一種電力光傳輸網(wǎng)線路綜合規(guī)劃算法

禹士朋+蔡琳+徐艷紅

摘要：針對如何降低電力光傳輸網(wǎng)的建設(shè)成本，該文展開了深入研究。圍繞已有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃算法現(xiàn)存的問題，該文建立了電力光傳輸網(wǎng)的線路綜合規(guī)劃算法。首先，設(shè)計(jì)了電力光傳輸網(wǎng)建設(shè)成本模型和可靠性模型，并且在可靠性模型中，綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)的成環(huán)率和電壓等級因素，以此更加真實(shí)的體現(xiàn)電力光傳輸網(wǎng)的特殊需求。其次，綜合電力光傳輸網(wǎng)建設(shè)成本模型和可靠性模型，建立了線路規(guī)劃模型，同時(shí)設(shè)計(jì)了用于求解該問題的啟發(fā)式搜索算法，使其能夠有效指導(dǎo)電力光傳輸網(wǎng)的規(guī)劃成本控制。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該文所設(shè)計(jì)算法的有效性。

關(guān)鍵詞：電力光傳輸網(wǎng)；可靠性；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0061-03

Integrated Planning Algorithm for Power Optical Transmission Network

YU Shi-peng，CAI Lin，XU Yan-hong

（Suzhou Power Supply Bureau of Anhui Power Grid Corporation，Suzhou 234000， China）

Abstract： In this paper， how to control the cost of power optical transmission network construction has been deeply studied. According to existing problems of existing planning algorithm， this paper designs a integrated planning algorithm for power optical transmission network. First of all， cost model of network construction and network reliability model was built，the network reliability model was established with network ring rate and voltage level factors， which can really reflect special needs of electric power communication network. Subsequently， fusion network construction cost model and network reliability model of power optical transmission line planning model was built， and a heuristic algorithm to solve the problem was designed， so that this method can be used to guide design of power optical transmission network scientifically and reasonably. Finally， effectiveness of the proposed algorithm is verified by experiments.

Key words： power optical transmission network； reliability； network planning

電力通信網(wǎng)現(xiàn)已形成以光通信為主，電力線載波、微波、衛(wèi)星等多種傳輸技術(shù)互補(bǔ)的局面。其中，采用光通信技術(shù)的各級傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，一級骨干光通信網(wǎng)已形成三橫四縱的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于承載電力調(diào)度、繼電保護(hù)及安穩(wěn)控制類業(yè)務(wù)，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起到重要作用[1]。

伴隨智能電網(wǎng)的深入發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大，大量的新業(yè)務(wù)、新設(shè)備應(yīng)用到電網(wǎng)中，對電力光通信提出了更髙需求，使已有通信網(wǎng)絡(luò)的一些潛在問題凸顯出來[2，4]。而電信運(yùn)營商傳輸網(wǎng)線路的規(guī)劃方法主要考慮考慮網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本和可靠性。此類方法將這兩個(gè)因素綜合引入規(guī)劃模型，并且采用相應(yīng)算法求解該問題。這類方法取得了較好的效果，但是此類方法不適用于規(guī)劃電力光傳輸網(wǎng)，例如：變電站電壓等級，成環(huán)率等可靠性因素和特征并沒有被考慮其中。為了滿足電力光傳輸網(wǎng)滿足電網(wǎng)的通信需求，需要在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)。為此，研究電力光傳輸網(wǎng)的線路綜合規(guī)劃方法，具有重要實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 問題描述

電力光傳輸網(wǎng)規(guī)劃存在如下問題：1）部分變電站的光纖覆蓋率低，部分地區(qū)仍租用電信公網(wǎng)的方式解決變電站的通信傳輸問題，已對電力光通信網(wǎng)的容災(zāi)、無人值守、調(diào)度專網(wǎng)覆蓋等能力形成制約，無法滿足電力系統(tǒng)對可靠性的需求；2）部分光纜纖芯緊張，可靠性低等問題；3）部分光纜承載的繼電保護(hù)、安穩(wěn)控制業(yè)務(wù)過重。這些線路檢修或故障必將會(huì)造成多條業(yè)務(wù)通道中斷，電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大，因此電力光傳輸網(wǎng)需要擴(kuò)建，需要一種能夠綜合考慮多方面因素的電力光傳輸網(wǎng)線路綜合規(guī)劃算法，用于指導(dǎo)光傳輸網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2 數(shù)學(xué)模型

網(wǎng)絡(luò)成本建模：包括新加入網(wǎng)絡(luò)的線路建設(shè)和運(yùn)維成本，如式（1）所示：

[C=i=1Nj≠iNp?lij+mij?eij] （1）

式中，C代表網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本；N代表備選光纜線路數(shù)；[p?lij]和[mij]代表在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[ni]與節(jié)點(diǎn)[nj]之間鋪設(shè)光纜需要的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)維費(fèi)用；[p]代表光纜單價(jià)，[lij]代表光纜長度；[eij=1]表示在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[ni]與節(jié)點(diǎn)[nj]之間鋪設(shè)光纜。

在構(gòu)建電力光傳輸網(wǎng)可靠性函數(shù)時(shí)應(yīng)該考慮兩方面因素：

一方面，變電站的成環(huán)率越大表明越多的變電站被環(huán)形網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，其可靠性越高。其中，變電站[R]的成環(huán)率是網(wǎng)絡(luò)中成環(huán)變電站數(shù)和變電站總數(shù)的比值，如式（2）所示：

[RI=1N?i=1Nri] （2）

式中，[N]為網(wǎng)絡(luò)中變電站的總數(shù)，[ri]代表成環(huán)變電站。成環(huán)變電站定義為物理成環(huán)，即由光纜相連構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

另一方面，成環(huán)變電站電壓權(quán)值越高，表明越多的高電壓等級變電站受到環(huán)形保護(hù)，這個(gè)結(jié)果與高電壓等級變電站需要優(yōu)先成環(huán)的需求一致。由于變電站的成環(huán)率取值為[0，1]， 需要將變電站電壓值做歸一化處理：

[nvi=vi-vminvmax-vmin] （3）

式中，[vmin]和[vmax]分別代表電壓的最小值與最大值，[nvi]為實(shí)際電壓[vi]的歸一化電壓，[nvi∈NV]，NV代表歸一化電壓集合，成環(huán)站點(diǎn)電壓加權(quán)值：

[VN=i=1Nnvi?ri] （4）

式中，N為變電站數(shù)，[ri=1]時(shí)，表明變電站i在保護(hù)環(huán)上，[ri=0]時(shí)，表明變電站i不在保護(hù)環(huán)上。綜上所述，可靠性可以表示為：

[R=RI+VN =1N?i=1Nri+i=1Nnvi?ri=i=1N1N+nvi?ri ] （5）

3 電力光傳輸網(wǎng)線路綜合規(guī)劃算法

3.1 電力光傳輸網(wǎng)線路規(guī)劃模型

電力光傳輸網(wǎng)的線路規(guī)劃模型為：

[minC=i=1Nj≠iNp?lij+mij?eijmaxR=i=1N1N+nvi?ri ] （6）

式（6）中的第二項(xiàng)是可靠性[R]的極大值。為了利用多目標(biāo)規(guī)劃算法，本文將[R]的極大值問題轉(zhuǎn)化為[1R]的極小值問題，將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為：

[minα?i=1Nj≠iNp?lij+mij?eij+β?i=1NN1+N?nvi?ri] （7）

式中[α+β=1]。下面，本文設(shè)計(jì)了基于蟻群的線路規(guī)劃啟發(fā)式算法，用于求解式（7）中的目標(biāo)函數(shù)。

3.2 求解算法

設(shè)[τijt]為t時(shí)刻，光纜段[eij]上的信息量，N為網(wǎng)絡(luò)中變電站數(shù)，E為網(wǎng)絡(luò)中光纜段的數(shù)量，m為蟻群中的螞蟻總數(shù)，[τijt=a0]，用禁忌表[tabuk]記錄螞蟻[Antk]當(dāng)前路過的變電站（k=1，2，…，m）。在啟發(fā)式搜索過程中，螞蟻會(huì)依據(jù)各條路徑上的信息量以及啟發(fā)信息用來計(jì)算狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，[pkijt]表示在t時(shí)刻，螞蟻k由變電站[ni]轉(zhuǎn)移到變電站[nj]的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

[pkijt=τijta?ηiktbs?Fkτista?ηistb， if j∈Fk 0， else ] （8）

式中，[Fk=C-tabuk]表示螞蟻[Antk]下一步的允許選擇節(jié)點(diǎn)；a為信息量的啟發(fā)式因子，b為期望的啟發(fā)式因子（一般取[0≤a≤5；] [0≤b≤5；]）；[τijt]為啟發(fā)函數(shù)，[τijt=1dij]，[dij]代表相鄰兩個(gè)變電站之間的距離（成本）。在螞蟻?zhàn)咄暌徊?，或者完成對所有城市的遍歷后，需要對殘留信息量進(jìn)行更新處理。為此，t+n時(shí)刻在光纜段[eij]上的信息量，可以按如下規(guī)則進(jìn)行調(diào)整：

5 結(jié)束語

針對電力光傳輸網(wǎng)的線路規(guī)劃問題，本文設(shè)計(jì)了綜合規(guī)劃算法。該方法設(shè)計(jì)了融合可靠性、經(jīng)濟(jì)性的綜合規(guī)劃模型；同時(shí)，設(shè)計(jì)了啟發(fā)式求解算法，并且通過實(shí)驗(yàn)，對比分析了本文設(shè)計(jì)的算法與Dijkstra算法之間的差異，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)算法的有效性。該算法能夠提高電力光通信網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，提高了對高電壓等級變電站的保護(hù)級別。

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