時間窗約束下的電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度方法

郭松

(國網(wǎng)陜西省電力公司物資公司, 陜西, 西安 710068)

0 引言

電力能源需求增加,其生產(chǎn)電力的化石能源消耗量與日俱增,占電力生產(chǎn)總能源的90%以上,導(dǎo)致溫室氣體排放量加劇,出現(xiàn)氣候變暖、城市霧霾頻發(fā)等環(huán)境問題[1]。此外,隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,居民日常生活不斷舒適化、企業(yè)生產(chǎn)不斷精細化,促使居民生活和企業(yè)生產(chǎn)對電力質(zhì)量要求不斷提高[2]。因此,相關(guān)學(xué)者采用接入不同端口變更功率注入點,調(diào)整電能流動路徑來針對不同的電力客戶進行供電。但是該電能調(diào)度方法僅能調(diào)度部分電力,當(dāng)其調(diào)度電路出現(xiàn)電能不足、線路故障等問題時,其調(diào)度的電能減少,難以滿足居民生活和企業(yè)生產(chǎn)需求[3-4]?；诖?電力調(diào)度已經(jīng)成為電力供應(yīng)鏈必須面對的實際問題。

目前,國內(nèi)外將電力調(diào)度分為靜態(tài)和動態(tài)2種調(diào)度模式,設(shè)計了經(jīng)濟、安全、可靠等約束條件,將電力的最小運行成本、發(fā)電機啟停時間、線路負荷等作為電力調(diào)度目標,控制發(fā)電機組運行,實現(xiàn)電力調(diào)度。在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上,相關(guān)學(xué)者提出如下觀點。文獻[5]將差分進化算法和飛蛾算法相結(jié)合,提高了飛蛾算法調(diào)度電力靈活性和全局能力,從而增強電力調(diào)度精度和收斂性。文獻[6]根據(jù)火電調(diào)峰的主動性設(shè)計成本約束,將電力經(jīng)濟性和能源消耗最小作為目標,建立電力調(diào)度模型,實現(xiàn)電力優(yōu)化調(diào)度。上述學(xué)者研究的電力調(diào)度方法、調(diào)度電力多層級供應(yīng)鏈,打破了供應(yīng)鏈均衡性。為此本文提出時間窗約束下的電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度方法,其創(chuàng)新之處在于將電力多層級供應(yīng)鏈約束與時間窗約束相融合,保證均衡優(yōu)化調(diào)度最優(yōu)解是唯一的;將成本、需求和資金周轉(zhuǎn)率作為目標,對應(yīng)電力供應(yīng)鏈邊際成本、任務(wù)適應(yīng)度和平均適應(yīng)度,保證電力多層級供應(yīng)鏈均衡性。

1 時間窗約束下的電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度方法

1.1 模型均衡約束

電力供應(yīng)鏈包括如下環(huán)節(jié):① 原料供應(yīng)商a;② 生產(chǎn)發(fā)電商b;③ 輸電分銷商c;④ 用電消費者d[7]。根據(jù)這一單級單循環(huán)供應(yīng)鏈,設(shè)定電力多層級供應(yīng)鏈均衡模型約束條件如下。

(4)a產(chǎn)量和庫存產(chǎn)品應(yīng)少于等于a的容量,則存在nag+uag≤hag,?a,g。其中,nag表示a提供g的數(shù)量,uag表示a提供nag的產(chǎn)品g后庫存的剩余數(shù)量,hag表示a提供g的能力。

(5)b產(chǎn)量和庫存產(chǎn)品應(yīng)少于等于b的容量,則存在nbi+ubi≤hbi,?b,i。其中,nbi表示b提供i的數(shù)量,ubi表示b提供nbi的產(chǎn)品i后庫存的剩余數(shù)量,hbi表示b提供i的能力。

(6)c產(chǎn)量和庫存產(chǎn)品應(yīng)少于等于c的容量,則存在nci+uci≤hci,?c,i。其中,nci表示c提供i的數(shù)量,uci表示c提供nci的產(chǎn)品i后庫存的剩余數(shù)量,hci表示c提供i的能力。

綜合上述9個約束條件,即可建立電力多層級供應(yīng)鏈均衡模型,讓電力多層級供應(yīng)鏈處于均衡狀態(tài)。

1.2 建立電力多層級供應(yīng)鏈均衡模型

在上述9個約束條件下,建立的電力多層級供應(yīng)鏈均衡模型如下:

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中,minf1、minf2、minf3分別表示電力多層級供應(yīng)鏈3個目標函數(shù),ζag表示a提供g的單位固定成本,ζag表示a存儲g的單位庫存成本,vabg表示g從a運輸?shù)絙的單位運輸成本,lab表示a與b之間的距離,ζbi表示b提供i的單位固定成本,ζbi表示b存儲i的單位庫存成本,vbci表示i從b運輸?shù)絚的單位運輸成本,lbc表示b與c之間的距離,ζci表示c提供i的單位固定成本,ζci表示c存儲i的單位庫存成本,vcdi表示i從c運輸?shù)絛的單位運輸成本,lcd表示c與d之間的距離,Tabg表示產(chǎn)品g在a與b之間所需的資金周轉(zhuǎn)周期,Tbci表示產(chǎn)品i在b與c之間所需的資金周轉(zhuǎn)周期,Tcdi表示產(chǎn)品i在c與d之間所需的資金周轉(zhuǎn)周期[8]。

在電力多層級供應(yīng)鏈均衡模型中,式(1)均衡了電力多層級供應(yīng)鏈成本,式(2)均衡了電力多層級供應(yīng)鏈需求,式(3)均衡了電力多層級供應(yīng)鏈資金周轉(zhuǎn)率。

從式(1)～式(3)可以看出,只有在同一單位時間內(nèi),模型才處于均衡狀態(tài),實現(xiàn)電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度。為此,采用時間窗設(shè)計電力多層級調(diào)度約束條件,約束電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度。

1.3 時間窗約束下均衡優(yōu)化調(diào)度問題描述

如式(1)～式(3)所示,其電能在各個環(huán)節(jié)的輸送處于均衡狀態(tài),則其電力產(chǎn)品輸送時間一定,存在最早輸送和最晚輸送時間,且電力供應(yīng)鏈必須遵循這個時間。此時,電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度時間窗如圖1所示。

圖1 電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度時間窗

圖1中,∞表示超級大的正數(shù),t表示時間,tjmax表示產(chǎn)品到達每一節(jié)供應(yīng)鏈最早時間,tjmin表示產(chǎn)品到達每一節(jié)供應(yīng)鏈最晚時間,f(t)表示關(guān)于時間t的函數(shù)[9]。

根據(jù)圖1,設(shè)計時間窗約束函數(shù)f(t)如式(4):

(4)

式(4)中,j表示電力多層級供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)運轉(zhuǎn)產(chǎn)品[10]。在式(2)時間窗約束條件下,依據(jù)式(1)～式(3)所示的電力多層級供應(yīng)鏈模型,均衡優(yōu)化調(diào)度電力多層級供應(yīng)鏈。

1.4 均衡優(yōu)化調(diào)度電力多層級供應(yīng)鏈

在電力多層級供應(yīng)鏈模型約束和時間窗兩層約束下,采用IGA算法均衡優(yōu)化調(diào)度電力多層級供應(yīng)鏈,其調(diào)度過程如下。

1) 初始化IGA算法種群。

(5)

(6)

4) 依據(jù)式(5)、式(6)計算結(jié)果,保留IGA算法中完成調(diào)度任務(wù)適應(yīng)度最高個體。

5) 通過遺傳操作替換步驟4)中適應(yīng)度相對較低的個體。其遺傳操作過程如下。

(1) 選擇:根據(jù)式(5)、式(6),計算IGA算法個體選擇概率:

(7)

(8)

式(7)、式(8)中,Q表示IGA算法總?cè)阂?guī)模。根據(jù)式(5)、式(6)計算得到個體適應(yīng)度,按照式(7)、式(8)選擇個體。

(9)

(10)

式(9)、式(10)中,f1表示交叉?zhèn)€體適應(yīng)度函數(shù),f2表示變異個體適應(yīng)度函數(shù),e1、e2、e3、e4均表示閾值在(0,1)范圍內(nèi)的常數(shù)[13]。采用式(5)、式(6)確定f1和f2的值,同時設(shè)定e1、e2、e3、e4的值,即可得到P1和P2的值。

6) 提高交叉和變異概率,加速算法調(diào)度過程。

7) 判斷進化后的調(diào)度策略是否滿足供應(yīng)鏈均衡調(diào)度約束。其判斷依據(jù)如式(8):

(11)

根據(jù)解碼結(jié)果,輸出電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度最優(yōu)解,實現(xiàn)電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度。

2 算例分析

選擇文獻[5]方法、文獻[6]方法作為此次實驗比較方法,由原料供應(yīng)商、生產(chǎn)發(fā)電商、輸電分銷商、用電消費者4個基礎(chǔ)節(jié)點組成的電力多層級供應(yīng)鏈作為均衡優(yōu)化調(diào)度電力多層級供應(yīng)鏈,驗證本文時間窗約束下的電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度方法。

2.1 算例描述

此次實驗依據(jù)4個基礎(chǔ)節(jié)點設(shè)計的電力多層級供應(yīng)鏈如圖2所示。

圖2 電力多層級供應(yīng)鏈

圖2中,G表示生產(chǎn)發(fā)電企業(yè),1、2、3、6、8五個節(jié)點為輸電分銷商輸電節(jié)點,4、5、7、9四個節(jié)點為生產(chǎn)發(fā)電商供電節(jié)點,10、11、12、13、14五個節(jié)點為用電消費者。由圖2可知,存在1個原料供應(yīng)商分別向4個生產(chǎn)發(fā)電商提供電力生產(chǎn)原材料。其中,生產(chǎn)發(fā)電商-輸電分銷商-用電消費者3個基礎(chǔ)環(huán)節(jié),每個節(jié)點之間均由輸電線連接,且每條輸電線均具有相同的阻抗。

假設(shè)電力供應(yīng)邊際成本函數(shù)ζ表達式為

ζ=gj+aqi

(12)

式(12)中,qi表示第i個企業(yè)供電量,a表示供電成本系數(shù),g表示每發(fā)送一度電成本。依據(jù)式(12)電力邊際成本函數(shù)ζ表達式,反推原料供應(yīng)商原料銷售價格在某個時間段的邊際成本函數(shù)為80-2qi。假設(shè)生產(chǎn)發(fā)電商的供電量分別為q4、q5、q7、q9,輸電分銷商輸電節(jié)點輸電量分別為q1、q2、q3、q6、q8,其電力多層級供應(yīng)鏈供電和發(fā)電邊際成本函數(shù)如表1所示。

表1 電力多層級供應(yīng)鏈供電和發(fā)電邊際成本函數(shù)

2.2 電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

2.2.1 電能調(diào)度負荷波動比較

根據(jù)此次實驗設(shè)計的電力多層級供應(yīng)鏈,分別為5個消費者均衡優(yōu)化調(diào)度電能,以此滿足消費者用電需求,并在電能調(diào)度過程中,每15 min統(tǒng)計一次電能調(diào)度產(chǎn)生的負荷,其統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 電能調(diào)度負荷變化圖

從圖3可以看出:文獻[5]方法和文獻[6]方法,調(diào)度此次實驗設(shè)計的電力多層級供應(yīng)鏈為消費者提供電能,所產(chǎn)生的電能調(diào)度負荷波動不穩(wěn)定,會給供應(yīng)鏈增添電能供應(yīng)壓力;而本文方法調(diào)度此次實驗設(shè)計的電力多層級供應(yīng)鏈為消費者提供電能,所產(chǎn)生的電能調(diào)度負荷波動相對穩(wěn)定。

2.2.2 供應(yīng)鏈利潤比較

在上一組實驗基礎(chǔ)上,根據(jù)表1的邊際成本,統(tǒng)計3組調(diào)度方法為消費者調(diào)度1440 min的電能后,原料供應(yīng)商、生產(chǎn)發(fā)電商、輸電分銷商3個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)獲取的利潤,其統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4 電力多層級供應(yīng)鏈利潤比較

從圖4可以看出:在3組調(diào)度方法調(diào)度1440 min的電能產(chǎn)生的調(diào)度負荷下,文獻[5]方法和文獻[6]方法同一層級獲取到的利潤最大值和最小值差值分別為420元、337元、550元、530元,電力多層級供應(yīng)鏈調(diào)度均衡性極差;而本文方法同一層級獲取到的利潤最大值和最小值差值分別為70元和50元,電力多層級供應(yīng)鏈調(diào)度均衡性較優(yōu)。

綜合上述2組實驗結(jié)果可知,本文方法在調(diào)度電力多層級供應(yīng)鏈電能時,平衡電能調(diào)度負荷,以此保證電力多層級供應(yīng)鏈均衡性。

3 總結(jié)

在時間窗約束條件下,均衡電力多層級供應(yīng)鏈,依據(jù)供應(yīng)鏈調(diào)度任務(wù),均衡優(yōu)化調(diào)度電力多層級供應(yīng)鏈,維持電力供應(yīng)鏈平衡。但是此次本文設(shè)置的約束條件,仍然存在一定的局限性。因此在今后,還需深入研究供應(yīng)鏈約束條件,建立更加完善的電力多層級供應(yīng)鏈均衡優(yōu)化調(diào)度機制。