基于麻雀搜索算法的電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

高 揚(yáng), 趙 朋, 李晶潔, 公 昊

(國網(wǎng)冀北電力有限公司 物資分公司, 北京 100075)

近年來我國電力工業(yè)在經(jīng)濟(jì)層面上取得了較為顯著的成績,但是,產(chǎn)業(yè)持續(xù)化建設(shè)仍然面臨著資源緊張和環(huán)境污染等嚴(yán)重問題[1]。電力生產(chǎn)和傳輸是一種連續(xù)、無縫行為,按照不同階段,可以將此過程劃分為基本建設(shè)、生產(chǎn)投運(yùn)和配網(wǎng)銷售等環(huán)節(jié)。當(dāng)前,我國市場內(nèi)的電力企業(yè)可以劃分為兩種類型,一種是發(fā)電商,另一種是電網(wǎng)運(yùn)營商。從目前的電力資源結(jié)構(gòu)層面分析,燃煤機(jī)組的裝機(jī)容量大約占比70%,其優(yōu)勢(shì)在很長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。我國傳統(tǒng)能源只占全球能源比重的10.7%,是發(fā)達(dá)國家的1/10～1/5[2]。此外,目前我國市場內(nèi)的煤炭資源分布非常不平衡,每年電煤產(chǎn)量和需求量都超過了10億t。在電力供應(yīng)日益緊張的情況下,燃煤電廠所面對(duì)的環(huán)保壓力也越來越大。在國家總排放的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn),目前,市場內(nèi)的電力碳排放量超過了總排放量的50%,節(jié)能減排的情況并不樂觀。對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)而言,企業(yè)的環(huán)境保護(hù)壓力并不像火電企業(yè)那樣大,但是也面對(duì)著怎樣去適應(yīng)電力市場改革的問題[3]。一方面,要按照國家能源政策,對(duì)企業(yè)的經(jīng)營策略進(jìn)行調(diào)整;另一方面,要持續(xù)提高自身的管理水平,開拓新的業(yè)務(wù),更好地服務(wù)于社會(huì)及電力用戶。為滿足此方面需求,帶動(dòng)電力企業(yè)的持續(xù)化發(fā)展,在此次研究中,引進(jìn)麻雀搜索算法,對(duì)電力物資綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)優(yōu)化方法展開設(shè)計(jì)研究,旨在提高電力資源的使用率。

1 建立電力物資三級(jí)綠色供應(yīng)鏈模型

為滿足電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化需求,設(shè)計(jì)前可建立電力物資三級(jí)綠色供應(yīng)鏈模型,對(duì)綠色供應(yīng)鏈中參與方、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行分析[4]。在此過程中,應(yīng)明確電力物資綠色供應(yīng)鏈中主要包括電網(wǎng)企業(yè)、電力物資供應(yīng)商、電力資源回收商,其中所有的主體對(duì)象都可以在完全對(duì)稱的信息條件下,進(jìn)行供應(yīng)鏈的理性決策。將綠色供應(yīng)鏈中的3個(gè)主要構(gòu)成對(duì)象作為三級(jí)成員,當(dāng)三級(jí)成員分散決策時(shí),主要由3個(gè)階段構(gòu)成。第1階段為采購階段,主要由供應(yīng)鏈上的電力運(yùn)營企業(yè)制定綠色電力物資的采購價(jià)格和電力廢棄物資的銷售價(jià)格;第2階段為確定電力物資回收條件,電力物資供應(yīng)商根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)制定的采集價(jià)格,確定電力物資的回收條件(電力相關(guān)產(chǎn)品在回收中的綠色度),電力資源回收商將根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)第1階段制定的電力廢棄物資銷售價(jià)格,確定電力廢棄物資的回收數(shù)量[5];第3階段為確定供應(yīng)鏈中最優(yōu)銷售與采購價(jià)格,此過程需要電力物資供應(yīng)商、電力資源回收商共同參與,雙方需要在綜合商議并決策后,將最終確定的價(jià)格信息反饋給電網(wǎng)企業(yè),以此種方式,確定電力物資綠色供應(yīng)鏈回收與銷售的最優(yōu)價(jià)格[6]。通過循環(huán)上述3個(gè)步驟,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力物資三級(jí)綠色供應(yīng)鏈模型的構(gòu)建,此過程中的供應(yīng)鏈模型計(jì)算公式為

(1)

式中:V為電力物資三級(jí)綠色供應(yīng)鏈模型;a為電力相關(guān)產(chǎn)品在回收中的綠色度;R為電力物資供應(yīng)商;N為電力資源回收商;c1為電網(wǎng)企業(yè)1;n為綠色供應(yīng)鏈模型層級(jí);r為電力物資磨損度(損耗程度)。按照上述方式,完成電力物資三級(jí)綠色供應(yīng)鏈模型的構(gòu)建。

2 基于麻雀搜索算法的綠色供應(yīng)鏈局部需求檢索更新

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,引進(jìn)麻雀搜索算法,對(duì)綠色供應(yīng)鏈局部需求進(jìn)行檢索與更新。在此過程中,考慮到電力物資綠色供應(yīng)鏈中不同電網(wǎng)企業(yè)對(duì)于電力物資的需求不同,為確保資源調(diào)度的合理性,進(jìn)行電力物資綠色供應(yīng)鏈的局部尋優(yōu)[7]。該算法是根據(jù)麻雀所具有的群居特性,對(duì)群居行為進(jìn)行仿真優(yōu)化的一種智能算法[8]。局部尋優(yōu)時(shí),基于個(gè)體的能量水平,模擬麻雀的覓食與反捕食行為,不斷地更新麻雀群體中不同地位的個(gè)體的位置,使其在不依靠梯度信息的情況下,構(gòu)造出更小的系統(tǒng)參數(shù),從而獲得更強(qiáng)的局部尋優(yōu)能力[9]。在設(shè)定麻雀的種群數(shù)量、最大迭代次數(shù)、尋優(yōu)條件、節(jié)點(diǎn)數(shù)量等參數(shù)后,按照式(2),進(jìn)行綠色供應(yīng)鏈中電網(wǎng)企業(yè)需求的更新與局部尋優(yōu)[10-11]。

(2)

3 集中型綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)決策

完成上述設(shè)計(jì)后,根據(jù)綠色供應(yīng)鏈中電網(wǎng)企業(yè)的需求,將三級(jí)參與方最大利潤系數(shù)作為目標(biāo)[12-13],采用建立目標(biāo)函數(shù)的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)集中型綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)決策[14]。其中目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

(3)

式中:Gmax為三級(jí)參與方最大利潤系數(shù);P為激勵(lì)補(bǔ)貼;w為綠色供應(yīng)鏈上下游成本收益;D0為帕累托協(xié)調(diào)改進(jìn)系數(shù);h為市場需求系數(shù);μ為電力企業(yè)在市場運(yùn)營中的盈利系數(shù);m為利潤條件。將相關(guān)參數(shù)代入式(3),生成滿足三級(jí)參與方最大利潤Gmax的目標(biāo)函數(shù),根據(jù)調(diào)度實(shí)際情況,對(duì)式(3)中的相關(guān)參數(shù)條件進(jìn)行約束。在確保所有參數(shù)滿足約束條件的前提下,進(jìn)行集中型綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)決策[15],此過程的計(jì)算公式為

(4)

式中:J為集中型綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)決策函數(shù);γ為供應(yīng)鏈中最優(yōu)內(nèi)部努力水平。按照上述方式,實(shí)現(xiàn)集中型綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)決策,完成基于麻雀搜索算法的電力物資綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

電力體制改革并不是簡單地將電力生產(chǎn)中上、下游之間的關(guān)系分割開來,而是要在電力運(yùn)營過程中,將政府的引導(dǎo)作用和市場的調(diào)節(jié)作用充分發(fā)揮出來,以此種方式,更好地配置電力物資,為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供服務(wù)。為滿足此方面需求,完成基于麻雀搜索算法的電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)研究。為檢驗(yàn)該方法在電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化中的應(yīng)用效果,以某地區(qū)微電網(wǎng)為例,設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

選擇某偏遠(yuǎn)地區(qū)的微電網(wǎng)系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象,結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組和光伏發(fā)電系統(tǒng)。柴油發(fā)電機(jī)組可以提供穩(wěn)定的電力供應(yīng),并在需要時(shí)對(duì)充電蓄電池組進(jìn)行充電。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以捕捉太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能,同時(shí)將多余的電能存儲(chǔ)在蓄電池組中。在建設(shè)微電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí),需要選擇符合綠色供應(yīng)鏈要求的供應(yīng)商和制造商,確保所采購的柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組和光伏發(fā)電系統(tǒng)符合環(huán)境管理體系標(biāo)準(zhǔn),并且具備環(huán)保認(rèn)證。在微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中,需要進(jìn)行能源消耗的控制與優(yōu)化。通過合理管理柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間、蓄電池組的充放電控制以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大利用,實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的高效利用,降低碳排放。在此過程中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,分析電網(wǎng)運(yùn)行的基本參數(shù),相關(guān)內(nèi)容見表1。

在掌握電網(wǎng)運(yùn)行基本參數(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)電力運(yùn)營企業(yè)需求及其上、下游電力企業(yè),進(jìn)行電力物資綠色供應(yīng)鏈的構(gòu)建,在電力物資綠色供應(yīng)鏈中,分析各企業(yè)電網(wǎng)中電源參數(shù),將其作為供應(yīng)鏈中的電力物資,相關(guān)內(nèi)容見表2。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上,分析電力物資綠色供應(yīng)鏈中企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行分時(shí)的電價(jià),相關(guān)內(nèi)容見表3。

表3 電力物資綠色供應(yīng)鏈中企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行中的分時(shí)電價(jià)

參照上述內(nèi)容,在實(shí)驗(yàn)前完成電力物資綠色供應(yīng)鏈中電力企業(yè)運(yùn)營相關(guān)參數(shù)的分析與統(tǒng)計(jì),在此基礎(chǔ)上,使用本文的方法,對(duì)電力物資綠色供應(yīng)鏈進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化。優(yōu)化過程中,先建立電力物資三級(jí)綠色供應(yīng)鏈模型,同時(shí),引進(jìn)麻雀搜索算法,進(jìn)行綠色供應(yīng)鏈局部需求的檢索更新,最后,通過對(duì)集中型綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)決策,完成在測(cè)試環(huán)境中的應(yīng)用。

為滿足實(shí)驗(yàn)的對(duì)比需求,引進(jìn)基于Stackelberg博弈理論的綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化方法、基于成本共擔(dān)契約的綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化方法,將其作為傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2。實(shí)驗(yàn)中,為確保結(jié)果的真實(shí)性與規(guī)范性,設(shè)定麻雀搜索算法中,麻雀的種群數(shù)量為300只,最大迭代次數(shù)為500次,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,進(jìn)行個(gè)體尋優(yōu)。對(duì)3種方法協(xié)調(diào)優(yōu)化后,在不同迭代次數(shù)下,將電力物資供應(yīng)成本作為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)。在此過程中,應(yīng)明確相同迭代次數(shù)下,電力物資供應(yīng)成本越低,說明電力企業(yè)的日運(yùn)行成本越低,即電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化效果越好;反之,相同迭代次數(shù)下,電力物資供應(yīng)成本越高,電力企業(yè)的日運(yùn)行成本越高,即電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化效果越差。以此為依據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖1所示。

圖1 3種方法的電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化效果對(duì)比

從圖1所示的結(jié)果可以看出,在相同的條件下,應(yīng)用本文方法的電力物資供應(yīng)成本最低,說明本文方法的電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化效果最好。綜合上述內(nèi)容,可以得到如下結(jié)論:相比傳統(tǒng)方法,本文提出的基于麻雀搜索算法的優(yōu)化方法應(yīng)用效果良好,規(guī)范使用本文的方法進(jìn)行電力物資綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)優(yōu)化,可以有效控制電力物資供應(yīng)成本,以此種方式,確保供應(yīng)鏈中電力企業(yè)的穩(wěn)定收益與持續(xù)化盈利,實(shí)現(xiàn)對(duì)市場內(nèi)電力企業(yè)發(fā)展的全面深化。

5 結(jié)語

隨著我國電力市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對(duì)新能源的需求不斷增加,產(chǎn)業(yè)“環(huán)境友好”和“可持續(xù)發(fā)展”的需求也越來越強(qiáng)烈。因此,改變傳統(tǒng)的外延式成長模式,實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營模式的轉(zhuǎn)型,已成為當(dāng)前電力企業(yè)在發(fā)展中的一個(gè)重要課題。在資源與環(huán)境的雙重制約下,電力企業(yè)要走可持續(xù)發(fā)展之路,就必須以新的經(jīng)營思想為指導(dǎo)。目前,關(guān)于電力物資供應(yīng)鏈方面的研究成果較少,而且缺乏深度,為滿足行業(yè)發(fā)展的需求,引進(jìn)麻雀搜索算法,通過建立電力物資三級(jí)綠色供應(yīng)鏈模型、綠色供應(yīng)鏈局部需求檢索更新、集中型綠色供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)決策,對(duì)電力物資綠色供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)優(yōu)化方法展開了設(shè)計(jì)研究。完成設(shè)計(jì)后,通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),證明了本文的方法可以有效控制電力物資供應(yīng)成本,確保供應(yīng)鏈中電力企業(yè)的穩(wěn)定收益與持續(xù)化盈利。