發(fā)布時(shí)間：2021-12-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：傳統(tǒng)地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃主要考慮供電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性，難以最大程度實(shí)現(xiàn)資源利用和共享。為實(shí)現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)的資源共享性，提出結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和電量特征的共享性指標(biāo)，構(gòu)建考慮共享性指標(biāo)的地鐵供電系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型。以南京地鐵 5、6、9 和 11 號(hào)線為例，利用 MAT
摘要：傳統(tǒng)地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃主要考慮供電系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性，難以最大程度實(shí)現(xiàn)資源利用和共享。為實(shí)現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)的資源共享性，提出結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和電量特征的共享性指標(biāo)，構(gòu)建考慮共享性指標(biāo)的地鐵供電系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型。以南京地鐵 5、6、9 和 11 號(hào)線為例，利用 MATLAB 搭建仿真模型，驗(yàn)證了該雙層規(guī)劃模型的有效性。
關(guān)鍵詞：地鐵供電系統(tǒng);電力系統(tǒng)規(guī)劃;雙層規(guī)劃模型;資源共享
地鐵作為城市軌道交通的代表，具有快速、安全、準(zhǔn)時(shí)、無污染以及載客量大等特點(diǎn)，成為了緩解大中型城市交通擁堵壓力的首選方案[1-3] 。可靠、有效、完善的供電，是地鐵其他系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，是所有地鐵用戶的基本要求[4-5] 。與常規(guī)的配電網(wǎng)相比，地鐵供電系統(tǒng)有其獨(dú)特的特點(diǎn)，它由牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明供電系統(tǒng)組成[6] ，其中牽引供電系統(tǒng)采用直流供電的方式。通常地鐵供電系統(tǒng)外部電源由城市電網(wǎng)進(jìn)行供電，主要有集中供電方式、分散供電方式和混合供電方式[7] 。地鐵供電系統(tǒng)與配電網(wǎng)規(guī)劃有諸多相似住處，但是地鐵供電系統(tǒng)負(fù)荷具有時(shí)序性、非線性和移動(dòng)性的特點(diǎn)[8] ，無法同一而論。
地鐵供電系統(tǒng)設(shè)施的布局影響著地鐵供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行[9] 。文獻(xiàn)[10]通過牽引計(jì)算和潮流分析將 2 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)[11]針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)外部電源供電方式進(jìn)行分析比較，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。目前，對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃仍是基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停槍?duì)單一線路進(jìn)行規(guī)劃，較少考慮宏觀與微觀協(xié)調(diào)規(guī)劃。如何對(duì)地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)行分層規(guī)劃、合理布局，并針對(duì)共享性的原則合理利用資源，具有重要意義。
傳統(tǒng)供電系統(tǒng)規(guī)劃以可靠性與經(jīng)濟(jì)性為主要規(guī)劃指標(biāo)。文獻(xiàn)[12]提出了計(jì)及負(fù)荷、電價(jià)和土地價(jià)格不確定性的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，建立了以配電網(wǎng)主站全壽命周期成本最低為目標(biāo)的規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[13]提出了考慮切負(fù)荷成本以及供電不足期望成本的可靠性指標(biāo)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)估，提出可靠性的評(píng)估指標(biāo)，利用最小評(píng)估法實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估。文獻(xiàn)[15-20]運(yùn)用改進(jìn)的基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最小代價(jià)多播路由算法建立配電網(wǎng)規(guī)劃模型，并提出了組合邊的概念，以組合邊的形式參與邊的動(dòng)態(tài)迭代，獲得總體費(fèi)用最小的優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果。
目前，關(guān)于供電系統(tǒng)規(guī)劃的文獻(xiàn)考慮資源共享性的很少。因此，如何協(xié)調(diào)地鐵供電系統(tǒng)各類資源、構(gòu)建地鐵供電系統(tǒng)共享性指標(biāo)、實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，具有重要意義。
本文針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的資源共享性以及地鐵供電系統(tǒng)的分層規(guī)劃布局，首先通過結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和電量特征提出共享性指標(biāo)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性與可靠性，提出基于資源共享的地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃指標(biāo);其次提出地鐵供電系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型，其中包括地鐵供電系統(tǒng)的上層規(guī)劃以及下層規(guī)劃。最后以南京地鐵五、六、九和十一號(hào)線為例，構(gòu)建地鐵供電系統(tǒng)仿真模型，并制定相應(yīng)供電系統(tǒng)規(guī)劃方案進(jìn)行方案比選，驗(yàn)證了所提出的基于資源共享性的地鐵供電系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型的有效性性。
1 基于資源共享的地鐵供電規(guī)劃指標(biāo)
地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃指標(biāo)主要針對(duì)主站的規(guī)劃以及供電系統(tǒng)網(wǎng)架進(jìn)行規(guī)劃。主站規(guī)劃應(yīng)首先滿足主站負(fù)載率以及主站供電半徑 2 個(gè)約束條件;供電系統(tǒng)網(wǎng)架規(guī)劃應(yīng)滿足功率平衡、線路容量、節(jié)點(diǎn)電壓、網(wǎng)絡(luò)輻射性和連通性等約束條件[21-23] 。3 個(gè)指標(biāo)關(guān)系如圖 1 所示。
1.1 共享性指標(biāo)
地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃為提高資源共享性、減少投資，在已建成主站的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)容。為了基于資源共享進(jìn)行地鐵供電系統(tǒng)的規(guī)劃，擬提出結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和電量特征的共享性指標(biāo)[24-25] 。
1.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)
經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是在滿足功率平衡、線路容量和節(jié)點(diǎn)電壓等約束條件的基礎(chǔ)上，以降低初始投資、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用以及線路損失功率為目標(biāo)[26-27] 。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[16]
1.3 可靠性指標(biāo)
可靠性為地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃的首要目標(biāo)，本文擬通過系統(tǒng)切負(fù)荷概率和功率不足期望來衡量地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃方案的優(yōu)劣[28-30] 。
2 多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的雙層規(guī)劃模型
地鐵供電系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型是基于第 1 節(jié)綜合優(yōu)化指標(biāo)而構(gòu)建的，包含有上層規(guī)劃模型和下層規(guī)劃模型，其中上層為多線路宏觀規(guī)劃模型，下層為具體線路微觀規(guī)劃模型。如圖 2 所示，上層作為決策層，可以根據(jù)自己的決策目標(biāo)對(duì)下層進(jìn)行調(diào)控;下層的決策目標(biāo)也會(huì)影響上層，構(gòu)成一種相互制約相互影響的主從關(guān)系[31-32] 。
2.1 上層規(guī)劃模型(多線路宏觀規(guī)劃)
上層規(guī)劃模型是基于資源共享的規(guī)劃指標(biāo)，針對(duì)多條線路開展的宏觀規(guī)劃主要包括多線路主站的選址和定容。
2.2 下層規(guī)劃模型(具體線路微觀規(guī)劃)
在上層規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，利用已建主站以及原有網(wǎng)架滿足資源共享性的要求，針對(duì)具體一條線路進(jìn)行規(guī)劃，制定相應(yīng)的下層規(guī)劃模型。下層規(guī)劃模型是具體線路優(yōu)化所建立的規(guī)劃模型，其中包括牽引網(wǎng)架的構(gòu)建和牽混所的選址定容等。
1)針對(duì)地鐵多條線路供電系統(tǒng)進(jìn)行宏觀規(guī)劃，主要針對(duì)主站的選址定容構(gòu)建上層規(guī)劃模型。
2)針對(duì)具體某一條地鐵線路供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要針對(duì)牽混所的選址定容，構(gòu)建下層規(guī)劃模型。
3)利用遺傳算法對(duì)已構(gòu)建的方案進(jìn)行尋優(yōu)迭代，當(dāng)滿足收斂結(jié)果以后輸出最優(yōu)解。
3 算例及分析
3.1 方案構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)
算例以南京地鐵實(shí)際線路供電系統(tǒng)規(guī)劃為例，驗(yàn)證本文提出的基于資源共享的雙層規(guī)劃模型。針對(duì)南京地鐵待建 11 號(hào)線進(jìn)行供電系統(tǒng)規(guī)劃，擬建地鐵線路概況如表 1 所示。
先進(jìn)行多條線路的上次規(guī)劃：根據(jù)以往地鐵規(guī)劃實(shí)際，每條線路需要新建 2 個(gè)主站進(jìn)行供電。先應(yīng)用上層規(guī)劃模型對(duì)各條線路的主站進(jìn)行規(guī)劃，再進(jìn)行單條線路的下層具體規(guī)劃，包括牽引站和降壓站的選址定容等。
根據(jù) 2.1 小節(jié)內(nèi)容，構(gòu)建 11 號(hào)線的地鐵上層規(guī)劃模型。該模型是以主站及其低壓側(cè)線路的初始投資和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最小為主要目標(biāo)的主站規(guī)劃模型。
由于電源規(guī)劃經(jīng)濟(jì)性的要求，應(yīng)首先考慮利用規(guī)劃線路附近已建主所，增加供電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)資源的共享性。各已有共享主站情況如表 2 所示。
根據(jù)已有地鐵數(shù)據(jù)和 2.2 小節(jié)所提出的雙層規(guī)劃模型，進(jìn)行規(guī)劃方案求解。上層規(guī)劃模型求解包含地鐵 11 號(hào)線主站的容量與選址，下層規(guī)劃模型求解包含地鐵 11 號(hào)線牽混所的容量與選址。在 MATLAB 上搭建本文的雙層規(guī)劃模型，利用遺傳算法進(jìn)行規(guī)劃方案求解。根據(jù)本文第 2 節(jié)雙層規(guī)劃的內(nèi)容，設(shè)定式(13)和式(23)為最終目標(biāo)函數(shù)。初始種群設(shè)定為式(14)—式(18)和式(24)、式(25)。個(gè)體經(jīng)過復(fù)制、交叉、變異得到新一代種群，直到滿足收斂準(zhǔn)則，得到最適應(yīng)值。
利用遺傳算法針對(duì)地鐵雙層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可求得收斂曲線以及收斂解，如圖 6 所示。得到最終優(yōu)化結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)為 88 070.79，其中上層規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)值為 48 521，下層規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)值為 39 549.79。
根據(jù)遺傳算法優(yōu)化結(jié)果，擬構(gòu)建上層規(guī)劃線路：11 號(hào)線采用方案利用既有朱石路主所及新建浦江主所供電。朱石路主站所配備設(shè)備為 2×40 MV·A 主變壓器;浦江主站設(shè)備為近期 2×50 MV·A 主變壓器，并按照 2×63 MV·A 主變壓器預(yù)留土建基礎(chǔ)。主站規(guī)劃方案如圖 6 所示。
在上層規(guī)劃模型基礎(chǔ)上，地鐵 11 號(hào)線供電系統(tǒng)下層規(guī)劃擬定方案如下：正線設(shè)置 12 座牽引變電所，牽引變電所最大間距為 3.06 km，最小間距1.43 km，平均間距 2.35 km;車輛段設(shè)置 1 座。正線牽引所分布及間距如表 3 所示。相同位置建設(shè)降壓變電所，即本算例的規(guī)劃方案 1。
3.2 與傳統(tǒng)方案對(duì)比
如果應(yīng)用傳統(tǒng)規(guī)劃方法，不考慮資源共享性，地鐵 11 號(hào)線主站方案 2 將設(shè)計(jì)如下：利用新建浦江主所以及高家沖主所供電。對(duì)于地鐵線路中牽混所規(guī)劃，由于牽混所部署在地鐵站點(diǎn)，所以其規(guī)劃方案與采用雙層規(guī)劃模型的下層規(guī)劃模型相同。
為進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于 2 個(gè)方案經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行模擬計(jì)算。考慮方案貼現(xiàn)率 r0 取值 0.5、主所設(shè)備折舊年限 m 為 20 年和網(wǎng)架線路折舊年限 n 為 30 年，根據(jù) 1.2 小節(jié)所提出的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如表 4 所示。
由表 4 可知：
1)考慮雙層規(guī)劃模型的設(shè)計(jì)方案具有良好的經(jīng)濟(jì)性，其一次投資所需費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不考慮雙層規(guī)劃模型的方案，證明了雙層規(guī)劃模型在經(jīng)濟(jì)上的有效性。
2)2 個(gè)方案同時(shí)考慮了規(guī)劃和運(yùn)行 2 個(gè)部分，為了讓這 2 部分時(shí)間尺度統(tǒng)一，本算例考慮方案貼現(xiàn)率以及折舊年限，將一次投資規(guī)劃的所需費(fèi)用折算到 1 年，與年維護(hù)費(fèi)用時(shí)間尺度相同。
對(duì) 2 個(gè)方案進(jìn)行共享性模擬計(jì)算，根據(jù) 1.1 小節(jié)所提出的共享性指標(biāo)，計(jì)算得出相應(yīng)的共享性指標(biāo)結(jié)果如表 5 所示。
由表 5 可知：
1)考慮雙層規(guī)劃模型的設(shè)計(jì)方案具有良好的共享性，證明了基于資源共享的地鐵供電系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型在共享性方面具有優(yōu)越性。
2)共享性指標(biāo)同時(shí)模擬了地鐵規(guī)劃層面和運(yùn) 行層面，其可通過經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及所需的負(fù)荷來體現(xiàn)。
4 結(jié)論
本文在規(guī)劃階段引入雙層規(guī)劃模型，以解決地鐵供電系統(tǒng)的資源共享及優(yōu)化問題。通過本文模型分析以及算例方案對(duì)比，
得出結(jié)論如下：
1)本文提出的地鐵供電系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型，可以有效求解地鐵供電系統(tǒng)規(guī)劃方案，相比較傳統(tǒng)規(guī)劃模型具有更好的經(jīng)濟(jì)性以及共享性，大大節(jié)省了成本以及資源損耗。
2)本文提出的基于資源共享的地鐵供電系統(tǒng)的優(yōu)化指標(biāo)，能夠?yàn)榈罔F供電系統(tǒng)規(guī)劃提供有效指導(dǎo)，可以有效檢驗(yàn)地鐵供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、共享性和可靠性。因此，今后工作應(yīng)在雙層規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，考慮綜合優(yōu)化指標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。
3)地鐵供電系統(tǒng)方案規(guī)劃需要宏觀與微觀的協(xié)調(diào)規(guī)劃，以提高資源利用的有效性，實(shí)現(xiàn)地鐵多條線路的全面融合，為將來更多地鐵線路規(guī)劃提供可利用的設(shè)備空間以及可用電量。——論文作者：延巧娜1 ，陳庭記1 ，邵雷2 ，周濤3
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