一种基于3s技术的智能输电网络布设模型构建方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：1）利用3S技术得到地区人口街巷分布图；2）进行模糊C均值聚类FCM及分析；3）根据步骤1）得到的地区人口街巷分布图，首先按照密度大小进行圆形密铺设置，然后转换为正六边形密铺设置；在圆形密铺设置和正六边形密铺设置中，半径和边长的大小由该区域人口密度等级确定；4）利用Dijsktra最短路径算法进行铺设；利用3S系统提供的地图信息，考虑到地形、地表建筑分布及地下地质状况，利用Dijkstra算法选择指定变电站之间位置的最短路径；5）采用叶脉形状分布建模，根据步骤4）Dijkstra算法得到的直线铺设电网，采用叶脉形状分布建模使线路铺设的轨迹。本发明能更好地从全局进行分析，因地制宜，合理化布设电站和线路，以最低成本进行电网建设。
【专利说明】一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法。属于电力系统电网建设【技术领域】。
【背景技术】
[0002]与传统刚性、孤立的电网相比，智能电网进一步优化各级电网控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系架构，将各个部分组成有机统一的整体。从而使电网布局更加合理，同时能够可视化的监控电网实时运行状态，提高整个电网的可靠性和交互性，使运行和管理达到最优化。
[0003]随着我国特高压电网的建设和电力体制改革的不断深化，3S(GIS、GPS、RS)技术越来越多的被引入到智能电网的线路运行优化与管理的各个方面。基于GIS的输电线路管理系统:该系统充分利用GIS强大的地图管理功能和数据库功能，通过和其他数据库的结合，实现对输电线路生产过程中涉及到的检修、人员调度、工作规程和物资的调度的管理有效管理，节约了大量的人力和物力，提高了工作效率。
[0004]智能电网就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。进一步优化各级电网控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系架构，将各个部分组成邮有机统一的整体。从而使电网布局更加合理，同时能够可视化的监控电网实时运行状态，提高整个电网的可靠性和交互性，使运行和管理达到最优化。
[0005]电力系统的电网模型是电力应用分析计算的基础，传统的电网模型构建方式在对地区进行地理环境信息收集以及人口分布信息进行分析时，由于受到信息技术的局限，以及需要巨大的人力进行实地地理环境和人口分布情况进行采集分析，工作量大，难以做到准确合理设置电站和线路布置，使得施工建设周期长，工程建设成本过高。
[0006]随着城市规模的发展和扩大，配电电网分布广，3S技术越来越多的被引入到智能电网的线路运行优化与管理的各个方面。所谓3S技术即地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)和遥感(RS)技术，比如基于GIS的输电线路管理系统:该系统充分利用GIS强大的地图管理功能和数据库功能，通过和其他数据库的结合，实现对输电线路生产过程中涉及到的检修、人员调度、工作规程和物资的调度的管理有效管理，节约了大量的人力和物力，提高了工作效率。
【发明内容】
[0007]本发明的目的，是为了提供一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法，通过以基于3S技术对地区进行地理环境和人口分布数据为基础，具有因地制宜、合理化布设电站和线路、实现以最低成本进行电网建设的特点。
[0008]本发明的目的可以通过以下技术方案达到:[0009]一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法，其特征在于包括以下步骤:
[0010]I)利用3S技术得到地区人口街巷分布图；
[0011 ] 2)进行模糊C均值聚类FCM及分析；
[0012]3)根据步骤I)得到的地区人口街巷分布图，首先按照密度大小进行圆形密铺设置，然后转换为正六边形密铺设置；在圆形密铺设置和正六边形密铺设置中，半径和边长的大小由该区域人口密度等级确定；
[0013]4)利用Dijsktra最短路径算法进行铺设；
[0014]利用3S系统提供的地图信息，考虑到地形、地表建筑分布及地下地质状况，为每条路径进行加权；利用Dijkstra算法选择指定变电站之间位置的最短路径，最终确定每个点保留南北方向的边或者是其他的边；
[0015]5)采用叶脉形状分布建模，优化线路铺设走向
[0016]根据步骤4) Dijkstra算法得到的直线铺设电网，采用叶脉形状分布建模使线路铺设的轨迹，以满足经过用户密集的区域，优化线路铺设走向。
[0017]本发明的目的还可以通过以下技术方案达到:
[0018]作为一种优选方案，步骤2)所述进行模糊C均值聚类FCM及分析，是指:利用3S技术获取地区的数据，采用FCM聚类分析方法，根据对象的相似性将其分成若干不同用电量区域，属于同一类的数据应尽可能相似，属于不同类的数据应尽可能相异；通过聚类将地形图分为不同部分，每部分若干个缓冲区，这里假设每个缓冲区是一个基本用电单元，且其用电量分布均匀，缓冲区的半径大小可以自主设定。
[0019]作为一种优选方案，步骤2)所述进行模糊C均值聚类FCM及分析，具体步骤如下:
[0020]2-1)将地区人口按密度划分为若干等级指标；
[0021]2-2)设置目标函数精度ε，模糊指数m，m通常取值2，最大迭代次数mT ；
[0022]2-3)初始化模糊聚类中心iz ；
[0023]2-4)更新模糊划分矩阵和聚类中心；
[0024]2-5)若所有点都属于同一类，结束聚类；否则，返回步骤2-4)，直到所有点属于同
一类；
[0025]2-6)由所得结果得到各像素点分类结果。
[0026]作为一种优选方案，步骤4)所述利用Dijsktra最短路径算法进行铺设，具体步骤如下:
[0027]4-1)将变电站入队作为计算对象；
[0028]4-2)对相邻变电站到电站的距离损耗从低到高进行排序；
[0029]4-3)选择加权距离最长的一条线删除，如果此时在涉及到的六边形中的变电站剩余两条边与其他站相连，则将其出队；否则执行步骤4-3)；
[0030]4-4)队列中无为计算对象，结束；否则执行步骤4-2)。
[0031]作为一种优选方案，步骤I)所述利用3S技术得到地区人口街巷分布图，是指:利用3S技术提供的空间信息的特点，使用缓冲区分析工具，分析缓冲区内用户用电量；具体是基于GIS的输电线路管理系统，利用GIS强大的地图管理功能和数据库功能，通过和关联数据库的结合，实现对输电线路生产过程中涉及到的检修、人员调度、工作规程和物资的调
度的管理有效管理。[0032]作为一种优选方案，利用步骤I)得到的地区人口街巷分布图，进行几何网络建模；具体是指:由基本要素组成的一维非平面图形，并自动维护各网络要素之间的拓扑关系；所述网络的连通性以几何一致性为基础，构成几何网络。
[0033]网络有两种基本的类型:有向网络和无向网络。如道路交通网络、电网等都是有向网络。一个几何网络具有一个对应的逻辑网络。几何网络的要素几何真正构成了网络，而逻辑网络是网络连通性的物理表示。逻辑网络中的每一个要素都和几何网络中的几何要素相关联。几何网络是用来模拟现实世界的模型，在这些系统中运移方向被很好的定义了。例如，电网中的电的流动方向是从发电站到用户。
[0034]作为一种优选方案，用模糊C均值聚类区分用电量密度等级，根据3S技术提供的人口分布以及对于历史数据的分析，进行插值，然后用密铺后正六边形中心建立变电站；若得到某一区域高负荷线路比较多且集中，则进行变电站优化或者新增发电场，反之则删除该变电站；利用3S技术进行可视化的分层设色，显示输电网络的功率需求，正如道路流量分析一样。
[0035]作为一种优选方案，步骤3)所述按照密度大小进行圆形密铺设置，是指:按照区域用电量等级进行圆形密铺，用圆形密铺以模拟变电站服务范围，每个缓冲区覆盖的范围即是变电站的服务范围，缓冲区的形状为正六边形。
[0036]考虑到不同等级区域人口密度不同，并且考虑到实际中一个变电站的服务能力，我们确定不同区域六边形在实际中的尺寸大小。
[0037]作为一种优选方案，步骤4)所述利用Dijsktra最短路径算法进行铺设，是指:用Dijsktra最短路径算法求取简化输电线路网络图，一种选择是将网络中南北方向的线路删除，仅由剩余的线路对市内进行供电；另一种选择是保留南北方向的线路，而是删除其中另外两条边之一；由Dijsktra算法确定最小代价并删除其他线路。
[0038]作为一种优选方案，步骤5)所述采用叶脉形状分布建模，优化线路铺设走向，具体是指:首先从一个变电站出发，将线路看成许多小段相接而成，每段铺设后，选择前方180度范围内居民街道分布最为密集的角度进行延伸，重复此过程以完成整段线路的铺设。
[0039]本发明具有如下突出的有益效果:
[0040]1、本发明在3S技术的支持下，应用聚类算法区分用户用电量等级、应用平面密铺初步建立电力网络，再逆用Dijsktra算法删减模型中冗余的连线，以减少工程成本，最后利用基于叶脉性状的建模对线路走向进行调整，向局部人口密度较大的方向延伸，以获取电网铺设线路最优方案。具有方案制订方便、灵活和工程成本投入低的有益效果。
[0041]2、本发明基于3S技术对地区进行环境地理和人口分布信息收集，具有全天时全天候、高精度和自动测量的优点，RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位，GIS进行相应的空间分析，以从RS和GPS提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，大大减少了实地调查收集人员的数量，降低了工作量，能更好地从全局进行分析，因地制宜，合理化布设电站和线路，实现以最低成本进行电网建设的目的。
[0042]3、本发明在3S技术的支持下，首先获取智能电网实时运行状态的可视化监控和故障等信息获取的机制；同时实现根据用户位置信息和需求，应用聚类算法区分用户用电量等级、应用平面密铺初步建立电力网络，逆用Dijsktra算法以减少开支并进行优化，最后利用基于叶脉性状的建模以获取电网铺设线路最优走向。以此建立配电网络模型以及在当前输电网络条件下的最佳输电线路布设方案，更好地确定电网铺设方案，以最小的投入换取最优的价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1是Di jsktra算法对线路优化流程图。
[0044]图2是优化后结构示意图。
[0045]图3是叶脉形状分布建模对电网进行走向调整示意图。
【具体实施方式】
[0046]以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述:
[0047]具体实施例1:
[0048]本实施例涉及一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法，其特征在于包括以下步骤:
[0049]I)利用3S技术得到地区人口街巷分布图；
[0050]2 )进行模糊C均值聚类FCM及分析；
[0051]3)根据步骤I)得到的地区人口街巷分布图，首先按照密度大小进行圆形密铺设置，然后转换为正六边形密铺设置；在圆形密铺设置和正六边形密铺设置中，半径和边长的大小由该区域人口密度等级确定；
[0052]4)利用Dijsktra最短路径算法进行铺设；
[0053]利用3S系统提供的地图信息，考虑到地形、地表建筑分布及地下地质状况，为每条路径进行加权；利用Dijkstra算法选择指定变电站之间位置的最短路径，最终确定每个点保留南北方向的边或者是其他的边；
[0054]5)采用叶脉形状分布建模，优化线路铺设走向
[0055]根据步骤4) Dijkstra算法得到的直线铺设电网，采用叶脉形状分布建模使线路铺设的轨迹，以满足经过用户密集的区域，优化线路铺设走向。
[0056]本实施例中:
[0057]本实施例包括以下步骤:
[0058]第一步，该实施例以中国某市为例。某市有18个区县，共111个乡镇，99个街道办事处，3661个居民委员会和1704个村民委员会，户籍人口 1400.7万人，常住人口 1921.32万人，土地面积为6340.5平方公里，按照常住人口计算的人口密度为每平方公里3030人。某市经济总量长期位于中国各城市第一位，工商业和服务业发达，用电量大，然而区域电网仍然存在不够优化、管理相对滞后的问题。将街巷分布等效为人口分布，从而推断对电能的需求量。分布越密集，人口分布越集中，用电量需求也就越大。
[0059]第二步，首先设定聚类数目，算法中止阈值等参数，然后在人口街巷密度分布图上初始化各聚类中心，用当前聚类中心计算隶属函数，再根据隶属函数将图像中其他点纳入该区域，以更新各聚类中心。当图像全部纳入类别中时，算法中止。
[0060]根据聚类中心附近黑色像素部分的比例来决定该区域等级，然后将周围区域纳入该等级的区域中。
[0061]参照图2和图3，每个变电站的服务区域应近似为圆形，由于正六边形每个内角都是120度，在每个拼接点处恰好能容纳3个内角，为了便于分析，我们将圆形密铺问题简化为正六边形密铺来分析，在正六边形中心设置变电站，以使之最高效率覆盖所有用户；由于不同等级区域人口密度不同，变电站的供电范围大小不同，因此，定义各区域正六边形边长的大小如下:
[0062]表3-1人口密度区域等级划分指标
[0063]
【权利要求】
1.一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法，其特征在于包括以下步骤: 1)利用3S技术得到地区人口街巷分布图； 2)进行模糊C均值聚类FCM及分析； 3)根据步骤I)得到的地区人口街巷分布图，首先按照密度大小进行圆形密铺设置，然后转换为正六边形密铺设置；在圆形密铺设置和正六边形密铺设置中，半径和边长的大小由该区域人口密度等级确定； 4)利用Dijsktra最短路径算法进行铺设； 利用3S系统提供的地图信息，考虑到地形、地表建筑分布及地下地质状况，为每条路径进行加权；利用Dijkstra算法选择指定变电站之间位置的最短路径，最终确定每个点保留南北方向的边或者是其他的边； 5)采用叶脉形状分布建模，优化线路铺设走向 根据步骤4) Dijkstra算法得到的直线铺设电网，采用叶脉形状分布建模使线路铺设的轨迹，以满足经过用户密集的区域，优化线路铺设走向。
2.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:步骤2)所述进行模糊C均值聚类FCM及分析，是指:利用3S技术获取地区的数据，采用FCM聚类分析方法，根据对象的相似性将其分成若干不同用电量区域，属于同一类的数据应尽可能相似，属于不同类的数据应尽可能相异；通过聚类将地形图分为不同部分，每部分若干个缓冲区，这里假设每个缓冲区是一个基本用电单元，且其用电量分布均匀，缓冲区的半径大小可以自主设定。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:步骤2)所述进行模糊C`均值聚类FCM及分析，具体步骤如下: 2-1)将地区人口按密度划分为若干等级指标； 2-2)设置目标函数精度ε，模糊指数m，m通常取值2，最大迭代次数mT ; 2-3)初始化模糊聚类中心iz ； 2-4)更新模糊划分矩阵和聚类中心； 2-5)若所有点都属于同一类，结束聚类；否则，返回步骤2-4)，直到所有点属于同一类； 2-6)由所得结果得到各像素点分类结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:步骤4)所述利用Dijsktra最短路径算法进行铺设，具体步骤如下: 4-1)将变电站入队作为计算对象； 4-2)对相邻变电站到电站的距离损耗从低到高进行排序； 4-3)选择加权距离最长的一条线删除，如果此时在涉及到的六边形中的变电站剩余两条边与其他站相连，则将其出队；否则执行步骤4-3)； 4-4)队列中无为计算对象，结束；否则执行步骤4-2)。
5.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:步骤I)所述利用3S技术得到地区人口街巷分布图，是指:利用3S技术提供的空间信息的特点，使用缓冲区分析工具，分析缓冲区内用户用电量；具体是基于GIS的输电线路管理系统，利用GIS强大的地图管理功能和数据库功能，通过和关联数据库的结合，实现对输电线路生产过程中涉及到的检修、人员调度、工作规程和物资的调度的管理有效管理。
6.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:利用步骤I)得到的地区人口街巷分布图，进行几何网络建模；具体是指:由基本要素组成的一维非平面图形，并自动维护各网络要素之间的拓扑关系；所述网络的连通性以几何一致性为基础，构成几何网络。
7.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:用模糊C均值聚类区分用电量密度等级，根据3S技术提供的人口分布以及对于历史数据的分析，进行插值，然后用密铺后正六边形中心建立变电站；若得到某一区域高负荷线路比较多且集中，则进行变电站优化或者新增发电场，反之则删除该变电站；利用3S技术进行可视化的分层设色，显示输电网络的功率需求，正如道路流量分析一样。
8.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:步骤3)所述按照密度大小进行圆形密铺设置，是指:按照区域用电量等级进行圆形密铺，用圆形密铺以模拟变电站服务范围，每个缓冲区覆盖的范围即是变电站的服务范围，缓冲区的形状为正六边形。
9.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:步骤4)所述利用Dijsktra最短路径算法进行铺设，是指:用Di jsktra最短路径算法求取简化输电线路网络图，一种选择是将网络中南北方向的线路删除，仅由剩余的线路对市内进行供电；另一种选择是保留南北方向的线路，而是删除其中另外两条边之一；由Dijsktra算法确定最小代价并删除其他线路。
10.根据权利要求1所述的一种基于3S技术的智能输电网络布设模型构建方法,其特征在于:步骤5)所述采用叶脉形状分布建模，优化线路铺设走向，具体是指:首先从一个变电站出发，将线路看成许多小段相接而成，每段铺设后，选择前方180度范围内居民街道分布最为密集的角度进行延`伸，重复此过程以完成整段线路的铺设。
【文档编号】G06F17/50GK103870631SQ201410052419
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月15日 优先权日:2014年2月15日
【发明者】吴丹, 陈志坚, 解文艳, 吉小恒, 刘政哲, 盛斌 申请人:中国能源建设集团广东省电力设计研究院