基于資源共享的地鐵供電系統運行評估

蔡彬彬,延巧娜,劉江濤,邵雷,周濤

(1.南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210037；2.南京電力設計研究院有限公司，江蘇 南京 210037；3.南京能云電力科技有限公司，江蘇 南京 211100；4.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094)

目前，地鐵由于其快速、安全、準時、無污染的特點，被中大型城市廣泛采用并大力發展[1-4].在實際地鐵運營期間，地鐵供電系統是為地鐵系統提供所需的電能，供電系統不僅為地鐵提供牽引電力，還為其他諸如通風、照明、給排水、通信等設施提供電力.地鐵供電系統對地鐵的運行有著至關重要的作用，安全、可靠、經濟的地鐵供電系統是地鐵正常運行的必要條件[5-7].由于地鐵負荷存在時序性、非線性、移動性的特點，地鐵供電系統有獨有的特點以及獨有的運行方式，因此對地鐵供電系統需要做具體的分析[8-10].

地鐵供電系統的運行評估一般借鑒傳統電力系統的運行評估經驗.傳統電力系統的綜合評估方法包括層次分析法、熵權法、灰色關聯分析法等.文獻[11]通過提取電力大數據集每個時刻關鍵屬性數據，建立基于電網運行數據集的電網有功網損評估模型.文獻[12]提出利用貝葉斯網絡技術進行架空輸電線路狀態評估，建立基于貝葉斯網絡的狀態評估模型，利用貝葉斯網絡特有的雙向推理技術，推理判斷線路的運行狀態.文獻[13]針對一般供電系統，考慮指標的差異化，將指標分為效益型、成本型、適度型三種，根據指標的實際特征制定評分標準.地鐵供電系統需要充分考慮地鐵線路的特殊性、負荷的時序性、供電系統的復雜性.但如何構建地鐵供電系統運行評估對地鐵運行質量評估至關重要，目前針對地鐵供電系統的運行評估的研究依然較少.

傳統電力系統運行評估主要針對經濟性、安全性、可靠性等方面，地鐵供電系統仍然需要考慮資源共享性.為最大限度節約資源，地鐵供電系統建設之初需要進行統一的供電系統規劃，對供電系統主變電所進行科學共享，有效提高資源共享性，節約建設成本.這種資源共享性方案可以有效應用于地鐵供電系統規劃中，但是目前地鐵供電系統較少考慮共享性.文獻[14]通過牽引計算和潮流分析將兩種供電方式進行比較，指出在北京新的地鐵規劃方案下，地鐵采用集中供電方式將顯示出更大優勢.文獻[15]以供電可靠性提升為目標,對配電網網架優化規劃和臺區運維進行了研究,構建了基于k-means聚類和模擬退火遺傳算法的供電網格化劃分模型,提出了基于多目標的規劃決策方法.目前較少文獻提出有關地鐵供電系統的共享性指標，構建合理的地鐵供電系統共享性指標具有重要意義.

針對地鐵供電系統的特點，本文首先提出基于資源共享的地鐵供電系統運行評估指標，構建地鐵運行評估指標構造矩陣，求各指標因素權重并進行一致性檢驗，根據評判因素權重計算結果進行模糊綜合評判，并應用模糊狼群算法優化評估矩陣，形成綜合評估體系.

1 基于模糊狼群算法的地鐵供電系統運行評估

基于地鐵供電系統運行指標，地鐵供電系統運行評估需要考慮指標之間的差異和貢獻率，權重計算可以有效綜合評判各指標.針對上述問題，采用模糊狼群算法進行地鐵運行評估，通過指標模糊處理和多種群的輪流迭代，完成地鐵運行評估，保證了評估結果的準確性.

1.1 基于共享性的地鐵供電系統運行評估指標

地鐵供電系統由電源側和地鐵供電線路組成.利用原有已建成的主站，可以實現地鐵供電系統的共享性.針對地鐵供電系統的安全性、可靠性、經濟性三個方面，基于共享性的地鐵供電系統運行評估指標綜合考慮了地鐵供電系統共享性的優勢，可以有效評估地鐵供電系統運行工況[15].

1.2 模糊狼群算法

狼群算法是模擬自然界狼群行為，算法包括兩個準則和三種智能行為，即“勝者為王”的頭狼產生規則和“強者生存”的狼群更新原則以及探狼游走、頭狼召喚和狼群圍攻三種行為構成.另外狼群是捕獲獵物后并不是平均分配，而是按照由強到弱的方式分配，即先分配給最先捕到獵物的狼，再分配給弱小的狼[16].

模糊狼群算法首先是針對輸入值進行模糊綜合評判，確定各輸入值的隸屬度.按照隸屬度排序后初始化精英探狼法進行迭代.精英探狼尋優法是指每次狼群跟隨探狼進行狩獵迭代時，計算全部狼的適應度值進行計算并排序，選擇前s%構成精英探狼群XLi，然后取XLi的中心[16].地鐵運行評估數據的廣泛性、各變量關系的不確定性以及運行數據的復雜性，正適合運用狼群算法.如式(1)所示：

(1)

式中，T表示精英狼群的個數.

為了提高算法尋優能力，狼群中探狼和其余狼更改尋優方式為：

Xij(t+1)=XLCj+ωε[Gbestj-Xkj(t)]

(2)

式中：ε為隨機數，取值為[0,1]；Gbest為第j維當前全局最優；ω為遞減慣性，計算公式：

(3)

式中，D、Dmax分別為當前迭代次數和最大迭代次數.

采用改進的狼群算法有效解決了原狼群算法中探狼游走方向固定、游走步長不能動態調節、人工狼之間缺乏信息交流、頭狼不參與智能行為等缺點，從全局性、收斂速度、收斂精度和魯棒性等四個方面對狼群算法進行改進.最終流程圖如圖1所示.

圖1 模糊狼群算法流程圖

1.3 評判因素權重計算

對于一般求取運行評估中的整體評估結果，需要在各指標前乘上權重因子.指標權重用于反映指標在評估體系中的重要程度，通過在各指標前施加合適的系數，最終可得到運行評估的綜合評估值.基于上述第二章的指標，本文提出的整體評估公式如下：

(4)

科學合理的權重是保證評估體系可靠正確的關鍵.通常權重因子的確定方法，主要是利用層次分析法、組合賦權法、專家打分法等.模糊狼群算法憑借其全局性，收斂速度，精確度上的獨特優勢，能夠明顯改善原有的運行評估體系.

基于模糊狼群算法的地鐵供電系統運行評估體系的權重計算如圖2所示，其具體計算步驟如下：

圖2 基于模糊狼群算法的權重計算流程圖

步驟1：基于上述的模糊狼群算法，構建地鐵運行評估指標構造矩陣，求出各指標因素權重并進行一致性檢驗，根據評判因素權重計算結果進行模糊綜合評判，確定各因素隸屬度;

步驟2：針對各因素隸屬度進行排序，并初始化狼群算法;

步驟3：采用精英探狼尋優法根據迭代公式進行迭代，將迭代結果代入優化目標函數得出適應值，計算地鐵系統的運行評估結果.

2 算例分析

為了驗證基于資源共享的地鐵供電系統運行評估的有效性，本文以南京地鐵一號線、三號線、五號線為例進行算例分析[17].

首先對地鐵運行數據預處理，獲取的數據還包括地鐵結構信息、地鐵牽引站位置及容量信息、地鐵負荷信息、地鐵運行信息、可靠性需求信息、地鐵故障信息，對以上數據進行預處理，預處理包括數據去噪處理、對采集缺失的數據進行補充處理、對有誤或超過許可范圍的數據進行修正處理，并將處理后的數據提供給評估指標體系使用[18].指標基礎數據如表1、表2所示.

表1 南京地鐵安全性和可靠性基礎數據

表2 南京地鐵經濟性基礎數據

根據第一章所提出的權重計算，本文先計算二級權重計算.利用A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3表示九個二級指標.結合指標之間關聯程度以及重要性，通過模糊評判，構建指標關聯矩陣，如表3所示.

表3 權重模糊計算的關聯矩陣

可以求出初試權重參數為：

根據模糊狼群算法迭代后計算結果，修正后主觀權重,如表4所示.

表4 算法修正后的權重值

代入地鐵供電系統基礎數據，可求得各線路綜合評分，按式(4)進行計算，最終所求的計算結果,如表5所示.

表5 地鐵評估綜合指數

從表可知，本文所提出的運行評估指標能有效反映南京地鐵供電系統運行情況.分別從整體發展水平以及單一指標對比分析，通過上述數據可以發現，模糊狼群算法可以有效優化權重矩陣，使得各指標在運行評估中更為合理.

通過對上表進行分析，從整體指標去看，地鐵三號線整體運行質量明顯優于其他兩條線路，也可充分證明其資源更具共享性，同時也因為在設計之初為了滿足三號線遠期負荷運行，其資源共享性也更好.

從單一指標來看，五號線可靠性明顯優于其他兩條線路，一號線擁有較好的經濟性指標.從建設時間上看，一號線建設更早，五號線建設時間較晚，因此在設計之初存在有差異在所難免.三者各有優勢，發展均不平衡、不充分.

3 結論

本文基于資源共享性對地鐵供電系統運行評估展開研究，提出了新的運行評估指標.利用改進的狼群算法優化評估矩陣，形成綜合評估體系.最后利用南京地鐵三條線的實時數據驗證本文方法的有效性.通過算例分析可以得到以下結論：

(1)改進的模糊狼群算法能夠有效優化指標權重矩陣，可以使各指標在運行評估系統中所占比重以及各指標之間關聯度更有效;

(2)基于資源共享性的地鐵供電系統運行評估指標，可充分反映地鐵供電系統的資源共享性，也可以用以反映各地鐵供電系統的安全性、可靠性、經濟性;

(3)本文所提出的地鐵供電系統運行評估能夠有效地對實際地鐵供電系統進行評估，提高電網效率、優化資源配置和保障地鐵安全運行.

致謝：本文受南京電力設計研究院項目資助(SGTYHT/18-JS-206)，特此致謝！