基于蟻群算法的500 kV變電站電纜復(fù)雜空間排布方法

陳 勇，王云輝，周俊東

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011)

當(dāng)前，在變電站電纜排布中，都是依靠相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行操作的，在安裝時(shí)僅能夠保證設(shè)備合理，但科學(xué)性較差。如果詳細(xì)要求技術(shù)人員對(duì)比每根導(dǎo)線(xiàn)的型號(hào)以及安裝的位置，會(huì)帶來(lái)較大的工作量，并且排布效果較差。文獻(xiàn)[1]研究了排管電纜群布置方式的聯(lián)合優(yōu)化方法，利用 COMSOL與 Matlab相結(jié)合的方法，對(duì)線(xiàn)纜進(jìn)行了模擬，以此為依據(jù)得到了最終線(xiàn)組的最佳配置；文獻(xiàn)[2]研究了長(zhǎng)距離330 kV電纜護(hù)套交叉互聯(lián)接地方式及回流纜優(yōu)化布置方法，利用 EEM軟件建立了模型，并進(jìn)行了電壓分析，實(shí)現(xiàn)電纜排布。上述提出的方法雖然能夠排布電纜，但是不能夠?qū)ふ业阶疃痰木€(xiàn)纜敷設(shè)位置。

蟻群算法是路徑規(guī)劃時(shí)最常用的一種，因?yàn)槊恳恢晃浵伓疾恢雷约旱哪繕?biāo)在哪里，因此其只能在自己能看到的地方尋找，這樣就可以得到更多的信息，通過(guò)綜合信息判斷找到最短的路徑?；诖耍瑥膶ふ易疃谭笤O(shè)路徑角度出發(fā)，提出了基于蟻群算法的500 kV變電站電纜復(fù)雜空間排布方法。

1 基于BIM技術(shù)建立變電站電纜及關(guān)聯(lián)模型

將全站電纜清冊(cè)導(dǎo)入電纜施工管理系統(tǒng)，確定電纜起點(diǎn)與終點(diǎn)的設(shè)備、電纜的通道以及其他信息，過(guò)程如下所示：

(1)建立BIM模型前采集變電站內(nèi)設(shè)備、材料以及場(chǎng)地等參數(shù)，主要采集的數(shù)據(jù)包含、電纜溝尺寸、配電箱尺寸、電纜外徑、線(xiàn)槽尺寸[3]、電氣回路。這些數(shù)據(jù)彼此獨(dú)立，卻又互相聯(lián)系，任何一組數(shù)據(jù)的改變都會(huì)影響到正確的布線(xiàn)。

(2)模型建立，利用BIM建模軟件以收集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立精確的三維可視化模型[4]，如圖1所示。

圖1 變電站電纜及關(guān)聯(lián)模型建立流程

基于上述過(guò)程建立起該變電站內(nèi)部初始關(guān)聯(lián)模型，為后續(xù)電纜排布提供基礎(chǔ)。

2 基于蟻群算法最短敷設(shè)路徑計(jì)算

基于上述過(guò)程采用BIM技術(shù)建立起變電站電纜及關(guān)聯(lián)模型，將蟻群算法應(yīng)用到最短路徑尋找中，以提高排布效果，減少浪費(fèi)。

2.1 500 kV變電站電纜布線(xiàn)空間建模

螞蟻在覓食時(shí)，往往可以找到一條最短的路徑，為此將該算法應(yīng)用到電纜排布中。由于變電站中的結(jié)構(gòu)件種類(lèi)較多[5]，大小形狀也不同，導(dǎo)致布線(xiàn)空間不規(guī)劃，為此對(duì)變電站內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行三維空間環(huán)境建模。蟻群算法的覓食路徑如圖2所示。

圖2 蟻群算法覓食路徑原理圖

圖2所示的蟻群算法覓食過(guò)程如下：

(1)網(wǎng)格化處理變電站電纜空間：將空間抽象為空間位置信息的節(jié)點(diǎn)，描述線(xiàn)路可能經(jīng)過(guò)的空間點(diǎn)；

(2)由于整個(gè)空間模型較大[6]，會(huì)消耗較多存儲(chǔ)空間，因此將變電站電纜空間分成幾個(gè)部分，把配線(xiàn)空間分成幾個(gè)子空間的并集：

A=A1∪A2∪A3∪…∪An

(1)

式中：A為整個(gè)變電站電纜布設(shè)空間；A1、A2、A3、An等分別為劃分的各個(gè)子空間。

(3)通過(guò)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行處理，將其從結(jié)構(gòu)模型中提取出一個(gè)立體的模型，將坐標(biāo)系頂點(diǎn)記作B，在B中建立三維坐標(biāo)系B-xyz，在該空間中，每個(gè)柵格都相當(dāng)于頂點(diǎn)，為保證尋找時(shí)節(jié)點(diǎn)不發(fā)生碰撞[7]，對(duì)其進(jìn)一步處理：

(2)

式中：k為規(guī)劃參數(shù)；mant為第t個(gè)時(shí)間內(nèi)平面等分參數(shù)；m0為三維結(jié)構(gòu)模型最大長(zhǎng)度值；r為求解半徑。

根據(jù)以上步驟，將配線(xiàn)空間按一定的方式進(jìn)行分割，從而提高了計(jì)算的效率。

2.2 最短路徑尋找

將螞蟻隨機(jī)置于起始網(wǎng)格[8]，確保每個(gè)通道上的初始點(diǎn)都是相同的，并將其記錄為

τij(0)=τ0

(3)

根據(jù)隨機(jī)比率，選擇下一次要傳送的柵格[9]，并將其選取過(guò)程描述為

(4)

式中：τij為ij上的信息素；ηij為ij邊上的啟發(fā)因子；ηis、τis分別為is邊上被允許訪問(wèn)的柵格集合；α為隨機(jī)參數(shù)，β為調(diào)整因子。

將螞蟻從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算公式表示為

(5)

為防止螞蟻選擇已經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格，使用禁忌表格來(lái)記錄蟻群通過(guò)的網(wǎng)格，確保其在某一時(shí)刻結(jié)束后，完成環(huán)繞，并將每個(gè)螞蟻的行進(jìn)路線(xiàn)都記錄下來(lái)，并保留最小的路線(xiàn)[10]。

由于在選取節(jié)點(diǎn)時(shí)，每一次通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)，都會(huì)更新相鄰節(jié)點(diǎn)的信息素，因此，該更新公式如下：

τi,j=(1-c)τi,j+cτ0

(6)

式中：τ0為鄰近節(jié)點(diǎn)更新時(shí)的初始值；c為可變參數(shù)的取值范圍。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)信息素增量計(jì)算[11]，計(jì)算公式如下所示：

(7)

式中：Lk、Lv、LG分別為螞蟻每次行走時(shí)走過(guò)的路徑參數(shù)；W為螞蟻與螞蟻相遇時(shí)迭代的最優(yōu)解。

每次螞蟻結(jié)束一個(gè)周期，清除禁忌表格[12]，然后回到最初的網(wǎng)格，為下次布線(xiàn)做好準(zhǔn)備，這樣就可以找到最短的布線(xiàn)路線(xiàn)。

3 實(shí)現(xiàn)變電站電纜復(fù)雜空間排布

通過(guò)上述過(guò)程已經(jīng)采用BIM技術(shù)建立起敷設(shè)模型，并尋找了最短敷設(shè)距離，在此基礎(chǔ)上，基于最短路徑，重新對(duì)BIM模型調(diào)整[13]。由于首階段所建立的模型常常不能達(dá)到最佳的狀態(tài)，因此，對(duì)線(xiàn)纜進(jìn)行了二次布置，調(diào)整的范圍包含了每層的線(xiàn)纜的寬度，并對(duì)調(diào)整后的模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，利用 BIM軟件的 navisworks進(jìn)行碰撞檢測(cè)，直至模型碰撞檢測(cè)為0，得出建筑的模型。在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纜鋪設(shè)過(guò)程的自動(dòng)仿真，并根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)不同施工階段的施工參數(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電纜的施工和安裝進(jìn)行了指導(dǎo)。

在模型建立后，確定最優(yōu)施工過(guò)程，突出實(shí)際的電纜排布過(guò)程，如下所示：

(1)出圖紙，調(diào)試完成后，按對(duì)應(yīng)斷面畫(huà)出支架的大致輪廓，在線(xiàn)路較復(fù)雜的部位出斷面[14]；

(2)準(zhǔn)備施工所用材料，對(duì)電纜配盤(pán)，將電纜盤(pán)設(shè)在配電之間；

(3)用鐵絲網(wǎng)將鋼索的頂部緊固，并檢查各連接件的準(zhǔn)備情況，然后進(jìn)行吊裝；

(4)在電纜溝與周邊建筑物側(cè)墻進(jìn)行了開(kāi)孔處理，便于電纜的分流，同時(shí)電纜溝底部至兩側(cè)建筑物地面有傾斜過(guò)度，便于電纜敷設(shè)[15]，整個(gè)施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

(5)施工交底，按照3-D組相應(yīng)剖面的等視圖進(jìn)行技術(shù)交底，保證了虛擬敷設(shè)的結(jié)果與實(shí)際敷設(shè)的結(jié)果相符，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變電站的復(fù)雜空間布局。

4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證所提出的基于蟻群算法的變電站電纜復(fù)雜空間排布方法的有效性，將排管電纜群布置方式的聯(lián)合優(yōu)化方法、長(zhǎng)距離330 kV回流纜優(yōu)化布置方法與所提出的方法對(duì)比，對(duì)比三種方法的排布效果。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)主要包含兩部分，第一部分實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比在有故障物的情況下與沒(méi)有故障物的情況下，三種方法尋找到的最短路徑長(zhǎng)度，第二部分主要對(duì)比在有無(wú)障礙物下三種方法的路徑尋找時(shí)間。實(shí)驗(yàn)1在長(zhǎng)100 m，寬100 m的環(huán)境中進(jìn)行，有障礙物的路徑尋找示意圖如圖4所示。

圖4 有障礙物的路徑尋找示意圖

實(shí)驗(yàn)2中障礙物模型參數(shù)如表1所示。

表1 障礙物模型參數(shù)

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)的對(duì)比結(jié)果如下所示。

4.2 第一部分實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

三種方法在沒(méi)有障礙物的情況下，尋找的最短路徑長(zhǎng)度如圖5所示。

圖5 沒(méi)有障礙物情況下最短路徑長(zhǎng)度

在有障礙物的情況下，所提出的排布方法與另外兩種排布方法路徑尋找長(zhǎng)度如圖6所示。

圖6 有障礙物情況下最短路徑長(zhǎng)度

由圖5和圖6可知，在有障礙物的情況下，三種方法尋找到的路徑長(zhǎng)度明顯多于沒(méi)有障礙物的路徑長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)，在幾條路徑尋找上，所提出方法尋找的路徑長(zhǎng)度是最短的，較另外兩種方法效果好。

4.3 第二部分實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

沒(méi)有障礙物情況下，路徑尋找時(shí)間如表2所示。

表2 無(wú)障礙物下路徑尋找時(shí)間 min

在第二部分中，障礙物的位置已經(jīng)標(biāo)出，分別采用三種方法尋找排布路徑，所花費(fèi)的排布路徑尋找時(shí)間如表3所示。

表3 在有障礙物的情況下路徑尋找時(shí)間 min

基于上述結(jié)果能夠看出，在有無(wú)障礙物情況下，所提出的方法花費(fèi)的時(shí)間較少，較另外兩種方法花費(fèi)的路徑尋找時(shí)間都少。證明所提出的變電站電纜空間排布方法能夠有效降低節(jié)點(diǎn)搜索的重復(fù)數(shù)，減少轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)目，從而縮小了路徑之間的距離，提升施工效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述過(guò)程完成基于蟻群算法的變電站電纜復(fù)雜空間排布方法的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的排布方法能夠在短時(shí)間內(nèi)尋找到最短路徑，并且受到障礙物的影響較小，證明了所提出的方法的有效性。但是研究時(shí)間有限，所提出的方法還需要進(jìn)一步優(yōu)化提高變電站電纜復(fù)雜空間排布效果。