献的基础上做了更深入的研究。 首先,分析了支路切除后引起的潮流转移特征,之后,结合图论深入分析了输电断面的拓扑特征,根据这些特征制定了基于割点和前k条最短路径的搜索方案,避免了潮流分析带来的复杂、耗时问题,使得整个电网的安全分析变得简单快捷。与前述各文献相比,本文在以下方面做出了重要改进: 在电网模型抽象处理前期,依据割点与块的特征对全网进行分块降维; 根据潮流转移因子的特点优化了k值的选取方案; 提出了基于割点和路径搜索的输电断面识别方法。在新英格兰39节点系统和IEEE 118节点系统上的仿真结果验证了本文方法的正确性和有效性。
1潮流转移分析
1. 1等效网络模型
假设线路i-j切除前后,各发电机出力和电网负荷没有改变,即各个节点的功率仍然维持平衡。此时,由切除线路始端i流向终端j的功率并没有变化,只是传输路径发生了转移,即线路切除后其原有潮流将转移到其他线路。
假设图1中支路1-2由于过载被切除,在忽略支路电阻及支路间互阻抗且不计电网中电力电子等非线性元件时,由线性网络叠加原理可知,切除支路1-2后的潮流分布由断开前原网络潮流和等值电流源作用下的转移潮流叠加而成。图2( a) 表示支路1-2被切除前的原网络潮流分布; 图2 ( b) 表示切除支路1-2后,等值电流源Is= I12作用下的转移潮流分布。
1. 2潮流转移因子
支路1-2断开后的潮流转移分布如图2( b) 所示,依据电路原理,在只有单一电流源的等值网络中,如果网络参数确定,各支路上的转移电流大小只与电流源大小相关,且成一固定的比例,即满足:
式中: ΔIij为支路i-j上的转移电流大小; Is为电流源大小,即断开支路k-m上的原始电流大小; λi-j，k-m为支路k-m断开时支路i-j的潮流转移因子,考虑叠加电流的方向性,潮流转移因子有正负之分。
本文提出的搜索算法的主要特点是利用了输电断面的图论特征,而不需要通过繁琐的数学计算求取潮流转移因子。但为了便于在仿真分析中对比验证本文所提方法的有效性,这里先简要说明潮流转移因子的计算方法。
根据电力系统静态安全分析[10]中的分布系数法,可得电网某一支路k-m断开后,系统各节点的电压增量为:
式中: Zik,Zim,Zkk,Zmm,Zkm为网路阻抗矩阵中对应位置上的元素; zkm为支路k-m的阻抗值。
通常为了加快计算速度,用网络电抗值X代替阻抗值Z,这在电网安全快速分析中是允许的,这样处理后,式( 2) 可用标量形式计算。支路k-m断开情况下,其余支路的电流幅值变化量为:
式中: xij为支路i-j的电抗值。
将式( 2) 代入式( 3) 可得:
则支路k-m断开时,任意支路i-j的潮流转移因子的理论算式为:
需指出的是,若支路转移潮流与原始潮流方向相反,即潮流转移因子为负值,一般不会造成支路过载,因此,构成输电断面的支路潮流转移因子应为正值。
1. 3输电断面定义
根据上文分析,潮流转移因子只与电力网络的结构和参数有关,且能够衡量断开支路对周围支路潮流的影响程度,其绝对值越大表明该支路潮流变化程度越明显,在这里采用该参数定义输电断面: 对于某一过载支路,网络中潮流转移因子 λ > λ0的全部支路集合称为过载支路的输电断面,λ0可根据实际要求取值,其整定区间一般为0. 2 ~ 0. 3[9]。
2输电断面的图论分析
2. 1图论基础
电力网络是由高、低压电网将电源与负荷连接在一起的整体[7，11]。若只考虑电网的拓扑结构,电力网络可以用一个含节点和边的图G( V,E) 来表示,其中: V = {v1,v2,…,vn},表示节点集合,代表电力系统中的母线节点; E = {e1,e2,…,em},表示边的集合,代表电力系统中的输电线路[12]。当图中的边有方向时,称G为有向图,相反,则称G为无向图。
1) 邻近节点、路径
假定图G有n个节点,若节点vi和vj间通过某条边ei直接相连,则称vi和vj互为邻近节点,并用边ei的权值w(ei)表示该边的长度;若节点vi和vj间通过有限条边相连,则节点vi到vj的任何一条通路称为一条路径,且路径l的长度为该路径所有边的长度之和,记为。若在图中给定源点vs和终点vt,那么前k条最短路径就是从源点vs到终点vt之间的所有路径中第1条到第k条路径长度最短的路径。
2) 加权邻接矩阵
设图G( V,E) 有n个节点,则图G的加权邻接矩阵为n阶方阵A = ( aij)n × n,其各元素如下:
式中: wij为边的权值; ∞ 表示节点vi与vj之间没有支路。
本文以支路电抗值表示支路权值,故图G为一无向图,A为对称方阵。
3) 割点和块
对于一个无向图G,如果任意两节点间都存在路径,则称为连通图[13]; 如果存在某节点,当去掉该节点后G变成非连通图,则称其为图的割点。不含割点的图为不可分图,图G的极大不可分子图称为G的块,于是任何一个可分图G可以看作是由有限个割点连接起来的各个块组成的。如图3所示,该图有2个割点b和d,把连通图G分成3个子块Gi( Vi,Ei) ,i = 1,2,3,其中各子块节点集合V1= { a, b} ,V2= { b,c,d,e,f} ,V3= { d,g,h} 。
根据割点与块的定义不难发现,图G中的任何一条回路不可能跨越2个或2个以上的块,即构成一条回路的所有支路一定在同一个块中。
2. 2路径上转移潮流分布
图4为某电力网络支路1-3开断后的转移潮流示意图。
各支路阻抗如图4所示,则可以求出4条路径上的分布电流IP1,IP2,IP3,IP4分别为0. 540 5Is, 0. 216 2Is,0. 108 2Is,0. 135 1Is。根据4条路径上的电流大小列出的各支路转移电流如表1所示。
根据图4及表1中的结果可以看出,最短路径P1上的支路1-2和2-3的转移电流很大,次最短路径P2和第3条路径P3上的支路1-4和6-3转移电流也很大,而第4条路径P4上的各支路转移电流都很小。因此,可以通过搜索若干条回路阻抗较小的路径来确定受转移潮流影响最严重的支路集合,即可以通过搜索断开支路两端点间的前若干条最短路径来确定潮流转移断面。
2. 3输电断面的图论特征
依据1. 3节中的定义,输电断面识别即是找出某一支路开断后潮流转移因子较大的支路集合,即等值网络中转移电流较大的支路集合。依据电路原理,转移电流将分布在与电流源构成回路的各个支路中,如图2( b) 中的回路l1,l2,l3,l4; 由图论中割点和块的特征可知输电断面应位于同一块中; 由欧姆定律,在电压和功率恒定的条件下,电流大小与所流经回路的电抗成反比。综合以上分析,归纳并总结出输电断面的图论特征如下。
1) 构成输电断面的支路应能与过载支路构成回路。
2) 若一个图中存在割点和块,过载支路和输电断面应位于同一块中。
3) 回路电抗值越小的路径,路径支路潮流转移因子越大,当回路电抗较大时,可以忽略转移电流的影响。
上述输电断面的3个特征是基于电路相关原理和潮流转移因子特点提出的,特征1是特征2的前提条件,特征3是对前两点的进一步解释,这3个特征是本文基于图论的输电断面识别方法的主要依据。
3输电断面快速识别方法
文献[5,14]仅仅搜索断开支路两端点间的最短路径,由最短路径上的支路构成断开支路的输电断面。最短路径上支路的潮流转移因子相比其他支路较大,但不一定是最大的[9],且只考虑最短路径无法包括所有潮流转移因子 λ > λ0的支路,会遗漏关键支路。前k条最短路径法由于同时考虑最短路径在内的多条较短路径,能够保证潮流转移断面的完整性,该方法的适应性更强。
目前已有许多文献[15-17]对前k条最短路径问题进行了研究。但是,若采用文献[15-17]中的算法进行输电断面的搜索,将非常复杂,并且效率很低。本文在考虑前k条最短路径方法优势的基础上,充分利用已经得到的前k - 1条路径的邻近节点信息,发掘第k条最短路径,并最终在已搜索出的满足条件的前k条最短路径中识别出输电断面支路。
本文提出的输电断面快速识别方法主要由以下3个模块构成: 电网抽象与降维模块、路径搜索模块、确定输电断面模块。输电断面的识别过程如图5所示。
3. 1电网模型抽象与降维
首先,把实际电力系统中的母线抽象成图论中的点,输电线路抽象成边,得到电力网络的拓扑图G,图6为新英格兰39节点系统的图论模型。其次, 根据图论特征1删除无法构成回路的节点,例如图6中的C1和C2包围的节点及节点v36,v38; 最后,根据特征2确定图论的割点与块,例如图6中的割点v16,v26及块G1,G2,G3。在前述基础上根据支路电抗值形成各个块的加权邻接矩阵。
上述过程中,通过不断寻找图的边界点即可删除无法构成回路的节点; 寻找割点与块的算法主要有定义法和Tarjan算法[18],由于后者基于图的深度优先搜索而设计,简单快捷,故本文采用了这种方法。通过这两步完成了图的分块操作,降低了电网的图论模型维度,为搜索潮流转移断面节省了时间。 例如,若图6中支路5-6由于过载被切除,则可仅在块G1中研究转移潮流对其他支路的影响。
3. 2k值选取原则
以支路电抗表示边的权值,路径上各支路的电抗之和表示路径长度,根据前文图论特征,只需找到过载支路所在块中能够与之构成回路的前k条最短路径即可,这k条路径应能恰好包括所有满足 λ > λ0的支路,这些支路就构成了过载支路的输电断面,即潮流转移输电断面。值得说明的是,k值的大小关系到潮流转移断面搜索的快速性和准确性, 如果k值太小,输电断面不能包括所有满足条件的支路; 如果k值太大,会增加额外支路,延长搜索时间。权衡上述情况,本文按以下原则选取k值:
式中: Di，len为两点间第i条最短路径的长度; M为路径长度之比的阈值。
本文M取整数3,理由如下:2.2节的结果表明,若λ0越大,则满足条件的最短路径数目k将越小,M也越小,近似认为M与λ0成反比。故取为定义中λ0的中值0.25,这样取值是为了提高本文所提算法对各类电网的适应性,算式中减1是对判据Di,len/D1,len≤M中小于等于号所做的调整。这样,在极端条件下,即第k+1条最短路径与前k条最短路径没有交集时,由式(7)可知,第k+1条最短路径上的转移电流最多为等效电流源的1/4(实际不可能达到)。
M的取值和式( 7 ) 确保了电网中满足条件 λ > λ0的支路均包含于前k条最短路径中,从而有效避免漏选关键支路,但为了防止算法时间过长k值最大仍取4。
3. 3基于邻近节点的前k条最短路径搜索
完成电网模型抽象与降维之后,就可以在指定块中开展搜索。不难证明[19],两点间的次最短路径必然经过最短路径上某一邻近节点; 两点间的第k条最短路径必然经过第k - 1条最短路径上某一邻近节点。
用Pk表示源点vs到终点vt的第k条最短路径,队列Paths存放不同路径且按长度递增排序,数组Neighbors存放不同邻近节点。基于邻近节点的前k条最短路径搜索过程如下。
步骤1: 采用Dijkstra算法[20]求出最短路径P1, 放入队列Paths,此时路径数目k = 1。
步骤2: 如果k = 4或者Dk，len/ D1，len> M则退出, 否则从Paths中取出Pk,对于该路径上的除vt以外的每个节点vi,作如下处理: 1找出vi的邻近节点vj且确定vj不在路径Pk上; 2若vj没有在Neighbors中出现,即为新增邻近节点,则加入Neighbors,同时采用Dijkstra计算路径Pk经过该邻近节点的最短路径Ptemp( vs-…-vi-vj-…-vt) ,即路径Pk在节点vi处分叉并通过vj派生出Ptemp; 3若vj已在Neighbors中出现,则判断Pk在节点vj处的截断路径vs-…-vi-vj是否在Paths中出现过,如果没有则采用Dijkstra计算路径Pk经过该邻近节点的最短路径; 4把Ptemp加入队列Paths,并按递增排序,k + + 。
步骤3: P1至Pk即为所求的前k条最短路径。
3. 4确定输电断面
在3. 3节已搜索出的前k条最短路径P1至Pk中,将路径上转移潮流和原始潮流方向相同的支路存入数组S,组成输电断面。至此,完成了受开断支路转移潮流影响较大的输电断面搜索。根据上述步骤作出的潮流转移断面搜索算法的流程图见附录A图A1。
4仿真分析
4. 1算例1: 新英格兰39节点系统
以新英格兰10机39节点系统为例验证本文提出的方法。图6给出了该系统的分块示意图,考虑支路5-6过载被切除的情况。由图6看出,支路5-6位于块G1中,故仅在块G1中搜索满足条件的前k条最短路径。首先删除块G1中无法构成回路的节点v30,v31,v32,v37; 根据3. 2节k的确定原则和3. 3节步骤2的判断条件,由于D3，len/ D1，len= 4. 9 > 3,因此,得到2条符合条件的最短路径P1( 5-8-7-6) ,P2( 5-4-14-13-10-11-6) 。详细仿真结果见表2,通过判断前2条最短路径中的支路潮流流向,最终确定输电断面为S = { 7-6,4-14,14-13,13-10} ,其中潮流转移因子采用式( 5) 计算( 为简化书写,未标注断开支路5-6) ,以此来评判搜索方法的有效性。
如果按文献[7]的方法全网需要分成17个区域,且会漏选断面支路7-6,14-13和13-10,原因是该方法在分区间搜索断面支路,而属于区内的支路7-6,14-13和13-10无法被搜索到; 按文献[8]的方法搜索,由于仅搜索最短路径来确定输电断面,会漏选第2条最短路径上的支路4-14,14-13和13-10; 按文献[9]的方法搜索会包含这2条最短路径以外的大量额外支路,这是由于固定k值产生的算法适应性不高所导致。此外,这些文献由于没有考虑到通过割点与块进行降维处理会产生额外的运算量,这对电力系统在线安全分析是不利的。
根据式( 5) 的理论计算结果发现,路径上的所有支路潮流转移因子的绝对值都大于 λ0( 0. 2 ~ 0. 3) ,分析还发现除去这些支路以外,最大的潮流转移因子绝对值仅为0. 054,发生在路径P3的支路4-3上。仿真结果表明,支路5-6过载切除引起的潮流转移因子较大的支路全部包含在输电断面S中且没有产生额外支路,证明了本文方法的正确性和有效性。
4. 2算例2: IEEE 118节点系统
以IEEE 118节点系统为算例,同样考虑支路5- 6过载进行仿真分析。附录A图A2给出了该系统的分块示意图,可以看出,支路5-6位于块G1中,故仅在块G1中搜索满足条件的前k条最短路径。首先删除块G1中无法构成回路的节点v9,v10,v73,v86, v87,v116,v117; 根据3. 2节中k的确定原则和3. 3节步骤2的判断条件,由于D5，len/ D1，len= 3. 3 > 3,因此, 得到4条符合条件的最短路径P1( 5-11-12-7-6) ,P2( 5-4-11-12-7-6) ,P3( 5-3-12-7-6) 和P4( 5-3-1-2-12-7- 6) 。详细仿真结果见表3,通过判断前4条最短路径中的支路潮流流向,最终确定输电断面为S = { 5- 11,11-12,5-4,4-11,5-3,3-1,1-2} 。
如果按文献[7]的方法,全网需要分成58个区域,分区过多且无法搜索到区内断面支路5-4; 按文献[8]的方法仅搜索最短路径上的支路,会漏选第2和第3条最短路径上的支路5-4和4-11; 按文献[9] 的方法搜索输电断面,因k值限定为4,所以恰好与本文结果相同。需要说明的是,本文方法不会漏选任何关键支路,但也会出现多选少量无关支路的情况,如本算例多选了支路5-3,3-1,1-2。
根据式( 5) 的理论计算结果发现除去这些支路以外,最大的潮流转移因子绝对值为0. 197 6,发生在路径P5的支路30-8上。仿真结果表明,支路5-6过载切除引起的潮流转移因子较大的支路全部包含在输电断面S中,进一步验证了本文方法的正确性和有效性。
算例分析表明: 采用文献[7]和文献[8]所给的方法确定输电断面时,会漏选某些支路,而过载支路被切除后的转移潮流很可能使这些支路过载; 文献[9]由于固定k值,其方法对各类电网的适应性不高,多选和漏选断面支路均有可能发生; 本文首先将电网降维,在已降维的块中,通过灵活选取k值, 搜索断开支路的输电断面,在能够保证输电断面的完整性的基础上,对各类电网的适应性较高,可以快速、准确识别断面支路,为电网安全控制提供支撑。
5结语
本文通过分析过载支路切除后引发的局部潮流变化特征,研究了与潮流转移因子相关的输电断面, 根据输电断面的图论特征优化了k值的选取原则, 并最终提出了一种基于割点和路径搜索的输电断面快速识别方法。仿真结果的对比分析表明: 该方法能够囊括所有潮流转移因子较大的支路,可以准确、 快速搜索支路过载时的相关输电断面,通过有针对性地对过载支路的输电断面采取安全性措施,对抑制电网事故发展和蔓延、避免电网连锁过载跳闸事故的发生具有重要意义。
输电路径 篇5
输电线路路径选择是电力线路工程设计中的重要组成部分,是一项投资大、要求高的复杂系统工程[1]。它不仅要考虑地形、地质、水文等自然条件,同时要顾及施工难度、工程投资及线路运行对沿线环境的影响,是一个涉及工程、环境、经济等诸多因素,对线路投资综合效益有很大影响的空间多目标决策问题。传统的输电线路路径选择工作是设计人员凭借经验在地图上绘制,并通过现场初堪选线和终堪选线最终完成。人工设计无法兼顾大量各种类型的空间信息,也就难以保证设计结果的经济性和科学性。因此对路径评选中涉及的多种因素进行量化,通过计算机人工智能方法来完成路径选择是输电线路路径设计发展的必然趋势。
地理信息系统(GIS)是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下,对地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统[2,3]。GIS技术能够实现电网资源管理、可视化展现、结构化分析,是构建“数字化电网,信息化企业”不可或缺的重要技术[4]。
目前,针对GIS技术在输电线路设计中的应用已有相关研究。文献[5]利用GIS技术与遥感技术结合构建三维可视化地形影像,在立体图像上拟设多个线路塔位拐点,分析塔位间地理信息,对线路路径进行改进。文献[6]以三维可视化的方式直观显示线路走廊内的各类型综合图形信息,如电网数据、覆冰区、协议区、规划区等,辅助大范围的线路路径初步规划。已有文献主要是利用GIS大数据量、可视化的立体地图影像辅助人工设计,或利用其对地理信息的管理、分析、显示能力对已有备选路径进行优化,而在自动生成路径方面的方法还很匮乏。
本文提出了一种基于GIS的改进元胞自动机CA(Cellular Automata)模型。通过GIS平台,利用军区、城市规划、铁路、民航、气象等部门之间的地理信息资源共享得到实时准确的地理信息,减轻繁重的现场勘察工作;同时,计算机可以全面考虑所有地理信息,因此能够保证设计结果的经济性和科学性。
1 元胞自动机模型
1.1 元胞自动机的概念
元胞自动机是时间和空间都离散的动力系统,最基本的组成是元胞、元胞空间、邻居及元胞转化规则四部分[7,8]。元胞散布在规则格网中取有限的离散状态,遵循同样的作用规则,依据确定的局部规则作同步更新,描述复杂系统的整体行为[9,10]。元胞自动机的构成如图1所示。
GIS的栅格地图与元胞自动机模型都是以单个网格为基本单元,二者数据可以兼容[11];且元胞自动机可以描述多因素影响下线路形成的复杂行为,元胞自动机模型可以用于路径选择。
GIS可以有效地管理、表达和处理静态空间信息,对规划区域复杂地理信息进行分析处理,转化为简单栅格数据[12];元胞自动机模型有强大的模拟地理时空行为的能力,以GIS提供的处理后的地理信息,导入元胞自动机路径搜索模型进行搜索,将二者结合起来可以充分发挥各自的优势,提高电网规划的科学性和建设经济性。
1.2 元胞自动机模型与蚁群算法的结合
元胞自动机路径搜索模式是由起点开始向多方向的自由搜索,通过独立的多次搜索,比较搜索结果,保留最优结果形成路径。输电线路路径搜索属于大规模系统搜索,数据量很大,变量组合多,易出现维数灾难、计算时间长和收敛性差等问题。
改进的元胞自动机路径搜索模型融入蚁群算法机制[13],对每个元胞赋予信息素浓度值,在路径由起点向终点形成过程中,信息素浓度值大的元胞,被选中形成路径的概率大。重复搜索一定次数,取最优解线路上的元胞,增加其信息素浓度,重新进行搜索。重复此过程直至达到设定次数位置,比较得出的最优路径结果。
蚁群算法对元胞自动机模型进行的优化,可以使每次搜索都受到上一次优质搜索结果的影响,将独立的多次搜索关联成整体搜索,对地图信息的认识和捕捉更加明确。运用路径搜索模型在空间上搜索出可行解,然后用搜索出的可行解更新模型参数,使模型趋向于在高质量的解空间中搜索新的解。在元胞自动机模型中加入蚁群算法机制,可以有效提高求解效率和求解精度。
2 层次分析法元胞模型
2.1 元胞类型
影响输电线路路径选择的地理信息因素既有自然因素也有社会因素,自然因素包括自然保护区范围和内容、河流湖泊、矿藏区范围、地质构造带等,社会因素包括风景名胜区范围、水源区范围、飞机场升降区域、军事管理区等。考虑到以上地理信息因素限制性的强弱,将规划区域的元胞分为如下3类。
(1)A类元胞:线路可以穿越也可以架设杆塔的元胞(如不受限制的平原地区等)。
(2)B类元胞:线路可以穿越但不能架设杆塔的元胞(如河流、公路等)。
(3)C类元胞:线路不能穿越也不能架设杆塔的元胞(如自然保护区、飞机场升降区等)。
2.2 元胞成本值
对于A、B类元胞,它们可以成为路径选择中的备选元胞,最优化自动选择方法只能用于定量分析,所以需要对元胞进行赋值,即元胞成本值。
在建立元胞成本值的过程中,需考虑的影响因素多,而且很多因素为定性分析,各因素之间无法进行定量比较。为了解决上述问题,本文采用层次分析法AHP(Analytic Hierarchy Process)确定元胞成本值。
(1)对相关地理信息进行等级评分。细化各项指标因素,具体到可以量化或可以定性分级的指标因子,如地形地貌、地质构造、土地利用类型、覆冰区情况、污秽区情况、风速等,通过客观数据分析和专家评分等手段,确定每个指标因子对该元胞区域输电线路建设的影响,评分标准如表1所示。
(2)建立层次结构模型。总目标层为元胞成本值,考虑到地区差异、电压等级和建设标准的不同,将第一基准层划分为基础工程、杆塔工程、架线工程、其他工程4个部分。第二基准层为需要考虑的具体地理信息因素,如图2的虚线框中所示。
(3)构造成对比较矩阵。本文利用9级比例标尺建立评价尺度[14],评价尺度表如表2所示。对每层中的两两因素进行比较。用qij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果,则成对比较矩阵Q如式(1)所示。
(4)计算下层因素对上层目标的影响权重。计算矩阵Q的最大特征值对应的特征向量,归一化处理后得出目标函数权向量w=(w1,w2,…,wn)T。
(5)计算元胞成本值。设线路经过某一元胞的地理因素成本为元胞成本值,用c表示。将本节(1)中得到的地理信息评分代入到上述AHP模型中,计算出每个元胞的成本值c。
2.3 利用GIS整合地图数据
利用在GIS中获取的研究区域各元胞的空间分布和相关属性数据,生成符合元胞自动机定义的属性数据表。元胞所包含的数据包括位置坐标(x,y)、元胞类型(A、B或C)、元胞成本值c。
3 路径搜索模型
路径搜索模型采用连点成线方式。搜索地图上形成线路的关键元胞作为标记点。从线路起点开始,依次连结搜索到的标记点,直至终点结束,形成线路。
3.1 元胞状态
设定规划区域内元胞有3种状态:在某一时刻的某一元胞,如果确定为标记点元胞,那么此时该元胞状态为1;如果确定为线路上元胞,那么此时该元胞状态为2;如果元胞既不是标记点,也不是线路上元胞,那么此时该元胞状态为0。最终由状态为1和2的元胞确定最终的规划线路。元胞状态可以相互转换。
3.2 元胞自动机邻居模型
常用的二维元胞自动机邻居模型如图3所示,用于输电线路路径搜索存在局限性:搜索步长小,不适于长距离搜索,也会造成线路曲折;无法做出跨越动作。
根据高压输电线路线路距离长、可跨越障碍的特点,对元胞自动机邻居模型进行了改进。图4为改进的元胞自动机邻居模型,图中,黑色元胞为线路上当前标记点位置元胞,当前标记点位置元胞的所有邻居,下一标记点位置元胞从邻居元胞中选择产生(从邻居元胞中选择1个)。
采用改进元胞自动机邻居模型,邻居元胞需要满足以下条件:
a.在规定的搜索步长范围内;
b.元胞类型为A;
c.元胞状态为0;
d.每次搜索形成的线路不能和已形成的线路重合或交叉。
满足以上4个条件的元胞成为当前元胞的邻居元胞,是下一标记点的待选位置。若不存在元胞同时满足以上4个条件,则自动拉近搜索步长,重新搜索判断。自动拉近搜索步长可以有效地避开搜索过程中的障碍。
以搜索步长范围为350~450 m,即搜索区域距当前标记点元胞的最小距离限制f=350 m,最大距离限制g=450 m,搜索区间为[f,g]=[350,450]为例,若搜索结束时邻居元胞个数为0,则搜索区间拉近100 m,具体的邻居元胞确定流程如图5所示。
3.3 元胞转化规则
本文所提元胞自动机邻居模型的转换规则实质就是线路导向线的延伸规则。元胞自动机路径搜索模型以上一时刻(t-1时刻)产生的标记点为基准,确定其邻居元胞,依照邻居元胞的转化概率,以轮盘赌方式随机确定邻居元胞中的某一个元胞为此时刻(t时刻)标记点,并将其状态转化为1。元胞转化过程如图6所示。
二维元胞自动机模型搜索过程随机性强,算法复杂度高,求解最佳路径时需要极长的运行时间和极大的存储空间,搜索目的性低导致结果很难令人满意,且搜索区域每增加1行1列,计算量也会急剧增加。因此,本文在元胞转化概率部分引入了启发式搜索机制。启发式搜索机制包含了局部成本最优机制、全局方向控制机制和蚁群算法中的信息素机制。
(1)局部成本最优机制。
输电线路设计在保证其安全性、可靠性的前提下,以经济性为其主要优化目标。局部成本最优机制即在确定t时刻转化元胞过程中,成本低的元胞转化概率高。
在元胞转化概率中加入成本控制系数b,则位置坐标为(x,y)的邻居元胞的成本控制系数为:
其中,c(x,y)为位置坐标为(x,y)的邻居元胞的成本值。
(2)全局方向控制机制。
二维平面路径搜索的搜索方向随机性很强,搜索过程容易陷入局部最优,也常常产生路径迂回现象。本文算法引入了全局方向控制机制,以终点为控制点,使路径搜索方向趋向于终点方向。
全局方向控制机制如图7所示,图中,中央的元胞为基准元胞,元胞1、元胞2为2个邻居元胞。从基准元胞分别向邻居元胞和终点方向连线,产生的夹角作为方向控制量,角度越小,搜索方向越倾向于终点方向。
在元胞转化概率中加入方向控制系数a:在t时刻,当前元胞坐标为(xt,yt),邻居元胞坐标为(xi,yi),终点元胞坐标为(xd,yd)。以元胞(xt,yt)为顶点,分别向元胞(xi,yi)和元胞(xd,yd)引出连线,连线夹角为θ,则元胞(xi,yi)的方向控制系数axy=cosθ,即线路方向越偏向终点,该线路上元胞方向控制系数越大。
全局方向控制可以减小路径长度,减少线路转弯,从而减小输电距离和转角杆塔数量,有利于经济性的提高。
(3)蚁群算法信息素机制。
按1.2节所述方法引入蚁群算法中的信息素机制,使每次搜索向最佳路径的方向发展。同时设定信息素挥发系数,避免因多次搜索积累信息素浓度过高而产生的早熟收敛。
在元胞转化概率中引入信息素控制系数m,建立信息素浓度矩阵,每个位置元胞信息素浓度为mxy,各元胞的初始信息素浓度相同。采用信息素更新机制,在每组若干次成功搜索后,为线路上元胞增加Δm的信息素浓度。
其中,Ct为线路总成本。
设定信息素挥发系数,新信息素矩阵中位置坐标为(x,y)的元胞的信息素浓度m′xy为:
其中,σ为信息素挥发系数,σ(0,1)。
更新信息素浓度后继续进行下一组运算,信息素控制系数越大,元胞转化概率越高。
方向控制系数a、成本控制系数b、信息素控制系数m的控制强度分别为α、β、γ,则邻居元胞转化概率p(x,y)为:
邻居元胞中只有一个元胞能够成功转化,将所有邻居元胞转化概率进行归一化处理,处理后的元胞转化概率为:
其中,psum为t时刻所有邻居元胞的转化概率之和。
在确定每个邻居元胞的转化概率pt(x,y)后,采用轮盘赌方法,随机选取邻居元胞中的一个为下一转化元胞。
3.4 线路成本
初始时,起点元胞为第一个标记点,状态为1,其他元胞状态为0。在t时刻,新搜索到的标记点状态变为1,其与t-1时刻搜索到的标记点间形成线路,线路穿越元胞状态变为2。则本段线路成本Ctt为:
其中,n为在t时刻状态由0转化为2的元胞个数,即线路元胞个数;ct0 2(i)为在t时刻状态由0转化为2的第i个元胞成本值;ct0 1为t时刻状态由0转化为1的元胞成本值;lt为t时刻转化元胞与上一标记点元胞的距离。
输电线路要尽可能减少转角数量,设定若t时刻形成线路与上一时刻形成线路产生夹角,那么t时刻线路成本提高30%。
设线路总成本为Ct,则有:
其中,C1t、C2t、…、Ctt、Cdt为搜索到终点时每一时刻的线路成本。
3.5 改进元胞自动机模型路径自动搜索流程
高压输电线路距离长,研究区域范围大,为减小数据量,保证搜索的准确性,对研究区域进行分段处理。在起点与终点之间通过在图上标绘确定线路必须通过的关键点,相邻关键点之间为具体研究区。通过每个具体研究区路径自动搜索,组合得到最终路径结果。搜索流程图如图8所示。
4 算例验证
根据本文算法设计原理,以Mapinfo和谷歌GIS作为软件平台,应用C#技术开发输电线路路径自动选择功能模块。
算例选择的测试区域如图9所示。测试区的起点为C、终点为B,南北方向的距离为26 km,东西方向的距离为16.75 km,对长距离线路进行分段处理,设置参考点A,划定测试具体研究区。
测试具体研究区的放大图如图10所示,其起点为A、终点为B,南北方向的距离为17.9 km,东西方向的距离为4.2 km,中央南北方向的河流和上部东西方向的公路为需跨越障碍。居民区和试验田区为需避让区域。下面针对该测试具体研究区域进行具体路径搜索测试。
(1)利用谷歌GIS获取区域地理图像和地形、高程、地质等相关地理信息,利用Mapinfo生成栅格地图,元胞尺寸设定为60 m×60 m。补充协议区、风速、覆冰等其他相关地理信息,判断可行区域设定各元胞类型,同时确定各指标因子评分,生成元胞属性信息表。
(2)将评分结果代入到建立的层次结构模型,得到各元胞成本值。将元胞坐标、元胞类型、元胞成本值对应导入路径自动选择功能模块。根据测试具体研究区的情况,输入搜索参数,具体参数如下。
a.测试具体研究区的起点坐标为(32,0)、终点坐标为(202,55),行数、列数分别为300、70。
b.程序参数:f=600 m,g=700 m;σ=0.3;α=1,β=1,γ=0.8;运行组数为50,每组运行次数为30。
(3)运行该模块,得到线路标记点元胞坐标为:
运行结果如图10所示,设计路径成功跨越了公路和河流,避让了限制区,综合多个地理信息因素,由起点到达了终点,完成了输电线路路径计算机自动选择。
5 结论
a.以GIS作为平台,结合专家经验,以定性分析和定量评估结合的层次分析法确定元胞成本值,可以有效地整合地理信息,结果能够定量地表达各评价单元适宜度。
b.本文提出的元胞自动机邻居模型,符合输电线路设计的特点。在自动搜索模型中采用启发式搜索,提出3个影响元胞转化概率的因子,明确了搜索的目的性,使得算法同时兼顾准确性和收敛速度。
输电路径 篇6
1 无人机倾斜摄影技术的发展现状
现代数字化测绘技术是目前我国工程测量中应用最广泛的技术, 也是最主要的技术, 对工程测量行业贡献突出。数字化测绘技术的优点众多, 不仅能够提高测绘成图精度, 对不同要素进行分析, 使测绘图多样化、直观化, 而且能够提升经济效益与产品的核心竞争力。倾斜摄影技术是一项新兴的数字化测绘技术, 相对于传统的测量技术, 它的可测量范围更广、可测量精度和清晰度更高, 无人机倾斜摄影机技术则更加注重三维建模, 有效提高测量工作效率。
倾斜摄影测绘技术的应用, 大大加快了我国工程测量行业的现代化进程, 不仅使得工程测绘不再停留在传统模拟测量、手绘图纸的阶段, 解决了以前的棘手问题, 更使得整个行业的工作效率大幅提升, 产生质的飞跃。倾斜摄影测绘技术由计算机代为处理测量数据, 更为精确快捷, 能够对获取的位置信息进行高精度解析, 并且能够形成数据共享的信息化机制[1]。
无人机倾斜摄影技术的三维模型, 是在经过计算机系统对所采集位置、高度、地势等信息综合分析后得到的。计算机系统在输出数字测绘图和三维模型之前, 首先要录入测量数据, 然后对数据进行一系列的综合处理, 最后结合地形空间数据输出模型。总的来说, 这是一种由计算机辅助的、全解析的出图方式。这种出图方式大大提升了测量工作效率, 极大地缩短了测量工期, 以最经济的成本高效率完成测量工作 (见图1) 。
21世纪是信息科技的时代, 大数据、云数据等概念不断涌现, 城市化进程不断加快, 我国也陆续开展了近300座智慧城市建设试点, 这些都使得三维模型的市场需求迅速扩大, 同时也为倾斜摄影技术的发展带来新的机会。当然, 我国目前的无人机倾斜摄影技术还没有达到完全成熟的地步, 也意味着一定的挑战。巨大的潜在建模需求就像是一片蓝海, 激励着企业不断创新和开拓。
2 无人机与倾斜摄影技术的优势
无人机倾斜摄影技术的优点众多, 不仅降低了建立三维模型的成本, 提高了建模效率, 更将所采集信息的精度提升到另一个水平, 而且该系统的操作较为简便, 对于场地的要求也不算太高。
在特高压输电线路的建设过程中, 必然会途径部分房屋建筑, 当输电线路的最佳位置无法避开房屋建筑时, 就会对工程房屋进行拆迁。由于实地测量的精度存在较大误差, 而且工作量太大。因此, 目前一般采用无人机倾斜摄影技术来统计被拆迁房屋建筑的数量。通过三维模型的建立, 不仅能够对建筑楼层数进行统计, 对于建筑的结构和材质也都能够进行记录[5]。
与传统的摄影勘测技术相比, 建立三维模型具有以下优势:
2.1 还原一个真实的世界
与传统手工三维模型和实景三维模型不同, 在进行倾斜摄影工作时, 无人机搭载倾斜摄影云台在低空绕行, 云台的捕捉器十分灵敏, 能够清晰地记录下地面的建筑, 植被等的数据[2]。数据被传入计算机系统以后, 经过专门软件的处理, 就能够建立三维模型, 将所拍摄地域的真实面貌多角度全面展现, 还原精度极高。
2.2 使用成本降低
图像是最生动直接的表心形式, 三维立体模型更是给人几乎与真实世界无差别的体验, 这就意味着它必将有更大的发展空间。利用倾斜摄影技术搜集数据, 建立三维模型, 正在成为测绘新趋势。成本的相对低廉, 也加速了倾斜摄影技术的发展, 用户门槛降低, 工期被最大限度缩短, 工作效率得到极大的提高。
2.3 地质灾害模拟
在特高压输电线路的建设过程中, 输电路径的设计是极为重要的一环, 为了最大限度减轻地质灾害发生时, 对输电站和电网造成无法估量的损失, 可以在路径设计时就通过地质灾害模拟, 来进行提前的规划的防控。倾斜摄影技术的三位模型恰恰能够提供在这一功能, 通过遥感监测装置来模拟地质灾害系统。
3 优化特高压输电线路路径
前文已经对无人机倾斜摄影技术的优势进行了分析, 接下来笔者将对该项技术在特高压输电线路路径中的优化应用做出重点分析:
3.1 测量地物之间的空间位置关系
倾斜摄影技术不同于传统的正面摄影技术, 能够从不同角度对地面系统的物体进行全方位拍摄, 可以准确的度量地面系统中各建筑、植被之间的距离, 以及其各自的高度、长度、宽度。倾斜摄影技术能够多角度的对所拍摄系统的物体进行量测, 通过采集不同角度的不同数据, 对较为复杂的物体进行建模分析。
传统模拟测绘技术多采用手工建立模型或者实体三维模型的方式, 测绘图的成图精度存在一定误差, 而倾斜摄影测绘技术能够将这种误差降到最低, 大大提高了模型的建立精度。倾斜摄影测绘技术在进行数据采集时能够通过特殊技术对所测坐标进行三维选取并快速进行自动存储, 在工程测量的第一步就保证测量精度。此外, 在进行数据处理时, 计算机系统的高精度处理模式能够最大限度降低计算误差, 进一步保证三维测绘的最终成体精度。
3.2 模型直观, 精确分析地表植被间的关系
在进行工程测量时, 涉及到的要素颇多, 通过采用倾斜摄影测绘技术, 能够针对不同地表状况, 选取不同要素进行分析, 搜集全面的信息, 进而产生最能符合要求的数字测绘图, 建立直观的三维模型, 将测绘对象主要的外貌及形象进行最大程度的再现, 让工程测量的工作人员能够更加清晰地了解测绘对象。
通过倾斜摄影技术的三维模型, 能够清晰地观测到地面植被的情况, 技术人员可以通过对植被高度、距离等数据的分析, 利用三维模型进行地质灾害模拟, 最大限度地降低输电线路的建设损失。从另一方面来说, 也能够帮助建设人员尽量避开高密度林区, 减少植被的砍伐, 维护自然和平。
3.3 降低测绘成本, 提升经济效益
无人机倾斜摄影技术的基础是计算机信息技术的应用, 现代数字化测绘技术可以将测量数据进行资源共享, 同时在资源的保存与传送方面的成本也相对低廉。在传统的三维模型建立技术中, 一旦出现数据错误, 可能导致整份测绘图都会作废, 而无人机倾斜摄影技术的多角度信息量测, 很好的规避了这一缺陷。与计算机系统的集合使用, 使其在出现错误时能够进行较为方便的改动, 避免冗余的过程加大工作人员的工作量, 提升输电线路建设工作效率和经济效益。
4 结语
随着信息时代的到来, 计算机技术的飞速发展, 无人机的使用逐渐从军事领域衍生到部分民用领域, 无人机倾斜摄影技术得到飞速发展。对于新时代的我们来说, 电是必不可少的, 不仅工业用电量需求加剧, 民用电量需求也在不断上升, 电力的高效输送已经成为亟待解决的问题, 必须加快电网设施的建设。无人机倾斜摄影技术正是因为三维模型的高精度建立, 而被广泛应用到特高压输电线路的路径优化设计中。
摘要：随着时代的进步、科技革命的产生, 电子信息技术飞速发展, 数字化测绘技术成为我国工程测量的重要工具, 尤其是在高压输电线路路径的设计中。倾斜摄影技术是具有高科技含量的最新技术, 其与无人机的相互结合, 更是将三维建模优势发挥到最大。无人机倾斜摄影技术目前已经成为特高压输电线路路径设计的主要建模工具, 充分保证测量数据的精准, 帮助测量工作顺利展开。本文首先对倾斜摄影技术的发展现状进行概述, 然后分析无人机与倾斜摄影技术结合的优势, 重点探究其在特高压输电线路路径优化中的作用, 以期今后在我国电路路径优化中的应用提供有价值的参考。
关键词：无人机,倾斜摄影技术,特高压输电,线路优化
参考文献
[1]郭耀煌.分析无人机摄影测量技术在输电线路工程中的应用[J].地球, 2015 (5) :126, 373.
[2]夏诚.浅析无人直升机在特高压输电线路应用中的安全风险[J].中国高新技术企业, 2015 (23) :44~45.
[3]杨成顺, 杨忠, 葛乐, 等.基于多旋翼无人机的输电线路智能巡检系统[J].济南大学学报 (自然科学版) , 2013, 27 (4) :358~362.
[4]董选昌, 曲烽瑞, 张记权, 等.基于倾斜摄影对输电架空线走廊三维重建关键设计[J].中国高新技术企业, 2016 (12) :13~14.