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

應(yīng)急電力物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)是對(duì)電力調(diào)度穩(wěn)定性的重要保障，免除自然災(zāi)害對(duì)電力調(diào)度穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)，對(duì)比該系統(tǒng)在不同自然災(zāi)害中的性能。在硬件結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)復(fù)位電路，增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)配速度。在軟件結(jié)構(gòu)中，建立電力應(yīng)急物資智能調(diào)配函數(shù)模型，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)反饋信息，計(jì)算自然災(zāi)害下物資需求量，設(shè)計(jì)智能調(diào)配優(yōu)化算法。以地震、洪水、臺(tái)風(fēng)作為自然災(zāi)害的變量，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同自然災(zāi)害下該系統(tǒng)的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，地震災(zāi)害需要的調(diào)配資金為12739.01元，洪水災(zāi)害需要調(diào)配資金14556.74元，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害需要資金10057.3元。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)在三種自然災(zāi)害中均有較好的效果，其中臺(tái)風(fēng)災(zāi)害所需成本最少。

電網(wǎng)安全是所有電力調(diào)度的核心問(wèn)題，也是保證國(guó)家安全，社會(huì)正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到外界影響較大，如果外界受到自然災(zāi)害或其他災(zāi)害的影響，則電力設(shè)施會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，此時(shí)就需要電力應(yīng)急物資的支持。因此需要在電力網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置若干電力應(yīng)急物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)，作為災(zāi)害發(fā)生時(shí)的保障。

為更好地解決災(zāi)害區(qū)域的電力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急物資調(diào)配問(wèn)題，考慮了約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，并在綜合代價(jià)成本評(píng)估模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于多層代碼的遺傳算法，并選取了全局最優(yōu)的物資管理地點(diǎn)。該方法雖然可以選擇最佳地址，但是對(duì)系統(tǒng)的物資配送路徑?jīng)]有明確地表示?；诘缆返目尚迯?fù)性，設(shè)計(jì)了一種可以兼顧多種道路運(yùn)載模型的目標(biāo)函數(shù)，減少了物資運(yùn)載調(diào)配的時(shí)間以及其消耗的成本，并改進(jìn)智能算法獲取最優(yōu)物資調(diào)度方案。該方法可以在調(diào)度時(shí)間及成本中獲取較理想的效果，但是沒(méi)有建立一個(gè)集成的系統(tǒng)，對(duì)硬件層面沒(méi)有較好的優(yōu)化方法。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在硬件與軟件兩個(gè)層面，設(shè)計(jì)了一種可以更好地調(diào)度物資儲(chǔ)備的系統(tǒng)。通過(guò)電源電路保證硬件的可持續(xù)運(yùn)行，建立軟件層面的數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇最佳地質(zhì)，連接最優(yōu)調(diào)度路線，減少調(diào)度時(shí)間。該系統(tǒng)提出了調(diào)度系統(tǒng)硬件層面的優(yōu)化方法，但是沒(méi)有綜合多種災(zāi)害模型分別求解。

本文綜合以上內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)，優(yōu)化硬件與軟件技術(shù)，綜合三種最常見(jiàn)的自然災(zāi)害，對(duì)電力應(yīng)急物資的調(diào)配方法做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理硬件系統(tǒng)

在電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)配速度較慢的情況，因此設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，可以適當(dāng)增強(qiáng)微處理器模塊的性能。微處理器模塊一般包括電源電路、時(shí)鐘模塊、復(fù)位電路、穩(wěn)壓芯片以及處理器芯片等，在本文的設(shè)計(jì)中，以微處理器芯片STM45作為協(xié)議的通訊接口，設(shè)置參考電壓為3V，工作電流為5A，將MR引腳作為低電平的復(fù)位信號(hào)，則可以設(shè)計(jì)復(fù)位電路如圖1所示。

圖1 復(fù)位電路示意圖

圖1中，在低電平的STM45芯片復(fù)位電路中，可以將手動(dòng)復(fù)位功能作為一種電壓檢測(cè)芯片。若電源電壓抵御3V，則圖1中的SET引腳會(huì)變?yōu)橐环N更低的電平芯片；若電源電壓高于3V，則圖1中的VRR引腳會(huì)變?yōu)槌^(guò)100ms的高電平裝置。這樣一來(lái)，芯片會(huì)直接通過(guò)OFF1和OFF2傳送復(fù)位信號(hào)給電源電路，則此時(shí)的電阻R1和R2都會(huì)通過(guò)連接不同路徑的方式降低噪聲點(diǎn)的干擾作用。將該復(fù)位電路安裝在基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)中，電壓的精度指標(biāo)可以直接達(dá)到0.16%，這樣的系統(tǒng)硬件會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)配速度。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理軟件系統(tǒng)

2.1 建立電力應(yīng)急物資智能調(diào)配函數(shù)模型

在基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)中，想要在滿足需求量與運(yùn)輸時(shí)間的共同約束下，建立一個(gè)最小化的目標(biāo)函數(shù)，可以以物資和運(yùn)輸費(fèi)用為基礎(chǔ)，此時(shí)的函數(shù)公式為：

式中，F(xiàn)n表示電力應(yīng)急物資的調(diào)配數(shù)量；fij表示在電力應(yīng)急物資儲(chǔ)備點(diǎn)i向電力節(jié)點(diǎn)j中出送物資的費(fèi)用；表示電力節(jié)點(diǎn)j中接收由儲(chǔ)備點(diǎn)i中輸送的物資費(fèi)用。該函數(shù)模型的約束函數(shù)包括儲(chǔ)備點(diǎn)約束、資金約束、時(shí)間約束等，約束條件為：

式中，ai表示在備選點(diǎn)a中的儲(chǔ)備變量；bi表示在備選點(diǎn)b中的儲(chǔ)備變量；fu表示建設(shè)應(yīng)急物資供給點(diǎn)的費(fèi)用；F表示供給點(diǎn)的總投資份額；φt表示應(yīng)急物資到達(dá)規(guī)定地點(diǎn)的最大時(shí)間；uab表示自a點(diǎn)到達(dá)b點(diǎn)的實(shí)際時(shí)間；wc表示運(yùn)輸時(shí)間的限制。

通過(guò)該目標(biāo)函數(shù)和約束條件，可以計(jì)算最短的配送線路。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算自然災(zāi)害下物資需求量

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)可以將不同的電力應(yīng)急物資儲(chǔ)備點(diǎn)連接在一起，設(shè)物資儲(chǔ)備點(diǎn)的數(shù)量為M時(shí)，可以設(shè)置一個(gè)集合P={Pz|z=1, 2,L,M}。若根據(jù)自然災(zāi)害來(lái)記錄物聯(lián)網(wǎng)下的物資需求值，則某地發(fā)生自然災(zāi)害后的電力事故發(fā)生概率為：

此時(shí)各物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)電力應(yīng)急物資的需求量計(jì)算公式為：

式中，fs表示在第s個(gè)自然災(zāi)害下，某電力節(jié)點(diǎn)對(duì)電力應(yīng)急物資的需求量；emw表示自然災(zāi)害引發(fā)的電力事故等級(jí)；Aw表示配送點(diǎn)與需求點(diǎn)的第w條路徑。

通過(guò)該公式，可以求出不同自然災(zāi)害下各物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的物資需求量。

2.3 設(shè)計(jì)智能調(diào)配優(yōu)化算法

在設(shè)計(jì)算法的過(guò)程中，需要計(jì)算出運(yùn)輸速度與路程的關(guān)系式，并以此得到智能調(diào)配的優(yōu)化算法，算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程

根據(jù)該算法，得到運(yùn)輸時(shí)間與速度關(guān)系式為：

式中，Xij表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的總路程；Tij表示兩地往返所需的時(shí)間；vs表示運(yùn)輸車(chē)的運(yùn)行速度；μx表示時(shí)間與速度的影響因數(shù)。

通過(guò)該算法，可以得到電力應(yīng)急物資的智能調(diào)配結(jié)果。

3 算例分析

上文對(duì)受災(zāi)地區(qū)的電網(wǎng)應(yīng)急物資調(diào)配最優(yōu)路線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并建立了一個(gè)調(diào)配管理系統(tǒng)。在本實(shí)驗(yàn)中，以某地區(qū)的電力系統(tǒng)為例，提出了不同自然災(zāi)害下的條件假設(shè)，在電力網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上測(cè)試了本文系統(tǒng)在不同災(zāi)害下的調(diào)配效果。

3.1 電力應(yīng)急物資網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

以某城市的電網(wǎng)為例，提取某一片受災(zāi)區(qū)域的電力核心架構(gòu)，10個(gè)電力節(jié)點(diǎn)以及3個(gè)供應(yīng)節(jié)點(diǎn)組成的電網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。圖3電網(wǎng)中共有10個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)供應(yīng)節(jié)點(diǎn)。以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在X軸與Y軸內(nèi)分別標(biāo)出13個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)軸，并計(jì)算個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以及供應(yīng)節(jié)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，其中x軸的最大長(zhǎng)度為13km，y軸的最大長(zhǎng)度為12km。

圖3 電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)示意圖

根據(jù)文中的計(jì)算模型，設(shè)每個(gè)電力物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)中的車(chē)輛為統(tǒng)一的型號(hào)，且沒(méi)有數(shù)量的限制（即不需要考慮車(chē)輛問(wèn)題）。設(shè)車(chē)輛在城市內(nèi)部的平均行駛速度為45km/h，電力應(yīng)急物資在各電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的配送速度約為8km/h，在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與供應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的配送速度約為4km/h。其中10個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電力物資存儲(chǔ)量分別為15t、30t、21t、18t、31t、12t、36t、20t、19t、12t，3個(gè)供應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電力物資儲(chǔ)備量分別為150t、100t、100t。計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他12個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，獲取距離最近的三個(gè)節(jié)點(diǎn)信息，將這些連通的線路建立為鄰接矩陣X=[xij]。在矩陣X中有一些距離過(guò)長(zhǎng)的連接線路，此時(shí)調(diào)整連接線路的最大值θmax= 8km，則可以得到修正后的矩陣X′為：

通過(guò)該矩陣可以構(gòu)建電力應(yīng)急物資網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。在圖4中，根據(jù)矩陣(6)連接各電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)。由于電力應(yīng)急物資受到車(chē)輛行駛速度的限制，每個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受到救援時(shí)間的約束，可以從2-3個(gè)其他節(jié)點(diǎn)中獲得電力應(yīng)急物資的補(bǔ)充。

圖4 電力應(yīng)急物資網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

3.2 電力應(yīng)急物資配送區(qū)域劃分

選擇電力物資的供應(yīng)節(jié)點(diǎn)Ni作為電力應(yīng)急物資配送的中心，此時(shí)i= 1,2,3，則可以計(jì)算各電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離供應(yīng)節(jié)點(diǎn)的距離。依據(jù)圖4可以劃分不同的電力應(yīng)急物資配送區(qū)域，并得到算例模型。

式中，F(xiàn)i表示各個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)的電力物資剩余總量；Uf表示在各電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，第f種自然災(zāi)害所需調(diào)配物資的總數(shù)量，其中f= 1,2,3，分別代表地震、洪水、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害。這兩個(gè)未知數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，λab表示電力物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)，表示第i個(gè)電力物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)周邊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，且a= 1,2,3，b= 1,2,L,10；tki表示第i電力應(yīng)急物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)周邊的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

該模型的約束條件較為復(fù)雜，其中包括：

該公式表示每一個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只屬于一個(gè)物資供應(yīng)點(diǎn)，不能自另一個(gè)物資供應(yīng)點(diǎn)中獲取電力物資。

該公式表示該智能調(diào)配管理系統(tǒng)包含的自然災(zāi)害種類(lèi)為3，所需調(diào)配的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10，參與調(diào)配的節(jié)點(diǎn)總數(shù)量為13。

不等式中，ui表示第i個(gè)電力應(yīng)急物資供應(yīng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。通過(guò)該算例模型，可以得到應(yīng)急電力物資的調(diào)配結(jié)果，并計(jì)算各節(jié)點(diǎn)間的最短運(yùn)輸距離，從而保證了電力應(yīng)急物資調(diào)配成本的最小化。

3.3 物資調(diào)度線路選擇

依據(jù)電力應(yīng)急物資配送區(qū)域算例模型，則此時(shí)10個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電力物資存儲(chǔ)量的具體情況，以及物資調(diào)度路線如圖5所示。

圖5 三種自然災(zāi)害下的物資調(diào)度路線

以各供應(yīng)節(jié)點(diǎn)為中心，將不同的區(qū)域一一劃分，圖中深灰色的節(jié)點(diǎn)為供應(yīng)節(jié)點(diǎn)，其中具備較大量的備用電力應(yīng)急物資，淺灰色的節(jié)點(diǎn)為物資存量較多的電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，白色的節(jié)點(diǎn)為存量不足的電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，箭頭方向標(biāo)明了物資調(diào)度的方向。在這樣的路線選擇下，假設(shè)每輛汽車(chē)的最大載重量為10t，每輛車(chē)運(yùn)行一公里的成本費(fèi)用為500元，則可以以此計(jì)算車(chē)輛運(yùn)輸?shù)目偝杀?，其?jì)算公式為：

式中，m表示所需調(diào)度物資的重量；x表示物資調(diào)度的距離。

通過(guò)公式(12)可以計(jì)算：在地震災(zāi)害中，所需資金總額為12739.01元，在洪水災(zāi)害中，所需資金14556.74元，在臺(tái)風(fēng)災(zāi)害中，所需資金10057.3元。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所的數(shù)據(jù)可以得知：文中設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能管理系統(tǒng)，在三種自然災(zāi)害下均可以有效調(diào)配電力應(yīng)急物資，且所需資金均在1-1.5萬(wàn)元之間，其中臺(tái)風(fēng)災(zāi)害所需調(diào)配成本最低。

結(jié)束語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電力應(yīng)急物資智能調(diào)配管理系統(tǒng)，在硬件與軟件兩方面對(duì)物資的調(diào)配做出了優(yōu)化。最后在算例分析中，對(duì)三種不同的自然災(zāi)害做出了測(cè)試，對(duì)比該調(diào)配系統(tǒng)對(duì)不同災(zāi)害的調(diào)度能力以及調(diào)度成本。通過(guò)綜合分析，該系統(tǒng)在較為常見(jiàn)的幾種災(zāi)害中均具備較好的適應(yīng)性，尤其是在臺(tái)風(fēng)災(zāi)害中效果最好。