分析电网规划及对未来规划的展望
【摘要】:本文首先对城市电网规划的目的、内容和意义及其特点、困难性和所面临的新形势作了简要的分析和介绍。然后讨论了城市电网规划的认知性质,并介绍了各种新技术在规划工作中的应用。最后对未来的规划工作进行了展望。
【关键词】:城市电网;规划;复杂性;新技术
0前言
随着国民经济的飞速发展,全社会对电力需求不断的增长。电力工业已成为我国经济发展的“瓶颈”产业。许多地区电网薄弱,影响了电能的合理分配,加剧了电力紧张的局面。城市配电网络是电力系统的重要组成部分,是电力系统的主要负荷中心,同时又是城市现代化建设的重要基础设施之一。对城市电网进行科学的规划,以保证电网改造的合理性和电网运行的安全性和经济性,保证供电质量,是当前供电部门的一项重要任务。
城市电网规划工作是一项复杂的系统工程,它不仅需要占有大量有关城网发展的历史数据,还需对现状网进行深入的分析,同时,也要对城市的未来发展情况有比较全面的了解。完全依靠规划工作者的经验规划未来的电力系统,已经远远不能满足现代电力系统的要求。以计算机作为工具,采用新技术、新方法对城市电网进行优化规划已在电力系统界达成了共识。
1城市电网规划工作简介
1.1规划工作的目的、内容和意义
城市电网规划就是采用科学的方法确定规划区何时何地新建或改建何种电力设施,使得未来的电网能够满足:(1)负荷的发展和各种电网技术要求,安全可靠地为电力用户提供客户所需质量的电能;(2)能够满足城市规划的要求;(3)能够满足环保、美观等其他公众要求。在满足以上约束的基础上为电力企业追求最大的经济效益和社会效益。
城市电网规划工作涉及的主要内容有:(1)规划区内电量、负荷、负荷分布和负荷曲线预测;(2)分区分片确定规划区内目标年及中间年的配电所或配电变压器位置、容量及供电范围;(3)确定规划区高压变、配电所目标年及中间年的站址及容量,计算各变电站的供电范围;(4)进行现状年中压配电网的分析,规划目标年及中间年的中压配电网:(5)进行现状年高压供(配)电网的分析,规划目标年及中间年的高压供(配)电网;(6)完成目标年及中间年的无功电源优化规划;(7)其他方面问题的规划。
城市电网规划工作的意义是:(1)通过对配电网络的优化规划,可以降低系统的网络损耗,改进未来电网的运行效益;(2)科学合理地确定变电站的容量、位置及供电范围,有利于系统的运行管理,减少系统跨区域交叉供电,有助于提高系统管理和运行效率;(3)配电网络结构的优化规划,可以大大提高系统的供电可靠性;(4)配电系统的优化规划是提高系统投资效益的最有效途径;(5)配电网结构的合理性直接影响配电自动化设施的投资效益,配电系统规划是配电自动化实施的基础。
1.2规划工作的特点及其困难性
城市电网规划问题是一个十分复杂的问题,由于其本身的特点在求解中存在以下几方面困难:第一,多目标性。一个电网规划不仅要求投资省,还要求可靠性高、设施占地面积小、环境污染小等,这样就存在一个如何综合衡量多目标的优劣问题。第二,多阶段性。在规划中为了避免短视行为和盲目性,应从长远角度来整体综合考虑电网布局。第三,非线性。线路投资费用和可靠性等指标均是非线性的。第四,不确定性。未来的负荷、发电量以及线路的投资等都受到各种因素的影响和制约,难以用确定值来处理。可见,城网规划是一个较难解决的优化问题,是一个典型的NP难问题。
从城市电网规划的特点来看,规划工作有一定的难度,在实际规划工作中体现在以下几个方面:(1)大量数据的不确定性:如城市发展、负荷增长、电网建设方案等受各种因素制约,包括人为干预。(2)数据量大:如负荷相关的数据、中压配电网现状数据、高压电网数据等。(3)规划方案的优劣评价标准不统一,与电网的发展历史、规划及运行人员的偏爱等不好量化的因素相关。(4)规划工作需要多部门协调,只有在领导重视的情况下才能完成。(5)规模庞大,限制了所能采用的规划方法,适用于小规模优化问题的许多很优秀的数学方法在这里不能用。其中,城网规划工作中的不确定因素是使规划工作体现出困难性的首要问题所在,不确定因素有以下几方面,如表1所示:
表l城市电网规划中的不确定性因素
1.3规划工作面临的新形势
随着国民经济的飞速发展,城市电网规划工作面临着新形势。首先,外部环境的变化,即与城市规划的配合成为目前城网规划中必须考虑的一个重要因素。其次,电力企业更加注重经济效益和投资回报,开始把电网规划工作提到了非常高的地位。上述两方面的变化,既为城市电网规划工作创造了有利条件,又使之成为一个迫切任务。因此,结合国情系统深入地研究满足实际要求的城市电网规划理论,开发研制高效、方便、实用的具有智能决策功能的城网规划计算机辅助决策系统,既是我国城市电网建设当前的迫切需要,也是今后长期发展的必要科学手段。
2城市电网规划的认知性质与方法
现今国内外已开发出一些城市电网规划软件,并已成功地应用于许多实际系统的规划工作之中,但在实践中,常有如下问题:(1)所得结果是否是最优方案;(2)可否离开规划人员的干预,单纯地由数学与计算机方法完成规划任务;(3)如何保障规划人员干预的正确性和有效性等。
正视与回答上述问题是至关重要的。为此,提出了以认知系统工程的理论和方法指导城市电网规划和城市电网规划决策支持系统开发与使用的思想。着重指出在认知系统工程中特别强调规划过程中人的主导作用,以及应重点解决的问题。下面简要介绍一下认知系统工程的原理及其在城市电网规划中的应用。
2.1认知科学和认知系统工程
认知科学(CognitiveScience)上世纪70年代末正式宣告诞生,是处于哲学、心理学、语言学、人工智能、人类学、神经科学的交叉领域的新兴学科。认知科学的目标是揭示智能和认知行为的原理,其关键方面就是要探索对认知的理解,不论这种认知是现实的或是抽象的,是人的或是机器的。认知系统工程从工程技术、心理学、认知科学、信息科学以及计算机科学等领域中提取模型概念,为系统分析、规划与设计构成一个广泛、动态的结构框架。它重视人决策的主导作用,并不是要回到“拍脑瓜”决策的时代,因为定量的数学分析作用也是非常重要的,它在优化设计、获取数值参数并找到问题的理论值域方面的作用也是人所不可取代的。依据认知系统工程,为了在城市电网规划中发挥好人的作用,应研究人的信息获取与传递问题以及人与算法、人与人之间的协调问题。
2.2规划过程模型与规划方案的适应性
2.2.1规划过程模型
认知系统工程认为,规划是在两种模糊不清的事物之间寻求一致。所以规划任务始于由代表关于规划问题的不同观点的一组成员的相互探讨,规划是要获得不同的人们承担共同的观点,对重要事项取得一致,并明确下一步必须做什么。因而规划的过程不是一个简单的从头到尾的顺序或螺旋过程,而是各部门、各领域具有不同观点的专家或专家意见的载体(如市政用地规划报告、城市发展状况报告等)对规划交互参与,不断提出意见,互相制约、互相妥协并根据发展的实际情况从各个角度对方案进行反复修正的过程。
显然,这样的一个过程不是仅靠数学算法能实现的,它必须依靠人的不断参与才能实现。规划的过程之所以这样,主要是由于以下两个原因造成的:(1)实际的城市电网规划问题面临着众多不确定因素;(2)城市电网规划涉及众多的部门和专业领域。
上述两个因素导致了规划过程难以程式化和逻辑化。实际上,对于现实中的规划没有必要、也不可能为其规定一个统一、有次序、精确的行动模式。一个有经验的设计与规划工程师在设计或规划的各个层次上都有许多预先形成的想法和解答。他们发挥自己的经验,把设计或规划的过程处理成对类似问题先前解答进行适当的修正,称之为再设计或再规划。设计或规划专家的创造性阶段大大地依赖于直观和经验。因为可以参加比较的方案数目庞大,使设计或规划者不可能逐一地进行比较。这时需要灵感,而灵感的基础是丰富的知识与经验。
由上述讨论可得如下两条重要结论:(1)设计或规划本身是可变的和机会主义的,其解答大大依赖于不可预测的因素;(2)有经验的设计者或规划者倾向于采取直观的和决策识别模式,即设计者或规划者事先已有一些预想方案,只需利用决策支持系统检验,或进行技术经济分析与比较。但在可接受的解答空间上、可选择的方案往往仍很多,或计算、分析与绘图的工作量仍很大,仍然需要利用计算机辅助决策支持系统。
2.2.2强适应性规划的实现
规划的适应性意指两个方面:(1)要适应多部门、多方面利益的要求。其实现方式主要是通过前述的由人参与的多方交流、反馈与妥协的规划过程。(2)要适应未来城市负荷的发展。城市电网中、长期规划,尤其是长期规划,其最优方案的判别原则不应仅以一种既定条件下的经济性和供电质量为主要目标,而应更重视规划方案对未来可能出现的变化的适应性。也就是说,这种规划方案不是针对将来的某个特定状态或从现在到将来的某个特定过程做规划,而是针对将来可能出现的所有状态或所有过程提出一套规划解决方案。
上述规划思想实际上意味着它的解决方案隐含了对将来所有可能出现的过程或状态的解决方案。此时的最优规划的策略应是:(1)采用鲁棒性强的数学模型与算法(例如模糊规划);(2)基于“知错即改”机制的规划或称之为再规划或滚动规划。只要在规划实际执行期间发现现实与规划原来的目标间(或新的预测和原来的预测间)的差异大于允许值,就应进行规划的修正。
2.3人在规划中的作用与决策环境的认知适应性
2.3.1人在规划中的作用
规划中人的地位和作用是无法被取代的,人在规划中的重要作用体现在三方面:(1)任何规划归根到底都是人的意志的反映,完全“技术中立”的规划往往是不现实的,人是真正的决策者;(2)规划过程的特点以及强适应性规划都涉及很多非技术因素或无法程式化的因素,对于这些问题现在的计算机和人工智能技术都是无能为力的;(3)对于城市电网规划这样的大规模非线性混合整型的NP难问题,没有有效的纯数学方法能在有限的时间里给出最优解,即使是采用遗传算法或模拟退火算法这样能避免“维数灾难”的算法,其计算量对于工程实践来说往往也是很大的。因此,在目前计算机还远未能达到人的智能水平的前提下,利用人的高级智能来减小这类问题的计算量仍然是必要的。
人在规划中实现上述作用是以下面独特的智能优势为基础的:(1)形象思维;(2)直觉思维;(3)有感性经验:(4)具有常识知识;(5)想象力;(6)创造力:(7)能灵活地适应变化的环境;(8)能理解问题的社会价值和情感的因素;(9)思维具有多维性和整体性的特点。然而,人也具有下面所述的缺点,它们阻碍了人的智能优势的发挥:(1)人通常没有足够时间或不能进行复杂、冗长的逻辑推理和数字计算过程;(2)人的思维过程通常是低速的;(3)人容易疲劳;(4)人在一定时间内只能处理非常有限数量的信息;(5)人的记忆通常是不可靠的,并且所记忆信息如果不用或未被加强将很快衰减;(6)人不能在时间与空间上做出精确计算,在时间上,倾向于低估或高估事件的速度,在空间上,人对距离仅有粗略的概念:(7)人没有稳定的输入、输出关系,其认识具有自适应性。因此,人的作用因人而异,因情而异,缺乏客观标准,具有主观随意性。
如何使规划决策支持系统尽量克服人的智能方面的劣势,充分发挥其优势,就是在实际工程领域中应用认知系统工程学的目的。显然,计算机及其相关技术在解决问题的能力方面与人类有很强的互补性。我们可以利用认知系统工程方法协调他们之间的这种互补性,获得更强的处理问题能力。
2.3.2决策环境的认知适应性
要把规划人员的智能融入到规划过程中,充分发挥其智能优势,就必须根据人类感觉器官的生理特点和思维方式为其建立相适应的决策环境,减少其认知阻力。这就是决策环境的认知适应性问题。其根本就是人的信息获取与传递方式问题,因为信息交流是人认识问题、处理问题的基础。我们认为在一个具有强认知适应性的决策环境中,信息不应是被动地等待规划人员去发现,而应以尽可能便捷、直观的方式“推送”到规划人员面前。具体应从以下几方面着手:(1)要特别重视数据信息的收集、组织、检索与再开发,也就是说要建立一个功能完善的数据库管理系统;(2)利用图形和多媒体技术将数字信息生动化、形象化,目前正越来越多地被各行各业人们所采用的地理信息系统(GIS)就是一个很好的实例;(3)建立提示和帮助系统;(4)规划软件的各个功能应模块化,具有独立应用的特性;(5)规划的系统软件设计应向分布式认知决策方式发展。
采用上述各种方法的目的是使整个规划决策环境能够减少规划人员的认知阻力,使规划人员能够专注于问题的实质.并引导其发挥创造性思维,产生科学决策。
3新技术在城市电网规划中的应用
3.1计算机技术的应用
城市电网规划的科学性和规范性要求规划人员不但要掌握本部门历史和现状的负荷及负荷分布情况,而且还要收集大量的有关城市过去、现在和将来发展的各个领域的用户数据(占地、负荷、人口、交通情况等等),对这些数据的有效分析和整理以及规划派生数据的管理,仅仅依靠传统的规划方法将会造成大量的时间和人力资源的浪费,而且传统的主要依靠专家经验的城网规划方法已经不能满足城市现代化建设的要求。为此,发展科学的城市电网计算机辅助规划系统在电力
规划部门变得十分迫切。
3.2地理信息系统(GIS)的应用
作为国民经济支柱的电力企业中,传统的配电管理方式已经很难满足配电网的建设和安全经济运行要求,必须采用新的管理方式充分合理地利用有限的电力资源。在电力系统中,输电网络、配电网络、变电站及设备、用户及负荷等资源均是按照地理位置分布的,对于这些数据信息的管理及使用应该结合地理环境、采用地理空间数据结构来存储,引入地理信息系统能够为配电网络规划提供强有力的数据管理功能。
4未来规划工作的展望
从前面的分析来看,城市电网规划未来的研究方向和可能的处理方法与手段将集中在以下几个主要方面:
(1)以认知系统工程的理论和方法来指导城市电网规划的进行和城市电网规划决策支持系统开发与使用。
(2)日前对电网规划中的不确定性因素考虑不够全面,对于经济、环境和政策等方面不确定性因素的处理将是今后的研究方向。
(3)未来的电网规划工作不能仅仅考虑单一目标,必须考虑全局和整体的最优,应该向多目标规划发展,使规划结果在社会和经济等方面达到满意。
(4)在未来的规划研究中,应及时吸收和利用各种先进的数学方法和理论以及各种新技术。
5结论
城市电网规划是一个具有多目标性、不确定性、非线性和多阶段性等特点的复杂系统优化问题,属于NP难问题。完全依靠规划工作者的经验规划未来的电力系统,已经远远不能满足现代电力系统的要求。以计算机作为工具,采用新技术、新方法对城市电网进行优化规划己在电力系统界达成了共识。
本文对规划的过程从认知系统工程的角度进行了再认识,指出这是一个交互参与和反复修正、不能完全事先确定并且不可能实现技术中立的过程。通过总结人在智能上的优势和劣势,指出了人在规划中的作用主要体现在:处理非技术因素和不确定因素造成的问题以及降低数学算法的计算复杂性。通过对未来规划工作的展望,本文认为未来的城市电网规划工作应该是一个包含诸多因素、并不断吸收和利用各种新技术的灵活的电网规划。
