物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)

廣東電網(wǎng)有限責任公司 何章瑋

南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司 皮云霞

應急電力物資供應節(jié)點是對電力調(diào)度穩(wěn)定性的重要保障，免除自然災害對電力調(diào)度穩(wěn)定性的影響，設計基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)，對比該系統(tǒng)在不同自然災害中的性能。在硬件結構中，設計復位電路，增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)配速度。在軟件結構中，建立電力應急物資智能調(diào)配函數(shù)模型，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)反饋信息，計算自然災害下物資需求量，設計智能調(diào)配優(yōu)化算法。以地震、洪水、臺風作為自然災害的變量，設計實驗驗證不同自然災害下該系統(tǒng)的適應性。實驗結果顯示，地震災害需要的調(diào)配資金為12739.01元，洪水災害需要調(diào)配資金14556.74元，臺風災害需要資金10057.3元。根據(jù)以上實驗結果可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)在三種自然災害中均有較好的效果，其中臺風災害所需成本最少。

電網(wǎng)安全是所有電力調(diào)度的核心問題，也是保證國家安全，社會正常運行的重要基礎。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到外界影響較大，如果外界受到自然災害或其他災害的影響，則電力設施會受到嚴重的破壞，此時就需要電力應急物資的支持。因此需要在電力網(wǎng)絡中設置若干電力應急物資供應節(jié)點，作為災害發(fā)生時的保障。

為更好地解決災害區(qū)域的電力網(wǎng)絡應急物資調(diào)配問題，考慮了約束條件和優(yōu)化目標，并在綜合代價成本評估模型的基礎上，設計了一種基于多層代碼的遺傳算法，并選取了全局最優(yōu)的物資管理地點。該方法雖然可以選擇最佳地址，但是對系統(tǒng)的物資配送路徑?jīng)]有明確地表示。基于道路的可修復性，設計了一種可以兼顧多種道路運載模型的目標函數(shù)，減少了物資運載調(diào)配的時間以及其消耗的成本，并改進智能算法獲取最優(yōu)物資調(diào)度方案。該方法可以在調(diào)度時間及成本中獲取較理想的效果，但是沒有建立一個集成的系統(tǒng)，對硬件層面沒有較好的優(yōu)化方法。通過物聯(lián)網(wǎng)技術，在硬件與軟件兩個層面，設計了一種可以更好地調(diào)度物資儲備的系統(tǒng)。通過電源電路保證硬件的可持續(xù)運行，建立軟件層面的數(shù)據(jù)庫，選擇最佳地質，連接最優(yōu)調(diào)度路線，減少調(diào)度時間。該系統(tǒng)提出了調(diào)度系統(tǒng)硬件層面的優(yōu)化方法，但是沒有綜合多種災害模型分別求解。

本文綜合以上內(nèi)容，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)，優(yōu)化硬件與軟件技術，綜合三種最常見的自然災害，對電力應急物資的調(diào)配方法做出了優(yōu)化設計。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理硬件系統(tǒng)

在電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)中，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)配速度較慢的情況，因此設計硬件結構時，可以適當增強微處理器模塊的性能。微處理器模塊一般包括電源電路、時鐘模塊、復位電路、穩(wěn)壓芯片以及處理器芯片等，在本文的設計中，以微處理器芯片STM45作為協(xié)議的通訊接口，設置參考電壓為3V，工作電流為5A，將MR引腳作為低電平的復位信號，則可以設計復位電路如圖1所示。

圖1 復位電路示意圖

圖1中，在低電平的STM45芯片復位電路中，可以將手動復位功能作為一種電壓檢測芯片。若電源電壓抵御3V，則圖1中的SET引腳會變?yōu)橐环N更低的電平芯片；若電源電壓高于3V，則圖1中的VRR引腳會變?yōu)槌^100ms的高電平裝置。這樣一來，芯片會直接通過OFF1和OFF2傳送復位信號給電源電路，則此時的電阻R1和R2都會通過連接不同路徑的方式降低噪聲點的干擾作用。將該復位電路安裝在基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)中，電壓的精度指標可以直接達到0.16%，這樣的系統(tǒng)硬件會進一步增強系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)配速度。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理軟件系統(tǒng)

2.1 建立電力應急物資智能調(diào)配函數(shù)模型

在基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)中，想要在滿足需求量與運輸時間的共同約束下，建立一個最小化的目標函數(shù)，可以以物資和運輸費用為基礎，此時的函數(shù)公式為：

式中，F(xiàn)n表示電力應急物資的調(diào)配數(shù)量；fij表示在電力應急物資儲備點i向電力節(jié)點j中出送物資的費用；表示電力節(jié)點j中接收由儲備點i中輸送的物資費用。該函數(shù)模型的約束函數(shù)包括儲備點約束、資金約束、時間約束等，約束條件為：

式中，ai表示在備選點a中的儲備變量；bi表示在備選點b中的儲備變量；fu表示建設應急物資供給點的費用；F表示供給點的總投資份額；φt表示應急物資到達規(guī)定地點的最大時間；uab表示自a點到達b點的實際時間；wc表示運輸時間的限制。

通過該目標函數(shù)和約束條件，可以計算最短的配送線路。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)計算自然災害下物資需求量

通過物聯(lián)網(wǎng)可以將不同的電力應急物資儲備點連接在一起，設物資儲備點的數(shù)量為M時，可以設置一個集合P={Pz|z=1, 2,L,M}。若根據(jù)自然災害來記錄物聯(lián)網(wǎng)下的物資需求值，則某地發(fā)生自然災害后的電力事故發(fā)生概率為：

此時各物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點對電力應急物資的需求量計算公式為：

式中，fs表示在第s個自然災害下，某電力節(jié)點對電力應急物資的需求量；emw表示自然災害引發(fā)的電力事故等級；Aw表示配送點與需求點的第w條路徑。

通過該公式，可以求出不同自然災害下各物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的物資需求量。

2.3 設計智能調(diào)配優(yōu)化算法

在設計算法的過程中，需要計算出運輸速度與路程的關系式，并以此得到智能調(diào)配的優(yōu)化算法，算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程

根據(jù)該算法，得到運輸時間與速度關系式為：

式中，Xij表示從節(jié)點i到節(jié)點j的總路程；Tij表示兩地往返所需的時間；vs表示運輸車的運行速度；μx表示時間與速度的影響因數(shù)。

通過該算法，可以得到電力應急物資的智能調(diào)配結果。

3 算例分析

上文對受災地區(qū)的電網(wǎng)應急物資調(diào)配最優(yōu)路線進行了設計，并建立了一個調(diào)配管理系統(tǒng)。在本實驗中，以某地區(qū)的電力系統(tǒng)為例，提出了不同自然災害下的條件假設，在電力網(wǎng)絡的基礎上測試了本文系統(tǒng)在不同災害下的調(diào)配效果。

3.1 電力應急物資網(wǎng)絡結構

以某城市的電網(wǎng)為例，提取某一片受災區(qū)域的電力核心架構，10個電力節(jié)點以及3個供應節(jié)點組成的電網(wǎng)架構如圖3所示。圖3電網(wǎng)中共有10個電網(wǎng)節(jié)點和3個供應節(jié)點。以O點為坐標原點，在X軸與Y軸內(nèi)分別標出13個電力節(jié)點的坐標軸，并計算個電網(wǎng)節(jié)點以及供應節(jié)點的橫縱坐標，其中x軸的最大長度為13km，y軸的最大長度為12km。

圖3 電網(wǎng)節(jié)點示意圖

根據(jù)文中的計算模型，設每個電力物資供應節(jié)點中的車輛為統(tǒng)一的型號，且沒有數(shù)量的限制（即不需要考慮車輛問題）。設車輛在城市內(nèi)部的平均行駛速度為45km/h，電力應急物資在各電網(wǎng)節(jié)點間的配送速度約為8km/h，在電網(wǎng)節(jié)點與供應節(jié)點間的配送速度約為4km/h。其中10個電網(wǎng)節(jié)點的電力物資存儲量分別為15t、30t、21t、18t、31t、12t、36t、20t、19t、12t，3個供應節(jié)點的電力物資儲備量分別為150t、100t、100t。計算每個節(jié)點與其他12個節(jié)點之間的距離，獲取距離最近的三個節(jié)點信息，將這些連通的線路建立為鄰接矩陣X=[xij]。在矩陣X中有一些距離過長的連接線路，此時調(diào)整連接線路的最大值θmax= 8km，則可以得到修正后的矩陣X′為：

通過該矩陣可以構建電力應急物資網(wǎng)絡如圖4所示。在圖4中，根據(jù)矩陣(6)連接各電力網(wǎng)絡節(jié)點以及物資供應節(jié)點。由于電力應急物資受到車輛行駛速度的限制，每個電力網(wǎng)絡節(jié)點受到救援時間的約束，可以從2-3個其他節(jié)點中獲得電力應急物資的補充。

圖4 電力應急物資網(wǎng)絡連接示意圖

3.2 電力應急物資配送區(qū)域劃分

選擇電力物資的供應節(jié)點Ni作為電力應急物資配送的中心，此時i= 1,2,3，則可以計算各電力網(wǎng)絡節(jié)點距離供應節(jié)點的距離。依據(jù)圖4可以劃分不同的電力應急物資配送區(qū)域，并得到算例模型。

式中，F(xiàn)i表示各個電力網(wǎng)絡節(jié)點相對于其他節(jié)點的電力物資剩余總量；Uf表示在各電網(wǎng)節(jié)點中，第f種自然災害所需調(diào)配物資的總數(shù)量，其中f= 1,2,3，分別代表地震、洪水、臺風等自然災害。這兩個未知數(shù)的計算公式為：

式中，λab表示電力物資供應節(jié)點，表示第i個電力物資供應節(jié)點周邊的網(wǎng)絡節(jié)點，且a= 1,2,3，b= 1,2,L,10；tki表示第i電力應急物資供應節(jié)點周邊的節(jié)點數(shù)量。

該模型的約束條件較為復雜，其中包括：

該公式表示每一個電力網(wǎng)絡節(jié)點只屬于一個物資供應點，不能自另一個物資供應點中獲取電力物資。

該公式表示該智能調(diào)配管理系統(tǒng)包含的自然災害種類為3，所需調(diào)配的電網(wǎng)節(jié)點數(shù)量為10，參與調(diào)配的節(jié)點總數(shù)量為13。

不等式中，ui表示第i個電力應急物資供應節(jié)點內(nèi)網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量。通過該算例模型，可以得到應急電力物資的調(diào)配結果，并計算各節(jié)點間的最短運輸距離，從而保證了電力應急物資調(diào)配成本的最小化。

3.3 物資調(diào)度線路選擇

依據(jù)電力應急物資配送區(qū)域算例模型，則此時10個電網(wǎng)節(jié)點電力物資存儲量的具體情況，以及物資調(diào)度路線如圖5所示。

圖5 三種自然災害下的物資調(diào)度路線

以各供應節(jié)點為中心，將不同的區(qū)域一一劃分，圖中深灰色的節(jié)點為供應節(jié)點，其中具備較大量的備用電力應急物資，淺灰色的節(jié)點為物資存量較多的電力網(wǎng)絡節(jié)點，白色的節(jié)點為存量不足的電力網(wǎng)絡節(jié)點，箭頭方向標明了物資調(diào)度的方向。在這樣的路線選擇下，假設每輛汽車的最大載重量為10t，每輛車運行一公里的成本費用為500元，則可以以此計算車輛運輸?shù)目偝杀?，其計算公式為?/p>

式中，m表示所需調(diào)度物資的重量；x表示物資調(diào)度的距離。

通過公式(12)可以計算：在地震災害中，所需資金總額為12739.01元，在洪水災害中，所需資金14556.74元，在臺風災害中，所需資金10057.3元。根據(jù)實驗所的數(shù)據(jù)可以得知：文中設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能管理系統(tǒng)，在三種自然災害下均可以有效調(diào)配電力應急物資，且所需資金均在1-1.5萬元之間，其中臺風災害所需調(diào)配成本最低。

結束語：本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)，在硬件與軟件兩方面對物資的調(diào)配做出了優(yōu)化。最后在算例分析中，對三種不同的自然災害做出了測試，對比該調(diào)配系統(tǒng)對不同災害的調(diào)度能力以及調(diào)度成本。通過綜合分析，該系統(tǒng)在較為常見的幾種災害中均具備較好的適應性，尤其是在臺風災害中效果最好。