一种基于国土空间要素数据的电力空间规划设计方法与流程

1.本发明属于电力空间规划技术领域，尤其是涉及一种基于国土空间要素数据的电力空间规划设计方法。


背景技术：

2.在现有技术中，电力空间规划主要通过人为按照相关技术标准和法规，分析变电站和电力线路与国土空间规划相关数据如：城镇规划、基本农田、生态红线、现状电力走廊、河道水系、生态环境、现状建构筑物、现状地下管线、历史文化遗产等各类要素之间的关系，在满足空间规划、土地利用、生态保护、环境影响、公共安全等相关要求的前提下，综合比选最终定规划站址和规划线路方案。
3.现有技术需要人为对比站址和线路与各类影响要素之间的关系，按照相关技术标准和法规判断是否符合空间规划、土地利用、生态保护、环境影响、公共安全等相关要求。存在工作量大且人为判断数十种国土空间要素叠加的情况，容易存在考虑不全面，工作时间较长，工作效率不高，得出的廊道不是最优方案的情况。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于国土空间要素数据的电力空间规划设计方法。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于国土空间要素数据的电力空间规划设计方法，包括如下步骤：（1）基于国土空间要素构建基础分析底图数据库，生成权重栅格底图；（2）基于权重栅格底图以及选址算法进行变电站选址规划；（3）基于变电站选址规划以及权重栅格底图进行线路与走廊规划；（4）基于路径失真算法优化线路，形成最终规划走廊。
6.进一步的，所述步骤（1）具体包括如下步骤：（101）构建基础分析底图数据库，包括必选要素数据库以及可选要素数据库；（102）从所述基础分析底图数据库提取影响因子要素，将影响因子要素分为用地因素类别、工程因素类别、以及规划因素类别；（103）对不同影响因子要素赋予权重并归一化处理；（104）通过计算得出基础权重栅格底图。
7.进一步的，所述步骤（103）中具体包括：依据不同影响因子要素的重要程度，通过德尔菲调查法以及电力规划和变电站设计的相关标准中对防护距离、建设要求加以设定，确定不同影响因子要素对电力空间规划的权重，形成对应各种必选和可选要素的权重；其中所述的电力规划和变电站设计的相关标准例如《城市电力规划规范》gb/t 50293 2014、《220kv~750kv变电站设计技术规程》dl/t5218-2012、35kv~220kv无人值守变电站设计技术规程》dl／t 5103-2012等等；
利用层次分析法对不同因素类型的重要性进行系统评价；基于要素权重和因素类型重要性评价打分结果构造相对比较判断矩阵p，n是指影响因子要素的数量，i表示行，j表示列,a
ij
是指第i项影响因子要素相对于第j项影响因子要素权重的相对重要性，其中a
ij
》0且a
ij
×aji
=1，构建n
×
n的相对比较判断矩阵表示不同影响因子要素之间重要性的重要性对比结果，相对比较判断矩阵的基本形式为：通过采用德尔菲调查法，根据相对比较判断矩阵两两对矩阵要素的重要性进行对比打分，对廊道建设重要性进行评价。
8.进一步的，还包括对相对比较判断矩阵进行一致性检验，定义ci为一致性指标，λmax 是判断矩阵p的唯一最大特征值，其中，ci=(λmax
–
n)/(n-1)，构建平均随机一致性指标ri，一致性比例cr=ci/ri，当cr《0.1的时候，矩阵满足一致性检验，接受权重；若cr》0.1,则对相对比较判断矩阵进行修正。
9.进一步的，所述步骤（2）具体包括如下步骤：（201）选取变电站选址目标范围；（202）设置变电站规模尺寸；（203）在权重栅格底图上利用选取的变电站对应的尺寸并根据选址算法得出符合建设变电站的区域，用于辅助选址。
10.进一步的，所述选址算法包括生态优先算法、经济性优先算法、平衡算法以及自定义权重算法。
11.进一步的，所述步骤（3）包括输入起止点以及廊道等级，通过算法判断廊道是否并线，在权重栅格底图上选取符合条件的电力廊道。
12.进一步的，所述步骤（3）具体包括如下步骤：（301）通过读取变电站选址规划方案获取变电站名称、等级和中心点坐标；（302）输入规划电力网架，获取线路名称、起点变电站名称、终点变电站名称和线路等级；（303）将起点、终点和线路等级完全一样的规划线路判定为同塔架设，合并为同一线路；（304）将线路列表按照电压等级排序，其中：u1》u2》u3》u
４
》
…
》un；（305）在权重栅格底图基础上，按照u1电压等级走廊控制宽度定义栅格分辨率，将权重底图栅格化；（306）利用成本路径方法在u1电压等级分辨率下的权重栅格底图上计算全部u1等级线路的最优成本路径，并按照线路长度从长到短进行排序；（307）按照长度顺序对u1电压等级路径逐一进行优化，做起始变电站到终点变电站之间线路按照成本路径方法生成的初步线型的缓冲区pl
始终
；
（308）筛选落在pl
始终
缓冲区范围内的u1电压等级其他线路，经其他线路与缓冲区的两个交点向pl
始终
路径作垂线；（309）以两垂足作为起止点，按照缓冲区内两条线路走廊宽度之和定义栅格分辨率，将权重底图重新栅格化，并利用成本路径法优化路径，将优化段线路信息计入表格；（310）对u1电压等级下一长度线路进行优化，对成本路径线路做缓冲区，循环步骤308-309，直至u1电压等级全部线路优化结束；（311）按照优化后线路修改权重底图，将u1电压等级线路走廊占用图斑权重赋最高等级值，不可占用；并在走廊两侧生成u2电压等级走廊宽度的缓冲区，对缓冲区占用图斑权重赋最低等级值；（312）在上步生成权重底图基础上，利用成本路径方法在u2电压等级分辨率下的权重栅格底图上计算全部u2等级线路的最优成本路径，并按照线路长度从长到短进行排序；（313）重复步骤307-311，直至u2电压等级全部线路优化结束；（314）循环步骤305-311，直至所有电压等级全部线路优化结束。
13.进一步的，所述步骤（4）包括提取线路上所有折点，通过路径失真算法纠正栅格算法带来的线路失真，生成最终电力走廊。
14.进一步的，所述步骤（4）具体包括如下步骤：（401）提取优化后全部线路，通过路径失真算法优化方案的线型；（402）计算走廊宽度，走廊宽度为各并行线路电压等级对应走廊宽度之和；（403）以优化后线路中心线，按走廊宽度生成线路缓冲区作为最终规划走廊。
15.相对于现有技术，本发明所述的一种基于国土空间要素数据的电力空间规划设计方法具有以下优势：（1）本发明基于国土空间规划体系，将第三次国土调查、数字高程、城镇开发边界、基本农田、生态红线及电力专项规划等国土空间多元矢量数据整理字段、属性，整合用于电力设施与走廊规划，将坡度、高程、城镇开发边界、生态红线、永久基本农田、交通干线、河道水系、村庄、现状变电站和现状电力线路等各类影响要素统筹考虑，提取影响因子要素，对不同影响因素和类别赋予权重，对不同因素分类重要性进行评价，生成权重栅格底图，作为变电站布局和电力线路与走廊智能规划的基础，避免人为规划主观判断导致考虑不周；（2）本发明根据土地利用政策、规划管理文件、相关规范标准、供电公司要求等情况，因地制宜选择适宜的权重算法，自动选出适合建设变电站的区域，形成辅助规划人员决策的变电站布局规划方案；（3）本发明在权重栅格底图基础上对规划电力线路进行成本路径分析选线，同时提出并线优化算法和路径失真纠正算法对选线方案进行逐一优化，确定走廊规划中心线和走廊宽度，形成辅助规划人员决策的走廊控制规划方案，提高规划方案科学合理性。
附图说明
16.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的生成权重栅格底图示意图；图3为本发明对权重栅格底图进行重采样示意图；图4为本发明的优化路径示意图；图5为本发明的基于栅格的锯齿路径示意图；图6为本发明的通过路径失真算法优化方案的示意图。
具体实施方式
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
21.如图1所示，本发明提供一种基于国土空间要素数据的电力空间规划设计方法，包括如下步骤：步骤s01：构建基础分析底图数据库。
22.构建必选要素数据库：提取第三次国土调查、数字高程、城镇开发边界、基本农田、生态红线及电力专项规划中提取现状用地、自然保护地、基本农田保护区、现状变电站和电力线路等相关图斑要素和属性，形成必选要素数据库。必选数据库要素类型及提取图层一览表如表一所示。
23.表一
构建可选要素数据库:可选要素例如地理国情普查、交通专项规划、水系专项规划等由于精度及专业度优于必选数据库，可以在某种程度上提高对选线底图的精度。同时比如将行政区划要素作为可选要素，可以将选线区域设置在某个区域内，避免行政区划交叉带来的后期建设问题。可选数据库要素类型及提取图层一览表如表二所示。
24.表二步骤s02：从所述基础分析底图数据库提取影响因子要素。
25.根据研究和相关电力规范，筛选电力空间规划影响因子，确定规划编制过程中应综合考虑居住用地、工矿用地、城镇开发边界、交通廊道、现状设施、生态红线、基本农田、未利用地、自然或野生动物保护区、水体、林地、耕地、草地、交通通达度、交叉跨越、坡度、地质、转角、距离等多种因子。这些因子种类繁多，来源各异，既有定量的，也有定性的，对规划方案起着各自不同的作用。根据这些因子的特点，将它们分为三类，即用地因素类别、工程因素类别、规划因素类别。电力空间规划影响因素分类如表三所示。
26.表三
电力空间规划影响必选因素图斑要素提取筛选条件一览表如表四所示。
27.表四
电力空间规划影响可选因素图斑要素提取筛选条件一览表如表五所示。
28.表五注：以上数据库以及字段为选取的典型数据库，具体应用时可依据规划情况进行灵活选取
步骤s03：对不同影响因素和因素类别赋予权重。
29.依据不同影响因子要素的重要程度，通过德尔菲调查法以及电力规划和变电站设计的相关标准中对防护距离、建设要求加以设定，确定不同影响因子要素对电力空间规划的权重评分wn，形成对应各种必选和可选要素的权重，依据重要性以及可建设性等级依次赋予9至1的权重分组值gn。建设难度权重评分一览表如表六所示。
30.表六典型建设因素图斑建设难度权重划分一览表如表七所示。
31.表七
步骤s04：对不同因素分类重要性进行评价利用层次分析法（the analytic hierarchy process，简称ahp）对不同因素类型的重要性进行系统评价，形成判断矩阵因素分类重要性评价打分一览表，以1-9进行标度，以便使不同重要等级的因素互相进行比较。判断矩阵因素分类重要性评价打分一览表如表八所示。
32.表八基于要素权重和因素类型重要性评价打分结果构造成相对比较判断矩阵p，n是指影响因子要素的数量，i表示行，j表示列,a
ij
是指第i项影响因子要素相对于第j项影响因子要素权重的相对重要性，其中a
ij
》0且a
ij
×aji
=1。构建n
×
n的相对比较判断矩阵表示不同影响因子要素之间重要性的重要性对比结果，相对比较判断矩阵的基本形式为：
通过采用德尔菲调查法，邀请相关领域专家根据相对比较判断矩阵两两对矩阵要素的重要性进行对比打分，对廊道建设重要性进行评价。
33.一致性检验：防止相对比较判断矩阵的一致性问题，引入一致性检验。定义了ci为一致性指标，λmax 是判断矩阵p的唯一最大特征值。ci=(λmax
–
n)/(n-1)。也就是说一致性指标ci越大，整个矩阵就越不一致。再构建了平均随机一致性指标ri，ri可以通过查寻thomas l. saaty的平均一致性指标数值表取得，也就是说当矩阵的阶数为n的时候随机的平均一致性。一致性比例cr=ci/ri，当cr《0.1的时候，我们认为这个矩阵满足一致性检验，权重可以接受；若cr》0.1,则需要对相对比较判断矩阵进行修正。平均一致性指标ri（randomindex）数值表如表九所示。
34.表九求解特征方程pw=λ
max
w从而得出各个影响因素的权重。w是对应于λ
max
的正规化特征向量，w的分量即是相应元素排序的权重值。根据公式：式中，p
ij
为为i个影响因素与j个影响因素类型重要性所构成的判断矩阵；wj为归一化后的权向量；n 为矩阵的阶数。
35.步骤s05：生成权重栅格底图。如图2所示。
36.对不同的要素图层添加建设难度评分字段，并根据建设难度权重评分一览表对建设难度评分进行赋值转换成1m分辨率的栅格地图，并用栅格计算器对栅格的建设难度评分与因素类型的重要性系统评价确定的权重系数进行乘法计算，并对不同的图层进行加法计算得到权重栅格底图，为下一步的智能规划的基础数据。
37.步骤s06：变电站布局规划。
38.设置变电站选址目标范围，可以根据当地土地利用政策、规划管理文件、供电公司要求等情况，因地制宜选择选址算法，包括生态优先算法、经济性优先算法、平衡算法以及自定义权重算法等。
39.生态优先算法：定义尽量少占用或者不占用生态用地的选址条件，根据步骤s03中规定的用地因素、规划因素以及工程因素尽量少占用高海拔难以生态恢复的地区以及现状及规划的生态保护区、公益林等区域的选址算法。
40.经济优先算法：以少占用或尽量不占用需要征地补偿的林地、农用地以及现状建成区等区域的选址算法。
41.平衡算法：在无法避开需要拆迁补偿或者占用生态用地的情况下，选择优先占用生态类型用地或者优先占用耕地或者林地以及现状建成区的补偿较低的区域的选址算法。
42.自定义权重算法：人为判断选址区域的情况，根据经验对选址标准进行人为自定义，如选址在高程小于等于某个数值以下且选址区域只占用现状草地区域的选址算法。
43.根据当地供电公司要求和电力相关规范标准，从列表中选择变电站的规模、类型、等级、尺寸等属性。如表十所示。
44.表十在s05步骤生成的权重栅格底图上，通过输入需要选取的变电站对应的尺寸并且根据选取的算法划定出适合建设变电站的区域，辅助规划人员进行最终选址的确定。
45.步骤s07：利用变电站布局规划方案获取变电站名称、等级和中心点坐标。如表十一所示。
46.表十一步骤s08：输入规划电力网架，获取线路名称、起点变电站名称、终点变电站名称和线路等级。如表十二所示。
47.表十二步骤s09：将起点、终点和线路等级完全一样的规划线路判定为同塔架设，合并为同一线路。如表十三所示。
48.表十三步骤s10：将线路列表按照电压等级排序。其中：u1》u2》u3》u
４
＞
……
》un。各地走廊宽度可在满足规范要求基础上，结合当地实际情况确定各电压等级走廊控制宽度。如表十四所示。
49.表十四
步骤s11：在步骤s05生成的权重栅格底图基础上，按照u1电压等级走廊控制宽度定义栅格分辨率，将权重栅格底图进行重采样。如图3所示。
50.步骤s12：利用成本路径方法在u1电压等级分辨率下的权重栅格底图上计算全部u1等级线路的最优成本路径，并按照线路长度从长到短进行排序。如表十五所示。
51.表十五步骤s13：按照长度顺序对u1电压等级路径逐一进行优化。按照经验数值做pl
eb 500m缓冲区（可根据具体情况增加缓冲区范围）。
52.步骤s14：筛选落在pl
eb 500m缓冲区范围内的u1电压等级其他线路，经其他线路与缓冲区的两个交点向pl
eb
路径作垂线。如图4所示。
53.步骤s15：以两垂足作为起止点，按照缓冲区内两条线路走廊宽度之和定义栅格分辨率，将权重底图重新栅格化，并利用成本路径法优化路径，将优化段线路信息计入表格。优化段线路不再参与后续优化工作。如表十六所示。
54.表十六
步骤s16：对u1电压等级下一长度线路进行优化。对成本路径线路做500m缓冲区。循环步骤s14、s15，直至u1电压等级全部线路优化结束。
55.步骤s17：按照优化后线路修改权重底图，将u1电压等级线路走廊占用图斑权重赋值为9（权重最高等级，依据表六），不可占用；并在走廊两侧生成u2电压等级走廊宽度的缓冲区，对缓冲区占用图斑权重赋值为1（权重最低等级，依据表六）。
56.步骤s18：在上步生成权重底图基础上，利用成本路径方法在u2电压等级分辨率下的权重栅格底图上计算全部u2等级线路的最优成本路径，并按照线路长度从长到短进行排序。如表十七所示。
57.表十七步骤s19：重复步骤s13-s17，直至u2电压等级全部线路优化结束。
58.步骤s20：循环步骤s17-s18和步骤s13-18，直至所有电压等级全部线路优化结束。
59.步骤s21：提取优化后全部线路，通过路径失真算法优化方案的线型。
60.电力廊道的直线塔成本大大低于转角塔，因此在线路设计时需要考虑减少转角数量，从而使规划线路相对平滑，路径失真主要是由成本表面模型本身的缺陷所导致的，由于选线时采用的栅格以及算法造成计算出的廊道局部有锯齿状线段。如图5所示。
61.路径失真纠正算法保持线路的基本形状，同时考虑周边现状及规划的地形、地性的情况下，保证线段不穿过禁止通过区域或高成本区域，尽量去除多余转角点使优化后线路更加合理。
62.如图6所示。设需要优化线路为pl
1x，
提取所有线路上的折点p1至p
x
，删除p2，然后与未栅格化的建设难度权重评分一览表中权重建设难度中的权重评分wn≥7的不可通过区及高成本区域进行对比，若与该区域没有交集则删掉折点p
2，
连接p1与p3；若存在交集，则从p2做线段p1与p3的垂线，垂足为h,在线段p2与y之间找一点p2’
，保证p2’
不穿越wn≥7的区域且p2’
距离y最近，连接p1与p2’
与p3。再删除p3，计算p2’
与p4是否穿越wn≥7的区域,如此循环，直到折点px，则线路优化结束。
63.步骤s22：计算走廊宽度。走廊宽度=各并行线路电压等级对应走廊宽度之和。
64.步骤s23：以优化后线路中心线，按走廊宽度生成线路缓冲区作为最终规划走廊。
65.本发明充分利用多元数据，选取并集成适宜的算法，实现电力场站选址和廊道控制的智慧规划，可避免人为操作对影响因素考虑不全，与严管控要素冲突，造成后期市政基础设施开发建设困难，同时利用计算机智能规划系统可大幅提高工作效率，提高方案科学合理性，通过算法实现方案最优化，节省后期建设费用以及避免切割国土造成用地的割裂，减少市政基础设施规划的前期准备与基础性分析工作，提供矢量分析结果与初步方案，辅助规划师决策规划方案。本发明的方案可在各地市级、区级、乡镇级电力空间规划中具有广泛的应用前景。
66.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。