基于資源共享的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估

蔡彬彬,延巧娜,劉江濤,邵雷,周濤

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210037；2.南京電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210037；3.南京能云電力科技有限公司，江蘇 南京 211100；4.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

目前，地鐵由于其快速、安全、準(zhǔn)時(shí)、無污染的特點(diǎn)，被中大型城市廣泛采用并大力發(fā)展[1-4].在實(shí)際地鐵運(yùn)營(yíng)期間，地鐵供電系統(tǒng)是為地鐵系統(tǒng)提供所需的電能，供電系統(tǒng)不僅為地鐵提供牽引電力，還為其他諸如通風(fēng)、照明、給排水、通信等設(shè)施提供電力.地鐵供電系統(tǒng)對(duì)地鐵的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的地鐵供電系統(tǒng)是地鐵正常運(yùn)行的必要條件[5-7].由于地鐵負(fù)荷存在時(shí)序性、非線性、移動(dòng)性的特點(diǎn)，地鐵供電系統(tǒng)有獨(dú)有的特點(diǎn)以及獨(dú)有的運(yùn)行方式，因此對(duì)地鐵供電系統(tǒng)需要做具體的分析[8-10].

地鐵供電系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)估一般借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)估經(jīng)驗(yàn).傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的綜合評(píng)估方法包括層次分析法、熵權(quán)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等.文獻(xiàn)[11]通過提取電力大數(shù)據(jù)集每個(gè)時(shí)刻關(guān)鍵屬性數(shù)據(jù)，建立基于電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)集的電網(wǎng)有功網(wǎng)損評(píng)估模型.文獻(xiàn)[12]提出利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行架空輸電線路狀態(tài)評(píng)估，建立基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)評(píng)估模型，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)特有的雙向推理技術(shù)，推理判斷線路的運(yùn)行狀態(tài).文獻(xiàn)[13]針對(duì)一般供電系統(tǒng)，考慮指標(biāo)的差異化，將指標(biāo)分為效益型、成本型、適度型三種，根據(jù)指標(biāo)的實(shí)際特征制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).地鐵供電系統(tǒng)需要充分考慮地鐵線路的特殊性、負(fù)荷的時(shí)序性、供電系統(tǒng)的復(fù)雜性.但如何構(gòu)建地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估對(duì)地鐵運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估至關(guān)重要，目前針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)估的研究依然較少.

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估主要針對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等方面，地鐵供電系統(tǒng)仍然需要考慮資源共享性.為最大限度節(jié)約資源，地鐵供電系統(tǒng)建設(shè)之初需要進(jìn)行統(tǒng)一的供電系統(tǒng)規(guī)劃，對(duì)供電系統(tǒng)主變電所進(jìn)行科學(xué)共享，有效提高資源共享性，節(jié)約建設(shè)成本.這種資源共享性方案可以有效應(yīng)用于地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃中，但是目前地鐵供電系統(tǒng)較少考慮共享性.文獻(xiàn)[14]通過牽引計(jì)算和潮流分析將兩種供電方式進(jìn)行比較，指出在北京新的地鐵規(guī)劃方案下，地鐵采用集中供電方式將顯示出更大優(yōu)勢(shì).文獻(xiàn)[15]以供電可靠性提升為目標(biāo),對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃和臺(tái)區(qū)運(yùn)維進(jìn)行了研究,構(gòu)建了基于k-means聚類和模擬退火遺傳算法的供電網(wǎng)格化劃分模型,提出了基于多目標(biāo)的規(guī)劃決策方法.目前較少文獻(xiàn)提出有關(guān)地鐵供電系統(tǒng)的共享性指標(biāo)，構(gòu)建合理的地鐵供電系統(tǒng)共享性指標(biāo)具有重要意義.

針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文首先提出基于資源共享的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建地鐵運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)構(gòu)造矩陣，求各指標(biāo)因素權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，根據(jù)評(píng)判因素權(quán)重計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，并應(yīng)用模糊狼群算法優(yōu)化評(píng)估矩陣，形成綜合評(píng)估體系.

1 基于模糊狼群算法的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估

基于地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估需要考慮指標(biāo)之間的差異和貢獻(xiàn)率，權(quán)重計(jì)算可以有效綜合評(píng)判各指標(biāo).針對(duì)上述問題，采用模糊狼群算法進(jìn)行地鐵運(yùn)行評(píng)估，通過指標(biāo)模糊處理和多種群的輪流迭代，完成地鐵運(yùn)行評(píng)估，保證了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1.1 基于共享性的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)

地鐵供電系統(tǒng)由電源側(cè)和地鐵供電線路組成.利用原有已建成的主站，可以實(shí)現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)的共享性.針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面，基于共享性的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)綜合考慮了地鐵供電系統(tǒng)共享性的優(yōu)勢(shì)，可以有效評(píng)估地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行工況[15].

1.2 模糊狼群算法

狼群算法是模擬自然界狼群行為，算法包括兩個(gè)準(zhǔn)則和三種智能行為，即“勝者為王”的頭狼產(chǎn)生規(guī)則和“強(qiáng)者生存”的狼群更新原則以及探狼游走、頭狼召喚和狼群圍攻三種行為構(gòu)成.另外狼群是捕獲獵物后并不是平均分配，而是按照由強(qiáng)到弱的方式分配，即先分配給最先捕到獵物的狼，再分配給弱小的狼[16].

模糊狼群算法首先是針對(duì)輸入值進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，確定各輸入值的隸屬度.按照隸屬度排序后初始化精英探狼法進(jìn)行迭代.精英探狼尋優(yōu)法是指每次狼群跟隨探狼進(jìn)行狩獵迭代時(shí)，計(jì)算全部狼的適應(yīng)度值進(jìn)行計(jì)算并排序，選擇前s%構(gòu)成精英探狼群XLi，然后取XLi的中心[16].地鐵運(yùn)行評(píng)估數(shù)據(jù)的廣泛性、各變量關(guān)系的不確定性以及運(yùn)行數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，正適合運(yùn)用狼群算法.如式(1)所示：

(1)

式中，T表示精英狼群的個(gè)數(shù).

為了提高算法尋優(yōu)能力，狼群中探狼和其余狼更改尋優(yōu)方式為：

Xij(t+1)=XLCj+ωε[Gbestj-Xkj(t)]

(2)

式中：ε為隨機(jī)數(shù)，取值為[0,1]；Gbest為第j維當(dāng)前全局最優(yōu)；ω為遞減慣性，計(jì)算公式：

(3)

式中，D、Dmax分別為當(dāng)前迭代次數(shù)和最大迭代次數(shù).

采用改進(jìn)的狼群算法有效解決了原狼群算法中探狼游走方向固定、游走步長(zhǎng)不能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、人工狼之間缺乏信息交流、頭狼不參與智能行為等缺點(diǎn)，從全局性、收斂速度、收斂精度和魯棒性等四個(gè)方面對(duì)狼群算法進(jìn)行改進(jìn).最終流程圖如圖1所示.

圖1 模糊狼群算法流程圖

1.3 評(píng)判因素權(quán)重計(jì)算

對(duì)于一般求取運(yùn)行評(píng)估中的整體評(píng)估結(jié)果，需要在各指標(biāo)前乘上權(quán)重因子.指標(biāo)權(quán)重用于反映指標(biāo)在評(píng)估體系中的重要程度，通過在各指標(biāo)前施加合適的系數(shù)，最終可得到運(yùn)行評(píng)估的綜合評(píng)估值.基于上述第二章的指標(biāo)，本文提出的整體評(píng)估公式如下：

(4)

科學(xué)合理的權(quán)重是保證評(píng)估體系可靠正確的關(guān)鍵.通常權(quán)重因子的確定方法，主要是利用層次分析法、組合賦權(quán)法、專家打分法等.模糊狼群算法憑借其全局性，收斂速度，精確度上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠明顯改善原有的運(yùn)行評(píng)估體系.

基于模糊狼群算法的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估體系的權(quán)重計(jì)算如圖2所示，其具體計(jì)算步驟如下：

圖2 基于模糊狼群算法的權(quán)重計(jì)算流程圖

步驟1：基于上述的模糊狼群算法，構(gòu)建地鐵運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)構(gòu)造矩陣，求出各指標(biāo)因素權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，根據(jù)評(píng)判因素權(quán)重計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，確定各因素隸屬度;

步驟2：針對(duì)各因素隸屬度進(jìn)行排序，并初始化狼群算法;

步驟3：采用精英探狼尋優(yōu)法根據(jù)迭代公式進(jìn)行迭代，將迭代結(jié)果代入優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)得出適應(yīng)值，計(jì)算地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)估結(jié)果.

2 算例分析

為了驗(yàn)證基于資源共享的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估的有效性，本文以南京地鐵一號(hào)線、三號(hào)線、五號(hào)線為例進(jìn)行算例分析[17].

首先對(duì)地鐵運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取的數(shù)據(jù)還包括地鐵結(jié)構(gòu)信息、地鐵牽引站位置及容量信息、地鐵負(fù)荷信息、地鐵運(yùn)行信息、可靠性需求信息、地鐵故障信息，對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括數(shù)據(jù)去噪處理、對(duì)采集缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充處理、對(duì)有誤或超過許可范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理，并將處理后的數(shù)據(jù)提供給評(píng)估指標(biāo)體系使用[18].指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1、表2所示.

表1 南京地鐵安全性和可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 南京地鐵經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)第一章所提出的權(quán)重計(jì)算，本文先計(jì)算二級(jí)權(quán)重計(jì)算.利用A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3表示九個(gè)二級(jí)指標(biāo).結(jié)合指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)程度以及重要性，通過模糊評(píng)判，構(gòu)建指標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣，如表3所示.

表3 權(quán)重模糊計(jì)算的關(guān)聯(lián)矩陣

可以求出初試權(quán)重參數(shù)為：

根據(jù)模糊狼群算法迭代后計(jì)算結(jié)果，修正后主觀權(quán)重,如表4所示.

表4 算法修正后的權(quán)重值

代入地鐵供電系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可求得各線路綜合評(píng)分，按式(4)進(jìn)行計(jì)算，最終所求的計(jì)算結(jié)果,如表5所示.

表5 地鐵評(píng)估綜合指數(shù)

從表可知，本文所提出的運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)能有效反映南京地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行情況.分別從整體發(fā)展水平以及單一指標(biāo)對(duì)比分析，通過上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，模糊狼群算法可以有效優(yōu)化權(quán)重矩陣，使得各指標(biāo)在運(yùn)行評(píng)估中更為合理.

通過對(duì)上表進(jìn)行分析，從整體指標(biāo)去看，地鐵三號(hào)線整體運(yùn)行質(zhì)量明顯優(yōu)于其他兩條線路，也可充分證明其資源更具共享性，同時(shí)也因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之初為了滿足三號(hào)線遠(yuǎn)期負(fù)荷運(yùn)行，其資源共享性也更好.

從單一指標(biāo)來看，五號(hào)線可靠性明顯優(yōu)于其他兩條線路，一號(hào)線擁有較好的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo).從建設(shè)時(shí)間上看，一號(hào)線建設(shè)更早，五號(hào)線建設(shè)時(shí)間較晚，因此在設(shè)計(jì)之初存在有差異在所難免.三者各有優(yōu)勢(shì)，發(fā)展均不平衡、不充分.

3 結(jié)論

本文基于資源共享性對(duì)地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估展開研究，提出了新的運(yùn)行評(píng)估指標(biāo).利用改進(jìn)的狼群算法優(yōu)化評(píng)估矩陣，形成綜合評(píng)估體系.最后利用南京地鐵三條線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文方法的有效性.通過算例分析可以得到以下結(jié)論：

(1)改進(jìn)的模糊狼群算法能夠有效優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重矩陣，可以使各指標(biāo)在運(yùn)行評(píng)估系統(tǒng)中所占比重以及各指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)度更有效;

(2)基于資源共享性的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)，可充分反映地鐵供電系統(tǒng)的資源共享性，也可以用以反映各地鐵供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性;

(3)本文所提出的地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估能夠有效地對(duì)實(shí)際地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，提高電網(wǎng)效率、優(yōu)化資源配置和保障地鐵安全運(yùn)行.

致謝：本文受南京電力設(shè)計(jì)研究院項(xiàng)目資助(SGTYHT/18-JS-206)，特此致謝！