船舶綜合電力系統(tǒng)多目標(biāo)故障恢復(fù)模型及應(yīng)用

李能 楊輝 傅琪

【摘 要】本文建立了一種基于直線型的隸屬度函數(shù)，結(jié)合加權(quán)積算子和層次分析法的船舶綜合電力系統(tǒng)多目標(biāo)故障恢復(fù)模型，通過(guò)改進(jìn)的遺傳模擬退火故障算法對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：該模型能同時(shí)兼顧多個(gè)指標(biāo)，不僅能夠調(diào)節(jié)負(fù)荷和恢復(fù)功率，而且避免了偏激解的產(chǎn)生，得出的故障恢復(fù)方案更加可靠。下面對(duì)該模型的提出和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

【關(guān)鍵詞】綜合電力系統(tǒng) 故障恢復(fù) 多目標(biāo)

1 引言

船舶綜合電力系統(tǒng)是承擔(dān)船舶電能生產(chǎn)、變換、輸送以及統(tǒng)一分配的一種綜合系統(tǒng)，也是船舶必不可少的系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)在很大程度上決定了船舶動(dòng)力系統(tǒng)今后的發(fā)展方向，所以一直是船舶電氣領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。船舶綜合電力系統(tǒng)是信息化的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)意味著船舶真正實(shí)現(xiàn)了電氣化。要想確保船舶的運(yùn)行安全，就必須有可靠的綜合電力系統(tǒng)為其支撐。并且，即使是在發(fā)生故障的情況下，也盡可能實(shí)現(xiàn)非故障負(fù)荷供電。從當(dāng)前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)故障后系統(tǒng)連續(xù)性供電方案的研究比較多，也取得了一定的成果。但是仍然存在許多問(wèn)題，比如優(yōu)化目標(biāo)單一、缺乏具體的恢復(fù)多目標(biāo)模型方法等。本文試圖從當(dāng)前研究缺陷入手，建立一個(gè)可靠的船舶綜合電力系統(tǒng)多目標(biāo)故障恢復(fù)模型[1]。

2 故障恢復(fù)分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)負(fù)荷供電量

一旦船舶綜合電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不可隨意制定負(fù)荷恢復(fù)方案，而是應(yīng)當(dāng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)別確定。具體方法就是將包括新增負(fù)荷的所有電氣負(fù)荷按照重要性進(jìn)行分級(jí)，從高到低依次為1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)，負(fù)荷編號(hào)集合為lg1、lg2和lg3。系統(tǒng)負(fù)荷供電量指標(biāo)為：

Lall為系統(tǒng)發(fā)生故障后，船舶所需用電負(fù)荷編號(hào)集合；Ili為i負(fù)荷需要注入的電流有效值；xi為負(fù)荷供電或負(fù)荷不供電，取值為1或者是0；Ilg2，max、Ilg3，max為2級(jí)負(fù)荷、3級(jí)負(fù)荷中單個(gè)負(fù)荷電流最大有效值；Ilg1，min、Ilg2，min含義與前者相反。通過(guò)上述公式我們能夠發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是哪一個(gè)1級(jí)負(fù)荷，對(duì)指標(biāo)值的貢獻(xiàn)量并不小于任何一個(gè)2級(jí)、3級(jí)負(fù)荷，這樣一來(lái)，就能夠確保一些重要的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)最先供電。

2.2 開(kāi)關(guān)操作代價(jià)

開(kāi)關(guān)不同，操作代價(jià)也不相同，因此，權(quán)值也就不盡相同。以下為開(kāi)關(guān)操作代價(jià)指標(biāo)：

EC=kGzG+kMzM+kAzA

zG為發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)數(shù)量；zM為手動(dòng)開(kāi)關(guān)數(shù)量；zA為自動(dòng)開(kāi)關(guān)數(shù)量；kG、kM和kA分別代表各自權(quán)值。注意，權(quán)值并沒(méi)有固定取值，需要根據(jù)實(shí)際情況選取，文中分別取30、10、1。

2.3 聯(lián)絡(luò)線路容量裕度

系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，其可靠性就會(huì)受到影響，為了保證系統(tǒng)能夠承受二次故障，需要對(duì)聯(lián)絡(luò)線提出一定要求，要求其具備一定的功率冗余，其容量裕度指標(biāo)表示為：

Ii，rated為i額定電流有效值；Ii為線路i流過(guò)電流的有效值。

2.4 發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率

如果在低工況下運(yùn)行發(fā)電機(jī)組，一方面會(huì)造成能源浪費(fèi)，另一方面也會(huì)縮短原動(dòng)機(jī)使用壽命。由于船舶綜合電力系統(tǒng)本身存在著工況變化頻繁等問(wèn)題，所以為了對(duì)其投切組合方式進(jìn)行優(yōu)化，提出其運(yùn)行效率指標(biāo)：

SGi為發(fā)電機(jī)i輸出功率；SGi，rated為輸出功率額定值。

3 基于層次分析法的故障恢復(fù)多目標(biāo)綜合模型

3.1 故障恢復(fù)分項(xiàng)指標(biāo)模糊化模型

因?yàn)槊總€(gè)指標(biāo)取值和度量標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，所以影響力也存在較大差別，因此，需要將每個(gè)指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)曲線表現(xiàn)出來(lái)，并且將其實(shí)際值等效變換到[0，1]內(nèi)。本文選擇直線型隸屬度函數(shù)方法，該方法又包括效益型和成本型，前者越大越優(yōu)，后者則越小越優(yōu)[2]。

3.2 基于層次分析法的多目標(biāo)綜合

3.3 實(shí)例計(jì)算

第一，以5個(gè)故障恢復(fù)指標(biāo)為基礎(chǔ)，建成決策層次。

第二，計(jì)算出最大特征值為5.0483，根據(jù)一致性校驗(yàn)公式進(jìn)行一致性校驗(yàn)，結(jié)果為0.0108，因此，滿(mǎn)足一致性校驗(yàn)條件。

第三，得出綜合指標(biāo)權(quán)重矢量以及構(gòu)建綜合目標(biāo)函數(shù)。

按照上述四個(gè)步驟，得出最終結(jié)果。當(dāng)取值接近0時(shí)，對(duì)應(yīng)指數(shù)加權(quán)函數(shù)值極速下降，當(dāng)取值接近1時(shí)，情況相反。這一表現(xiàn)意味著當(dāng)取值接近0和1時(shí)，權(quán)重矢量對(duì)綜合目標(biāo)的影響被控制。由于利用了乘積算子，所以，取值都比較低，這也是綜合目標(biāo)函數(shù)值之所以出現(xiàn)明顯下降的主要原因，同時(shí)也能夠防止偏激解的產(chǎn)生。

4 改進(jìn)的遺傳模擬退火故障恢復(fù)算法

遺傳模擬退火算法對(duì)遺傳算法全部搜索和模擬退火算法局部搜索進(jìn)行了繼承，使得性能大大提高，目前在重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)以及恢復(fù)負(fù)荷等方面已經(jīng)得到了應(yīng)用。所以在本文中對(duì)改進(jìn)后的遺傳模擬退火算法進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)其編碼方式進(jìn)行了改進(jìn)，擴(kuò)展了原有一維遺傳算法，變?yōu)槎S編碼，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。該算法的改進(jìn)使得大型負(fù)荷功率恢復(fù)得到了優(yōu)化。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，改進(jìn)遺傳模擬退火算法的應(yīng)用能夠使船舶綜合電力系統(tǒng)快速恢復(fù)，而將一維編碼改為二維編碼，使可行解范圍得到豐富，這樣一來(lái)，故障恢復(fù)方案與系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際就會(huì)更加符合。通過(guò)故障恢復(fù)測(cè)試證明，本文所述模型能夠同時(shí)兼顧多方面因素，真正實(shí)現(xiàn)了恢復(fù)供電，而且配電網(wǎng)絡(luò)也得到了優(yōu)化，具有極高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李彥，楊晨暉.基于量子粒子群算法的船舶電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)[J].船舶工程，2013（4）.

[2]曹良晶，田軍勝，郝怡鵬，張斯梁，武昭旭.基于BCC優(yōu)化算法的電力系統(tǒng)多目標(biāo)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行綜合優(yōu)化[J].華東科技（學(xué)術(shù)版），2014（11）.