基于需求預(yù)測(cè)的電力應(yīng)急物資調(diào)配優(yōu)化方法

廣東電網(wǎng)有限責(zé)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

我國(guó)電力為了更好的適應(yīng)社會(huì)，不斷向一體化、自動(dòng)化方向發(fā)展，導(dǎo)致電力系統(tǒng)面對(duì)自然災(zāi)害和各種突發(fā)事故能力弱，很容易出現(xiàn)電力系統(tǒng)全面癱瘓問題。如臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)侵襲造成沿海地區(qū)上億損失；雨雪冰凍自然災(zāi)害直接損害了電力系統(tǒng)整體框架，對(duì)電力企業(yè)造成無法估計(jì)的損失；地震災(zāi)害導(dǎo)致電力系統(tǒng)大量供電設(shè)備損壞，導(dǎo)致受災(zāi)地區(qū)停電時(shí)長(zhǎng)超過72小時(shí)，直接影響了當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、經(jīng)濟(jì)以及居民日常生活。因此需增強(qiáng)電力系統(tǒng)面對(duì)自然災(zāi)害和各種突發(fā)事故的能力，做好電力應(yīng)急物資調(diào)配工作。

目前國(guó)外將電力受災(zāi)點(diǎn)看成一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，建立調(diào)配模型調(diào)配電力應(yīng)急物資；國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)較晚，多是根據(jù)物流這一概念，設(shè)計(jì)物資運(yùn)輸路徑、物資重復(fù)利用、時(shí)間、道路狀況等約束條件，調(diào)配電力應(yīng)急物資，其次是根據(jù)應(yīng)急物資需求設(shè)計(jì)約束條件，建立模型調(diào)配應(yīng)急物資。文獻(xiàn)[1]將運(yùn)輸距離和成本作為應(yīng)急物資調(diào)度約束條件，設(shè)計(jì)物資調(diào)度數(shù)學(xué)模型調(diào)度應(yīng)急物資。文獻(xiàn)[2]將道路作為應(yīng)急物資調(diào)配影響因素，設(shè)計(jì)最小時(shí)間和成本目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)采用改進(jìn)飛蛾撲火算法調(diào)度應(yīng)急物資。文獻(xiàn)[3]將物資運(yùn)輸時(shí)間和分配滿意度作為應(yīng)急物資調(diào)配約束，建立應(yīng)急物資調(diào)配模型調(diào)配應(yīng)急物資。然而當(dāng)前方法在調(diào)配電力應(yīng)急物資時(shí)得到物資調(diào)配路線不是最優(yōu)，為此提出基于需求預(yù)測(cè)的電力應(yīng)急物資調(diào)配優(yōu)化方法，并對(duì)其性能進(jìn)行分析。

1 基于需求預(yù)測(cè)的電力應(yīng)急物資調(diào)配優(yōu)化方法

1.1 建立電力應(yīng)急物資需求預(yù)測(cè)模型

電力受到各種事故影響會(huì)導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)癱瘓、設(shè)備損壞等問題，但不同的事故對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)影響不同，因此應(yīng)急措施也存在一定的差異，這就導(dǎo)致不同災(zāi)害下的電網(wǎng)對(duì)于應(yīng)急物資需求規(guī)律與時(shí)間聯(lián)系較弱，具有較強(qiáng)的不確定性。為此采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立電力應(yīng)急物資需求模型，預(yù)測(cè)受損電網(wǎng)對(duì)電力物資的需求。將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值設(shè)定在(-1,1)之間，選擇S 型函數(shù)f()作為網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)，具體為式中n 表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，a、b、c 均表示常數(shù)，exp 表示取經(jīng)驗(yàn)值。

根據(jù)設(shè)定的初始權(quán)值，選擇的激活函數(shù)，其預(yù)測(cè)電力應(yīng)急物資需求過程為：(1)采集處理電力應(yīng)急物資數(shù)據(jù)，初始化網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值；(2)將網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)受災(zāi)變電站應(yīng)急物資訓(xùn)練誤差記為E，最大訓(xùn)練次數(shù)記為N；(3)輸入訓(xùn)練樣本U 且U=1；(4)模型正向傳播，輸入層第i 個(gè)神經(jīng)元為xi則隱含層和輸出層神經(jīng)元輸出ζk和yj為式中k=1,2，K 表示隱含層第k 個(gè)神經(jīng)元，K 表示總數(shù)；j=1,2,…,j 表示輸出層第j 個(gè)神經(jīng)元，J 表示總數(shù)；ωik表示xi 與ζk的連接權(quán)值；δk表示隱含層閾值；δj表示輸出層閾值；ωkj表示ζk與yj的連接權(quán)值[4]。

(5)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出值與期望輸出值誤差為式(1)，式中Ej 表示輸出層誤差函數(shù)、yj(U)表示輸入樣本期望輸出；(6)據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果，通過網(wǎng)絡(luò)反向傳播修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值得式(2)，式中和表示修正ωkj和ωik的權(quán)值、和表示修正δj和δk的閾值。

(7)判斷U 中是否存在學(xué)習(xí)樣本。不存在則增加1次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)進(jìn)入下一步驟，存在則U=U+1返回步驟(4)；(8)判斷式(1)輸出的誤差值是否小于設(shè)定的誤差值，或者網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)是否大于設(shè)定訓(xùn)練次數(shù)；(9)當(dāng)步驟(8)中的條件均不滿足時(shí)，訓(xùn)練樣本U=1，返回步驟(4)；當(dāng)步驟(8)中任意一個(gè)條件滿足時(shí)結(jié)束網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，輸出網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)電力應(yīng)急物資需求結(jié)果。

設(shè)有b1,…,br,…,bR個(gè)受災(zāi)變電站，br表示第r 個(gè)受災(zāi)變電站；R 表示受災(zāi)變電站個(gè)數(shù)。根據(jù)其供電需求情況，預(yù)測(cè)該變電站停電后對(duì)變電站所處區(qū)域造成損失，以此確定變電站恢復(fù)重要性，劃分變電站應(yīng)急物資調(diào)配順序，則有式(3)式中，Pr表示br待恢復(fù)負(fù)荷功率；α1和α2分別表示對(duì)br所處區(qū)域居民生活和經(jīng)濟(jì)影響情況；σ1和σ2分別表示α1和α2的賦權(quán)值[5]。

綜合上述計(jì)算過程，建立了電力應(yīng)急物資需求預(yù)測(cè)模型，依據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，采用(3)式確定受災(zāi)變電站應(yīng)急物資調(diào)配順序，設(shè)計(jì)物資調(diào)配約束，優(yōu)化電力應(yīng)急物資調(diào)配路徑。

1.2 設(shè)計(jì)電力應(yīng)急物資調(diào)配約束

設(shè)電力受災(zāi)區(qū)域邊界節(jié)點(diǎn)為V，邊界為E，存在a1,…,al,…,aL個(gè)電力應(yīng)急物資儲(chǔ)備站，al表示第l 個(gè)電力應(yīng)急物資儲(chǔ)備站；L 表示物資儲(chǔ)備站個(gè)數(shù)。綜合b1,…,br,…,bR個(gè)受災(zāi)變電站，將電力受災(zāi)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)定義為G(V,E)，由于應(yīng)急物資調(diào)配對(duì)時(shí)間要求高，將G(V,E)每條邊權(quán)值均記為時(shí)間。依據(jù)建立的電力受災(zāi)網(wǎng)絡(luò)，做如下假設(shè)：依據(jù)本文研究得到的受災(zāi)點(diǎn)對(duì)于應(yīng)急物資需求情況，在G(V,E)區(qū)間內(nèi)的物資儲(chǔ)備站所能提供的物資數(shù)量以及運(yùn)行時(shí)間均不確定，為此采用區(qū)間數(shù)表示儲(chǔ)備站儲(chǔ)備物資數(shù)量和運(yùn)行時(shí)間；所有應(yīng)急物資運(yùn)輸僅考慮單項(xiàng)運(yùn)輸，且運(yùn)輸車輛容積、速度、載重等參數(shù)一致；物資運(yùn)輸過程中不存在突發(fā)事故；應(yīng)急物資調(diào)配將在本文研究設(shè)定的G(V,E)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，以此保證物資調(diào)配的及時(shí)性和現(xiàn)實(shí)性。

依據(jù)上述設(shè)定的四條應(yīng)急物資調(diào)配約束，設(shè)計(jì)物資調(diào)配約束如下式所示，式中Mlr表示從電力物資儲(chǔ)備站al向受災(zāi)變電站br調(diào)配應(yīng)急物資數(shù)量；qc表示各個(gè)受災(zāi)點(diǎn)對(duì)第c 種電力應(yīng)急物資需求量，屬于區(qū)間數(shù)；hlr表示電力物資儲(chǔ)備站al是否為受災(zāi)變電站br調(diào)配應(yīng)急物資，當(dāng)hlr=0時(shí)不調(diào)配物資，當(dāng)hlr=1時(shí)調(diào)配物資；dlr表示從al到br的距離；l表示al的物資供給能力；tlr表示從al到br的物資實(shí)際運(yùn)輸時(shí)間；ζlr表示每單位里程運(yùn)輸成本[6]。根據(jù)此約束條件優(yōu)化電力應(yīng)急物資調(diào)配路徑，實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)急物資調(diào)配優(yōu)化。

1.3 優(yōu)化電力應(yīng)急物資調(diào)配路徑

基于本文研究定義的電力受災(zāi)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，確定的受災(zāi)變電站應(yīng)急物資調(diào)配順序，以及電力應(yīng)急物資調(diào)配約束條件，設(shè)計(jì)的電力應(yīng)急物資調(diào)配最優(yōu)路徑D0函數(shù)為式中η 表示對(duì)稱三角模糊數(shù)；D 表示物資運(yùn)行路徑；γ 表示受災(zāi)變電站對(duì)應(yīng)急物資需求順序[7]。

在式(3)的應(yīng)急物資調(diào)配約束條件下，調(diào)配應(yīng)急物資所走路徑消耗的時(shí)間要小于t0，為此根據(jù)η=[η1,η2,η3]的基本性質(zhì)計(jì)算時(shí)間消耗保障率P(D,t0)，以此來判斷物資在路徑D 上是否能在規(guī)定時(shí)間t0內(nèi)到達(dá)，η2表示三角對(duì)稱函數(shù)中間點(diǎn)，η1和η3表示中間點(diǎn)兩側(cè)的對(duì)稱點(diǎn)。則有：

式 中η(D)1、η(D)3和η(D)3分 別 與η1、η2和η3三個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)[8]。

綜上，當(dāng)x0=0時(shí)Q(0)<=t0，D0即為物資調(diào)配最優(yōu)路徑；反之，讓x0=01，此時(shí)Q(-1)>t0，則D0即為物資調(diào)配最優(yōu)路徑；反之，使x0＇=-1、x0＂=0，讓 x0取，如果|Q(x0)-t|<=0，則D0即為物資調(diào)配最優(yōu)路徑。

綜合上述公式得到的應(yīng)急物資調(diào)配最短路徑，即為電力應(yīng)急物資調(diào)配最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)急物資調(diào)配優(yōu)化。

2 算例分析

選擇基于飛蛾撲火算法的調(diào)配優(yōu)化方法和博弈調(diào)配優(yōu)化方法作為對(duì)比方法，選擇某區(qū)域發(fā)生的7.0級(jí)地震災(zāi)區(qū)的8個(gè)變電站作為分析對(duì)象。

2.1 電網(wǎng)受損概況

在7.0級(jí)地震災(zāi)難下，地震強(qiáng)度為8度，電力設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞、電力系統(tǒng)功能完全失效，8條線路電壓等級(jí)及其設(shè)備受損情況分別為：35kV/開關(guān)柜受損；110kV/主變接地?fù)p壞；220kV/主變避雷器、開關(guān)柜、散熱器等損壞；110kV/并聯(lián)電容器、隔離開關(guān)等損壞；110kV/開關(guān)類設(shè)備損壞；35kV/隔離刀閘、隔離開關(guān)等損壞；110kV/主變接地?fù)p壞；110kV/陶瓷管、變壓器等損壞。

2.2 算例描述

選擇以上8個(gè)受災(zāi)變電站，對(duì)于各種應(yīng)急物資需求量為qc,c=1,2…,8。設(shè)8個(gè)變電站周圍共存在1個(gè)電力物資儲(chǔ)備站a1（圖1）。根據(jù)應(yīng)急物資配送區(qū)域節(jié)點(diǎn)圖，得到其電力物資儲(chǔ)備站a1向8個(gè)受災(zāi)變電站運(yùn)輸電力應(yīng)急物資距離矩陣為式(5)。

圖1 應(yīng)急物資配送區(qū)域節(jié)點(diǎn)圖

在本設(shè)計(jì)的算例中，電力應(yīng)急物資運(yùn)輸車輛型號(hào)均相同，最大物資載重為7噸，物資運(yùn)輸平均速度為55km/h，物資運(yùn)輸車輛數(shù)目沒有限制。此外，從電力物資儲(chǔ)備站a1向8個(gè)受災(zāi)變電站運(yùn)輸電力物資時(shí)，車輛運(yùn)輸物資最晚到達(dá)時(shí)間為8小時(shí)。因此超出8小時(shí)送達(dá)電力應(yīng)急物資的運(yùn)輸路線均要被舍棄。

2.3 對(duì)比配送線路

根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的算例，采用三組電力應(yīng)急物資調(diào)配優(yōu)化方法，分別調(diào)配電力物資儲(chǔ)備站a1中的電力應(yīng)急物資，并將其在8個(gè)小時(shí)內(nèi)運(yùn)輸至以上b1～b8等8個(gè)受災(zāi)變電站。從圖2可知，基于飛蛾撲火算法的調(diào)配優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的調(diào)配路線需要935公里的行程里數(shù)；博弈調(diào)配優(yōu)化方法作為此次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比方法設(shè)計(jì)的調(diào)配路線需要930公里的行程里數(shù)；而本文方法設(shè)計(jì)的調(diào)配路線僅需要910公里的行程里數(shù)，較基于飛蛾撲火算法的調(diào)配優(yōu)化方法和博弈調(diào)配優(yōu)化方法作為此次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比方法分別少25公里和20公里的行程里數(shù)?？梢姳疚脑O(shè)計(jì)的調(diào)配優(yōu)化方所需運(yùn)輸行程最短。

圖2 電力應(yīng)急物資配送路線對(duì)比圖

綜上，在傳統(tǒng)電力應(yīng)急物資調(diào)配方法基礎(chǔ)上，本文設(shè)定受災(zāi)變電站物資需求順序和物資運(yùn)輸約束條件，優(yōu)化電力應(yīng)急物資調(diào)配方法。但是本文研究未曾考慮電力應(yīng)急物資調(diào)配成本條件，在今后研究中，還需深入研究電力物資調(diào)配成本，在實(shí)現(xiàn)物資最短調(diào)配路徑的同時(shí)實(shí)現(xiàn)物資調(diào)配成本最低。