基于改進(jìn)群搜索算法的排灌站電氣設(shè)備最優(yōu)配置研究

摘 要：為控制電氣設(shè)備運(yùn)行中的能耗，提高設(shè)備利用率，本文引進(jìn)改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法，以某電力排灌站為例，對(duì)電氣設(shè)備最優(yōu)配置方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。計(jì)算電力排灌站電氣設(shè)備運(yùn)行所需的有功、無(wú)功功率，進(jìn)行電氣設(shè)備容量配置，定義能耗最小化、效率最大化等設(shè)計(jì)目標(biāo)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值，對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行更新，設(shè)計(jì)基于改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)補(bǔ)償，根據(jù)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布，確定電力排灌站接入點(diǎn)的電壓等級(jí)，進(jìn)行電力排灌站接入與電氣設(shè)備最優(yōu)配置設(shè)計(jì)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的配置方法，不僅能控制電力排灌站在運(yùn)行中的能耗，還能有效提高設(shè)備的利用率。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法；設(shè)備容量；參數(shù)補(bǔ)償；最優(yōu)配置；電力排灌站

中圖分類號(hào)：TM 61" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前電力需求持續(xù)增加，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，電力排灌站作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行效率和電氣設(shè)備的配置直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和資源的合理利用。然而，大部分地區(qū)的電氣設(shè)備配置方法基于經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，難以全面考慮各種復(fù)雜因素，例如負(fù)荷變化、設(shè)備性能差異、運(yùn)行成本等，導(dǎo)致配置方案不夠優(yōu)化，能源利用效率低下。

方逸航等[1]通過(guò)算例分析，建立了完善的配電網(wǎng)可控能觀性及其關(guān)聯(lián)指標(biāo)體系，通過(guò)構(gòu)建配電網(wǎng)能控性能要求與狀態(tài)變量映射關(guān)系，對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置設(shè)計(jì)。但模型中的某些參數(shù)設(shè)置可能過(guò)于理想化，難以完全適應(yīng)復(fù)雜多變的配電網(wǎng)環(huán)境。張夢(mèng)圓等[2]通過(guò)構(gòu)建雙向?qū)?biāo)管理模式，提高醫(yī)療設(shè)備的臨床配置水平。在設(shè)計(jì)中，建立針對(duì)采購(gòu)和臨床使用的雙閉環(huán)管理指標(biāo)體系，并運(yùn)用奇異值分解算法選定對(duì)標(biāo)對(duì)象，形成雙向?qū)?biāo)管理模式。對(duì)比專家示范管理模式與雙向?qū)?biāo)管理模式下的醫(yī)療設(shè)備臨床配置效果，結(jié)果顯示雙向?qū)?biāo)管理模式在多個(gè)維度上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。但該模式實(shí)施需要較高的管理水平和資源投入，在醫(yī)療機(jī)構(gòu)可能難以全面推廣。此外，對(duì)標(biāo)對(duì)象選定和指標(biāo)體系構(gòu)建也可能受到主觀因素的影響，導(dǎo)致結(jié)果的客觀性受限。

針對(duì)現(xiàn)有不足，本文將在這次研究中采用改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法，以某電力排灌站為例，對(duì)電氣設(shè)備最優(yōu)配置方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 電力排灌站電氣設(shè)備容量設(shè)計(jì)

電力排灌站電氣設(shè)備容量設(shè)計(jì)是保證排灌站能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為滿足其中電氣設(shè)備的最優(yōu)配置需求，需要明確電力排灌站的主要任務(wù)，包括灌溉面積、排水量、揚(yáng)程等關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)任務(wù)需求，計(jì)算所需的電力負(fù)荷，包括有功功率和無(wú)功功率[3]。計(jì)算過(guò)程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

Qc=P?tan（arccosθ） （2）

式中：P為有功功率；Q為排水量（灌溉量）；H為揚(yáng)程；η為水泵效率；Qc為所需的無(wú)功功率；θ為功率因數(shù)。一般情況下，θ≥0.9。根據(jù)計(jì)算的電力負(fù)荷，選擇適合的電氣設(shè)備，例如電動(dòng)機(jī)、變壓器、電容器等，選擇設(shè)備時(shí)，需要綜合考慮設(shè)備的效率、可靠性、維護(hù)成本等因素[4]。以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)電力排灌站電氣設(shè)備容量。設(shè)計(jì)過(guò)程如公式（3）所示。

（3）

式中：S為變壓器容量；U為線電壓；I為最大工作電流；K為考慮負(fù)荷波動(dòng)和裕量的系數(shù)，在通常情況下，K的取值為1.1～1.25，完成上述設(shè)計(jì)后，對(duì)所選設(shè)備的容量進(jìn)行校驗(yàn)，保證設(shè)備能夠在額定負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，并留有一定的裕量應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)和突發(fā)情況。

2 基于改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)補(bǔ)償

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法，進(jìn)一步設(shè)計(jì)電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的補(bǔ)償，旨在通過(guò)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，例如電壓、電流、功率因數(shù)等，提高電力排灌站的運(yùn)行效率和能耗性能[5]。在此過(guò)程中，定義電力排灌站設(shè)備運(yùn)行參數(shù)補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)函數(shù)，包括能耗最小化、效率最大化等，根據(jù)電壓、電流、功率因數(shù)的上下限，設(shè)定其約束條件。采用改進(jìn)群搜索算法中的交叉方法，搜索設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)解。根據(jù)當(dāng)前搜索到的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值。計(jì)算過(guò)程如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：E為電力排灌站電氣設(shè)備能耗目標(biāo)值；p為瞬時(shí)功率；t為時(shí)間段；t1、t2為時(shí)間段的起始和結(jié)束時(shí)刻；A為電力排灌站電氣設(shè)備綜合效率目標(biāo)值；pout、pin為電氣設(shè)備在運(yùn)行中的輸出、入功率。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值，對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行更新，接近最優(yōu)解[6]。在更新過(guò)程中，需要根據(jù)參數(shù)的適應(yīng)度，持續(xù)進(jìn)行迭代次數(shù)、變異概率等算法參數(shù)調(diào)整。通過(guò)計(jì)算搜索過(guò)程中電氣設(shè)備參數(shù)的適應(yīng)度，掌握是否需要對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行補(bǔ)償。適應(yīng)度計(jì)算過(guò)程如公式（6）所示。

（6）

式中：f為設(shè)備運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)度函數(shù)；X為設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的向量；w1、w2為E、A的權(quán)重；E1為參考能耗值；Amin、Amax為A的最小、最大值。迭代上述步驟，輸出最優(yōu)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，用于電力排灌站的實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)基于改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法設(shè)備運(yùn)行參數(shù)補(bǔ)償。

3 電力排灌站接入與電氣設(shè)備最優(yōu)配置設(shè)計(jì)

在考慮電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分布的基礎(chǔ)上，確定電力排灌站的接入點(diǎn)。在此過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布，確定電力排灌站接入點(diǎn)的電壓等級(jí)，通常情況下，電力排灌站可能接入中壓或高壓電網(wǎng)。采用“Y”或“Δ”連接方式將變壓器接入電力系統(tǒng)，根據(jù)電力系統(tǒng)的相位要求，設(shè)計(jì)合理的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置，保證電力排灌站在接入電力系統(tǒng)后的安全性和可靠性[7]。

同時(shí)，考慮設(shè)備的額定電壓、額定電流、功率因數(shù)等參數(shù)，采用線性規(guī)劃方法，對(duì)電氣設(shè)備配置進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程如公式（7）所示。

（7）

式中：C為電氣設(shè)備最優(yōu)配置模型；i為第i種設(shè)備；N為電氣設(shè)備種類數(shù)。參照上述算法的迭代方式，對(duì)電氣設(shè)備配置方案與不同電氣設(shè)備空間位置進(jìn)行映射，求解優(yōu)化模型，輸出計(jì)算結(jié)果，即可得到電氣設(shè)備最優(yōu)配置方案。

4 對(duì)比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在本次研究中，選取一個(gè)具有代表性的電力排灌站作為試驗(yàn)試點(diǎn)。在電力排灌站規(guī)模適中，裝機(jī)容量達(dá)到2×200kW，配置的水泵軸功率峰值單機(jī)可達(dá)到180.3kW，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)到93%，額定電壓為380V，功率因數(shù)保持在0.82左右。該電力排灌站在實(shí)際運(yùn)行中承擔(dān)著重要的灌溉與排水任務(wù)，其電氣設(shè)備配置和運(yùn)行效率直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和效益。

在深入研究中發(fā)現(xiàn)，其電氣設(shè)備在長(zhǎng)期使用過(guò)程中存在一定的磨損和老化現(xiàn)象，導(dǎo)致能源利用效率逐漸降低。對(duì)電力排灌站電氣設(shè)備構(gòu)成進(jìn)行分析，見表1。

當(dāng)電力排灌站配置變壓器時(shí)，未充分考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和峰值負(fù)荷，導(dǎo)致變壓器容量選擇不當(dāng)，長(zhǎng)期運(yùn)行在過(guò)載或輕載狀態(tài)，不僅增加了能耗，還縮短了設(shè)備的使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，不合理的變壓器配置可使電力排灌站的能耗增加約10%～15%。

此外，在灌溉高峰期，電力排灌站的負(fù)荷急劇增加，若電氣設(shè)備配置不當(dāng)，則可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)、功率因數(shù)下降等問(wèn)題，嚴(yán)重影響電力排灌站的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 試驗(yàn)步驟

在試驗(yàn)過(guò)程中，收集電力排灌站現(xiàn)有電氣設(shè)備的清單，包括電動(dòng)機(jī)、變壓器、電容器、控制柜等，并記錄其型號(hào)、額定功率、電壓等級(jí)、功率因數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，準(zhǔn)備試驗(yàn)中測(cè)量電氣設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)儀器設(shè)備，記錄電氣設(shè)備在不同時(shí)間點(diǎn)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將其作為樣本數(shù)據(jù)，見表2。

在試驗(yàn)開始前，使用測(cè)量工具對(duì)電力排灌站的能耗和設(shè)備利用率進(jìn)行基線數(shù)據(jù)測(cè)量。引進(jìn)文獻(xiàn)[1]提出的基于能控能觀性的配置模型，文獻(xiàn)[2]提出的基于閉環(huán)雙向?qū)?biāo)管理模式的配置方法，將其作為對(duì)照。

按照對(duì)應(yīng)的方法，逐一實(shí)施不同的電氣設(shè)備配置方案，在每個(gè)方案實(shí)施后，保證電力排灌站穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，以便收集穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，計(jì)算每種配置方案下的能耗情況和設(shè)備利用率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在電力排灌站運(yùn)行效能評(píng)估中，能耗與設(shè)備利用率是兩項(xiàng)至關(guān)重要的檢驗(yàn)指標(biāo)，可以用其直接反映電力排灌站的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率。

能耗作為衡量電力排灌站運(yùn)行成本的關(guān)鍵指標(biāo)，主要指電力排灌站在完成灌溉與排水任務(wù)過(guò)程中所消耗的電能總量。能耗高低不僅與電氣設(shè)備的性能、配置及運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，還受到運(yùn)行策略、負(fù)荷變化等多種因素的影響。能耗較低說(shuō)明電力排灌站能夠用更少的電能完成相同的灌溉與排水任務(wù)，從而降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)電氣設(shè)備配置后電力排灌站的運(yùn)行能耗進(jìn)行對(duì)比，以此對(duì)配置方法應(yīng)用效果進(jìn)行初步檢驗(yàn)，如圖1所示。

從圖1可以看出，應(yīng)用文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法后，電力排灌站運(yùn)行能耗相差不多，但應(yīng)用本文方法后，電力排灌站運(yùn)行能耗顯著下降，說(shuō)明在應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法后，可以起到降低其能耗的作用。

在此基礎(chǔ)上，分析優(yōu)化后設(shè)備利用率，該指標(biāo)反映了電力排灌站中電氣設(shè)備的使用效率和運(yùn)行狀態(tài)（通過(guò)計(jì)算設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與總運(yùn)行時(shí)間的比值得出）。設(shè)備利用率較高表示電氣設(shè)備得到了更充分的利用，減少了閑置和浪費(fèi)，提高了電力排灌站的整體運(yùn)行效率。以此為依據(jù)，選擇電動(dòng)機(jī)、水泵、變壓器、控制器4個(gè)主要電氣設(shè)備為例，對(duì)其利用率進(jìn)行分析，如圖2所示。

由上述圖2可以看出，應(yīng)用本文方法進(jìn)行優(yōu)化配置后，電氣設(shè)備的利用率可以達(dá)到80%以上，而應(yīng)用文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法后，設(shè)備的利用率仍相對(duì)較低。

由圖1、圖2可知，這次設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備配置方法，不僅可以控制電力排灌站在運(yùn)行中的能耗，還能有效提高設(shè)備的利用率，采用該方法可以提高排灌站的綜合效能與經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大和先進(jìn)電力技術(shù)的廣泛應(yīng)用，無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題在電力系統(tǒng)中的復(fù)雜性和急迫性日益突出。電力排灌站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其電氣設(shè)備的最優(yōu)配置問(wèn)題也面臨著新的挑戰(zhàn)。因此，需要探索新的優(yōu)化算法，應(yīng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題。群搜索優(yōu)化算法通過(guò)模擬動(dòng)物或事物群體的尋優(yōu)過(guò)程，并通過(guò)共享信息調(diào)整自身的速度和位置，最終實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解搜索。然而，群搜索優(yōu)化算法也存在一些固有缺陷，例如初始種群生成的隨機(jī)性、不確定性以及容易陷入局部最優(yōu)解等問(wèn)題。因此，本文結(jié)合現(xiàn)有成果，引進(jìn)改進(jìn)群搜索優(yōu)化算法，通過(guò)電力排灌站電氣設(shè)備容量設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)補(bǔ)償、電力排灌站接入與電氣設(shè)備最優(yōu)配置設(shè)計(jì)，完成了此次設(shè)計(jì)。旨在通過(guò)引入先進(jìn)的優(yōu)化算法，綜合考慮各種復(fù)雜因素，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備最優(yōu)配置，提高電力排灌站的運(yùn)行效率和能源利用效率，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加可靠、高效的電力保障。

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