基于整數規劃模型的風電場經濟效益分析

沈禹

摘要：風能是我們日常生活中經常使用的一種清潔能源，也是我們生活不可或缺的一部分。本文以某一風電場為研究對象，依據國家對風力發電與資源評估的相關標準，通過數據對比和數據擬合，建立通用評估模型和整數規劃模型，對風電場運行狀況進行了效益分析。針對此類問題，首先明確任務和約束條件，確定周期和排班表?，F以6天為一個周期進行排班，建立整數規劃模型，求解出最優解，使得資源利用率達到最高，但這樣的模型設計往往過于理想化，在實際中很難實現，本文將從環境變化和人員出勤方面對模型進行優化，建立優化的整數模型。

關鍵詞：資源評估體系；整數規劃模型；數據擬合

一、問題的提出

現有一風電場具體問題如下，風機每年需進行兩次停機維護，且兩次維護之間的連續工作時間小于270天，每次維護需一組維修人員連續工作2天，與此同時每天還需有一組維修人員值班以應對突發情況。

假設風電場有4組維修人員可從事值班或維護工作，且每組維修人員連續工作時間不超過6天，本文將制定維修人員的排班方案，使各組維修人員的工作任務協調均衡的情況下風電場具有較好的經濟效益。

二、問題的分析

在該問題中，首先確定任務總量，其次根據題目所給的約束條件，需要在效益較好的月份發電，在效益較差的月份安排維修保養，以提高總的資源利用效率。在約束條件中我們可以看到風電場現有4組維護人員且每組維修人員連續工作時間（值班或維護）不超過6天，將這四組人員分別編號，以6天為一個周期進行排班，建立整數規劃模型，求出使資源利用率達到最高的理想解，再從環境變化，人員出勤等情況對模型進行優化，在此基礎上得出優化后的解。

三、模型的建立與求解

3.1任務分析

①任務總量：維護風機124*2臺

②全年值班天數：365或366天

③約束條件：兩次維護之間的連續工作時間不超過270天；每次維護需一組維修人員連續工作2天；每組維修人員連續工作時間（值班或維護）不超過6天。

3.2人員排班

由于每組維修人員連續工作時間（值班或維護）不超過6天，在這里以6天為一個周期，枚舉出四個周期的排班情況，如表所示。其中黑色的字體表示“維修”，藍色的字體表示“值班”，紅色的字體表示“休息”。在周期前兩天安排一個組值班，三個組維修；在周期后四天每天一個組休息，一個組值班，兩個組維修，以前兩個周期為例，按此規則重復下去。

從表中我們可以大概分析出，在這樣四個周期中每組的工作量是相同的，維修天數為14天，值班天數為6天，4個小組總的工作量為（14+6）*4=80天?；谠撆虐嘤媱潱诒ＷC維護人員的工作均衡的情況下，每月最大維修數量為7*5+1=36臺。

3.3整數規劃模型

條件一：一年中考慮大月（1.3.5.7.8.10.12）和小月（4.6.9.11），在大月每月可安排36臺風機進行維護，在小月每月可安排35臺風機進行維護。

條件二：在保證經濟效益的基礎上，選擇經濟效益小的月份進行風機維護。

以每月每臺風發電機2天輸出的平均電量為標準，盡可能使因維修而損失的電量最小，建立整數規劃模型如下：

目標函數：

約束條件：

其中 表示第 月風機工作的數量， 表示第 月的每臺風發電機2天內輸出的平均電量。利用Lingo對整數規劃模型進行求解，運行原始結果，1月至12月維修數如下：0，0，0，0，0，35，36，36，35，36，35，35.

3.4模型的優化

上述整數規劃模型過于理想化，未考慮到環境變化和人員出勤率等實際情況，現對上述模型進行改進，使維修時間盡可能的平均分配在每月，仍以6天為一個周期，滿排時一個周期可以維修7臺風機，在完成工作總量的前提下，將每個排班周期維護的臺數調整為5臺，此時每月最大臺數變為24臺。由改進后的條件對整數規劃模型進行求解：

目標函數：

改進后的模型在保證工作量的基礎上，將維修時間更加均勻的分配在3月到12月之間，而1月和2月發電量總量較大，盡可能少地安排維修工作，滿足經濟要求，所以該優化模型更加合理。

四、模型的分析與改善

由于時間和處理數據的周期問題，本文中誤差的來源于實際條件和計算方法兩方面：實際條件方面，文中的風機的具體數值指標主要來源于日常風機的一般指標，與題中實際風機存在些許差別，導致實際誤差的產生；計算方法方面，采用的計算方法精準性仍有待提高。

五、模型的評價與推廣

文章有效運用由整體到局部的思想，尤其整數規劃中由月到年，由最小周期到月計劃再到全年計劃分配，將一個較為復雜的問題清晰化，化繁為簡，層次清晰。通過建立上述模型，我們能夠成功的初步評價一個地區的風能情況和風能利用情況，一方面在風能的利用評估方面可以起到一定的促進作用，另一方面在安全問題的處理中也有較好的現實意義，通過對于工人的排班方式促進生產的安全有效進行，大大降低生產中安全問題的風險。

參考文獻：

[1]張云，陳巒，張真源.市場環境下基于多級儲能系統的風電場經濟調度策略[J].可再生能源，2018，36（05）：743-750.

[2]張健全.風電場經濟運行影響因素與應對策略[J].中國國際財經（中英文），2018（08）：269.

[3]黃冬明.風資源后評估及提高經濟效益方案研究[A]..風能產業（2017年9月 總第98期）[C].：中國農業機械工業協會風力機械分會，2017：4.