基于削峰填谷模型的抽水蓄能機組檢修資源規劃

王鶯子　諶慧銘　曾荃　夏襄宸　孫文昊　肖志懷

摘要：為保障抽水蓄能機組檢修工作高效開展，避免檢修過程中產生資源沖突，提升檢修效率，本文提出一種基于削峰填谷資源優化模型的抽水蓄能機組檢修資源規劃方法。通過統計分析抽蓄機組不同檢修級別下的資源分布，尋找不同檢修工序與檢修項目的資源分布規律，繪制機組檢修規劃全過程網絡分布圖，根據機組結構特點計算不同時段各項目的時間參數，求解全過程工期內最大資源需求節點，調整非關鍵工序的工期，優先關鍵項目資源分配，實現檢修工期內的資源均衡，進一步實現機組檢修資源優化配置。通過在某抽蓄電站2臺次機組A級檢修工程上的應用，現場驗證了該方法的可行性與應用價值。

關鍵詞：抽水蓄能；削峰填谷模型；機組檢修；檢修策劃；資源規劃

中圖分類號：TV738 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.002

文章編號：1006-0316 （2023） 05-0008-06

Maintenance Resource Planning of Pumped Storage Units Based on

Peak Shaving and Valley Filling Model

WANG Yingzi1，SHEN Huiming1，ZENG Quan1，XIA Xiangchen2，SUN Wenhao3，XIAO Zhihuai3

（ 1.State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd.， Wuhan 430072， China; 2.China National Water

Resources & Electric Power Materials& Equipment Group Co.， Ltd.， Beijing 100040， China;

3.School of Power and Mechanical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China ）

Abstract：To ensure the efficient maintenance work of the pumped storage units， avoid resource conflicts during the maintenance process， and improve maintenance efficiency， this paper proposes a maintenance resource planning method based on the optimization model for peak shaving and valley filling resources. We first statistically analyze the resource distribution of pumping and storage units at different maintenance levels and find the resource distribution patterns of different maintenance processes and projects. Then we draw a network distribution map of the whole process of unit maintenance planning and calculate the time parameters of each item in different periods according to the structural characteristics of the unit. We solve the node with the largest resource demand during the whole process， adjust the construction period of non-critical processes， prioritize the allocation of resources for key projects， and achieve resource balance within the maintenance period. This method further optimize the allocation of unit maintenance resources. It is applied to the A-level maintenance project of two sub-units of a pumped-storage power station. The feasibility and application value of the method has been verified on-site.

Key words：pumped storage unit；peak shaving and valley filling model；unit maintenance；maintenance planning；resource planning

抽水蓄能機組因其可逆式結構設計，工況變換快速且復雜，在大電網運轉中承擔削峰填谷、調頻調相及黑啟動等功能，在保障電網電能質量穩定、提高電網安全穩定運行水平中發揮重要作用[1]。為了使機組設備保持良好的健康水平，抽水蓄能電站定期開展設備檢修。抽水蓄能機組設備檢修是一項周期長、工序復雜的系統性工程，需要消耗巨大的人力、物力資源。檢修管理過程中需要對工期、成本等因素進行控制，存在著工期資源優化的問題[2]。資源強度峰值過高或峰值谷值相差過大，可能造成資源供應過剩或脫節，降低檢修施工效率，檢修任務不能按期完成。因此，抽水蓄能機組檢修應綜合考慮技術條件和資源條件，合理制定資源規劃，保障工期內的資源均衡[3]。

抽水蓄能機組檢修資源包括人力、工器具、耗材、工時等。在大型抽水蓄能機組檢修資源規劃與管理領域，工程現場常用基于數學理論的解析法與基于經驗模型的啟發式方法，其中，經驗模型包含削峰填谷模型、最小方差模型以及遺傳算法模型[4]。劉迅等[5]針對資源動態變化不確定性造成成本增加的問題，設計出一套評價體系，評估資源均衡資源閑置率與資源流動數量。畢磊等[6]提出基于削峰填谷法的高樁碼頭施工仿真資源均衡優化方法，通過調整非關鍵工序的開始時間，實現資源均衡分配。馮海洋[7]在關鍵鏈網絡計劃技術基礎上，引入BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術，開發了基于BIM的裝配式建筑構件資源優化配置管理平臺。王家等[8]提出一種基于子集模擬的優化算法，提升了求解多資源均衡問題的穩定性。

Zhang等[9]研究加速粒子群優化算法，用于解決固定工期的大規模網絡計劃資源均衡問題。Li等[10]設計了一種遺傳分布估計算法，研究搶占式資源均衡問題，通過對比實驗證明了算法的有效性。Duraiswamy等[11]使用蟻群優化算法解決資源均衡問題，獲得近似全局最優解。Piryonesi等[12]提出一種啟發式的模擬退火資源均衡模型，該模型允許活動分割的同時，考慮了資源可用性的限制。

國內外對資源均衡問題的研究多集中于建設工程項目，對于抽水蓄能機組檢修過程中的資源優化配置問題尚處于探索階段。啟發式模型求得的近似解已能滿足復雜工程施工問題的實際需要。本文提出基于削峰填谷模型的抽水蓄能機組檢修資源規劃方法，并設計開發抽水蓄能機組數字化檢修管理系統，將所提方法融入抽水蓄能機組檢修數字化管理，通過實地應用，驗證了該方法的有效性。

1 關鍵技術

抽水蓄能機組檢修需要開展修前策劃工作，編制檢修任務、進度與資源計劃[13]。對應的關鍵技術包含檢修節點網絡計劃規劃與檢修資源優化技術。

1.1 雙代號網絡計劃

網絡計劃技術是通過網絡圖制定工程項目施工進度計劃，并控制計劃執行的一套現代化管理方法。雙代號網絡圖是一種行之有效的網絡計劃技術，它使用箭線（帶有箭頭的線段）及其兩端節點來編制工作。箭頭指向工作的進行方向，線下數字對應項目完成時間與所需資源，節點表示開展具體的項目[14]。前后兩個節點內的序號代表項目內容。其中每一條實箭線表示一項具體工作，需要占用時間、消耗資源。在雙代號網絡圖中，為了正確表達圖中工作之間的邏輯關系，往往需要應用虛箭線，虛箭線是實際工作中并不存在的一項虛設工作，它們既不占用時間，也不消耗資源。計劃中所有項目按其先后順序和相互關系用上述符號從左向右連接。如圖1所示。

網絡計劃實現檢修網絡進度圖規劃及相應節點時間參數關聯配置，項目相關時間參數包含持續時間te、初始時間節點TE、終止時間TL、最早執行時間ES、最早完成時間EF、最遲執行時間LS、最遲完成時間LF、總時差TF、自由時差FF。

假設檢修項目i－j以i為起始項目、以j為收尾項目，項目j－n以j為起始項目、以n為收尾項目，項目相關時間參數的計算方法如表1所示。

1.2 削峰填谷資源優化模型

削峰填谷模型優化資源規劃思路為：首先，定位不同類型檢修項目所需資源最大值，分解資源需求最大項目不同工序所需時間，進一步去動態規劃檢修過程中處于資源需求最大時段項目分工序的開工時間，進而實現均衡資源需求分布，降低最大資源需求強度[5]。其次，開始資源優化前，需預定義檢修工序調整規則：①按機組結構特點開展檢修項目排序；②資源需求越小，調整推遲的級別越高；③資源需求同等，可調時差大項目調整推遲級越高。最后，削峰填谷模型從整個檢修工期內找出資源需求最大的時段按上述規則調整，使得資源最大強度值逐步降低，從總體上動態調整資源平衡。

該模型實現資源優化的流程如圖2所示。

2 基于削峰填谷模型的抽水蓄能機組檢修資源規劃方法

在雙代號網絡計劃的基礎上，設計基于削峰填谷模型的抽水蓄能機組檢修資源規劃模型，采用削峰填谷模型進行檢修資源規劃，將資源優先分配給關鍵工作和總時差較小的工作，達到資源均衡的目標。

2.1 算法流程

如圖3所示，基于本文所提出方法的抽水蓄能機組檢修資源規劃流程為：

（1）計算檢修各節點時間參數，以檢修開始為起點，以檢修結束時間為終點，生成檢修雙代號網絡計劃圖；

（2）根據檢修項目安排，計算資源需求的最大時間區間與最大值，確定調整后的目標最

大強度值；

（3）對于資源需求最大值超過目標最大限值的時間段，統計非核心工作中的最早完成時間以及最遲開始時間，依據預定義規則基于兩者差值調整，如當某項目結束時間的最小值小于開始時間最大值，則調整開始時間最大值的項目開工時間為最先完成時間的最小值，兩者相等時，檢修資源規劃調整流程結束；

（4）重復步驟（1）～（3），遍歷完成本次檢修所有項目調整。

2.2 實例分析

通過部分檢修項目實例，介紹檢修資源規劃方法。繪制某段時間內檢修項目的初始網絡計劃圖如圖4所示，各項工序工期如表2所示。

該項目的最長工期為12天，在工作進行5天時，工序C、F共用1臺大型起重機械，該機械每次只能用于一項工序，而C工序僅在前2天使用該機械。

由圖4和表2可知，項目的關鍵路徑為工序ABC。資源需求最大的時間段為5～7天，最大資源需求強度為2臺起重機械，目標最大資源強度為1臺起重機械。最大資源需求強度超過目標最大強度，考慮在時差范圍內推遲F工序，避開C、F工序的資源沖突。調整后如圖5所示。

延長工序E的工期，使F的開工日期推遲2天。在工期5～7天，最大資源強度為1臺起重機械，等于目標最大強度，調整完成。

3 實際應用

研究成果在湖北白蓮河抽水蓄能電站現場應用，該電站安裝四臺300 MW可逆式機組，總裝機容量1200 MW，分別于2019年8月、2021年3月開展了3號機組和1號機組的A級檢修。機組A修費用投入超千萬元，30余人的檢修策劃團隊提前6個月開始策劃，梳理檢修項目600余項、工藝標準3000余項、檢修材料5000余項，如果缺乏精準的策劃，勢必造成資源的巨大浪費。整個機組A修歷時約4個月，高峰期現場作業近300人，三級以上作業風險30余項。

在該電站機組A級檢修策劃與實施過程中，應用基于削峰填谷資源優化模型，建立資源預測模型、預警模型，對檢修進度實時跟蹤、智能調整，實現了檢修資源動態規劃與優化配置。資源管控與工期優化界面如圖6、圖7所示。檢修材料、工器具、工時、人力資源投入、檢修項目、檢修標準，可一鍵生成。據初步估算，應用本研究成果，提高檢修效率30%以上，節約單臺機組檢修成本200萬元，縮短工期10天以上。

4 總結

抽水蓄能機組檢修策劃與過程管控關乎電站安全生產與運營效益，本文在傳統人工檢修策劃與經驗式檢修實施管理的基礎上，引入雙代號網絡計劃技術、削峰填谷資源優化技術，提出基于削峰填谷模型的抽水蓄能機組檢修資源規劃方法，設計具體算法邏輯模型，實現關鍵工序與工作面的調整優化，關鍵節點時間進度調整配置，備品備件以及工器具資源配置優化，開展工時預估，完成抽水蓄能機組檢修項目的資源均衡，提高生產效率，減少檢修時間。進一步基于此模型研發抽水蓄能機組數字化檢修管理系統，將所提方法嵌入檢修策劃功能模塊，可加強檢修作業的精細化管理，為檢修策劃與實施提供指導，推進抽水蓄能機組檢修數字化的應用。在2臺次機組A級檢修中應用并驗證了該方法的有效性，對于提升抽水蓄能機組檢修質效有較好的應用價值。

抽水蓄能機組檢修全過程資源規劃研究尚處于探索階段，可在以下方面提升：①運用數據分析與預測技術，對檢修項目資源需求進行預測，為檢修人員提供資源配置建議；②收集抽水蓄能機組檢修案例，整合檢修樣本數據與檢修實施經驗規則庫，綜合檢修實施數據與經驗規則實現不同檢修級別與檢修范圍內的人力、物力與時間等資源的動態規劃。

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收稿日期：2022-10-13

基金項目：國家自然科學基金（51979204）

作者簡介：王鶯子（1985－），女，湖北襄陽人，碩士，副教授，主要研究方向為水電機組優化控制與故障診斷，E-mail：1787768228@qq.com。*通訊作者：肖志懷（1968－），男，湖北仙桃人，博士，教授，主要研究方向為水電機組故障診斷與建模優化控制，E-mail：xiaozhihuai@126.com。