發布時間：2021-12-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：傳統地鐵供電系統規劃主要考慮供電系統可靠性與經濟性，難以最大程度實現資源利用和共享。為實現地鐵供電系統的資源共享性，提出結合經濟性和電量特征的共享性指標，構建考慮共享性指標的地鐵供電系統雙層規劃模型。以南京地鐵 5、6、9 和 11 號線為例，利用 MAT
摘要：傳統地鐵供電系統規劃主要考慮供電系統可靠性與經濟性，難以最大程度實現資源利用和共享。為實現地鐵供電系統的資源共享性，提出結合經濟性和電量特征的共享性指標，構建考慮共享性指標的地鐵供電系統雙層規劃模型。以南京地鐵 5、6、9 和 11 號線為例，利用 MATLAB 搭建仿真模型，驗證了該雙層規劃模型的有效性。
關鍵詞：地鐵供電系統;電力系統規劃;雙層規劃模型;資源共享
地鐵作為城市軌道交通的代表，具有快速、安全、準時、無污染以及載客量大等特點，成為了緩解大中型城市交通擁堵壓力的首選方案[1-3] �？煽俊⒂行�、完善的供電，是地鐵其他系統正常運行的基礎，是所有地鐵用戶的基本要求[4-5] 。與常規的配電網相比，地鐵供電系統有其獨特的特點，它由牽引供電系統、動力照明供電系統組成[6] ，其中牽引供電系統采用直流供電的方式。通常地鐵供電系統外部電源由城市電網進行供電，主要有集中供電方式、分散供電方式和混合供電方式[7] 。地鐵供電系統與配電網規劃有諸多相似住處，但是地鐵供電系統負荷具有時序性、非線性和移動性的特點[8] ，無法同一而論。
地鐵供電系統設施的布局影響著地鐵供電系統的安全運行[9] 。文獻[10]通過牽引計算和潮流分析將 2 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[11]針對地鐵供電系統外部電源供電方式進行分析比較，并提出相應的改進措施。目前，對于地鐵供電系統規劃仍是基于經驗模型，針對單一線路進行規劃，較少考慮宏觀與微觀協調規劃。如何對地鐵供電系統進行分層規劃、合理布局，并針對共享性的原則合理利用資源，具有重要意義。
傳統供電系統規劃以可靠性與經濟性為主要規劃指標。文獻[12]提出了計及負荷、電價和土地價格不確定性的經濟性指標，建立了以配電網主站全壽命周期成本最低為目標的規劃模型。文獻[13]提出了考慮切負荷成本以及供電不足期望成本的可靠性指標。文獻[14]針對配電網的經濟性進行了評估，提出可靠性的評估指標，利用最小評估法實現對配電網的可靠性評估。文獻[15-20]運用改進的基于關鍵節點最小代價多播路由算法建立配電網規劃模型，并提出了組合邊的概念，以組合邊的形式參與邊的動態迭代，獲得總體費用最小的優化規劃結果。
目前，關于供電系統規劃的文獻考慮資源共享性的很少。因此，如何協調地鐵供電系統各類資源、構建地鐵供電系統共享性指標、實現資源的高效利用，具有重要意義。
本文針對地鐵供電系統的資源共享性以及地鐵供電系統的分層規劃布局，首先通過結合經濟性和電量特征提出共享性指標，并結合經濟性與可靠性，提出基于資源共享的地鐵供電系統規劃指標;其次提出地鐵供電系統雙層規劃模型，其中包括地鐵供電系統的上層規劃以及下層規劃。最后以南京地鐵五、六、九和十一號線為例，構建地鐵供電系統仿真模型，并制定相應供電系統規劃方案進行方案比選，驗證了所提出的基于資源共享性的地鐵供電系統雙層規劃模型的有效性性。
1 基于資源共享的地鐵供電規劃指標
地鐵供電系統規劃指標主要針對主站的規劃以及供電系統網架進行規劃。主站規劃應首先滿足主站負載率以及主站供電半徑 2 個約束條件;供電系統網架規劃應滿足功率平衡、線路容量、節點電壓、網絡輻射性和連通性等約束條件[21-23] 。3 個指標關系如圖 1 所示。
1.1 共享性指標
地鐵供電系統規劃為提高資源共享性、減少投資，在已建成主站的基礎上進行擴容。為了基于資源共享進行地鐵供電系統的規劃，擬提出結合經濟性和電量特征的共享性指標[24-25] 。
1.2 經濟性指標
經濟性指標是在滿足功率平衡、線路容量和節點電壓等約束條件的基礎上，以降低初始投資、年運行維護費用以及線路損失功率為目標[26-27] 。其數學表達式為[16]
1.3 可靠性指標
可靠性為地鐵供電系統規劃的首要目標，本文擬通過系統切負荷概率和功率不足期望來衡量地鐵供電系統規劃方案的優劣[28-30] 。
2 多時間尺度協調的雙層規劃模型
地鐵供電系統雙層規劃模型是基于第 1 節綜合優化指標而構建的，包含有上層規劃模型和下層規劃模型，其中上層為多線路宏觀規劃模型，下層為具體線路微觀規劃模型。如圖 2 所示，上層作為決策層，可以根據自己的決策目標對下層進行調控;下層的決策目標也會影響上層，構成一種相互制約相互影響的主從關系[31-32] 。
2.1 上層規劃模型(多線路宏觀規劃)
上層規劃模型是基于資源共享的規劃指標，針對多條線路開展的宏觀規劃主要包括多線路主站的選址和定容。
2.2 下層規劃模型(具體線路微觀規劃)
在上層規劃模型的基礎上，利用已建主站以及原有網架滿足資源共享性的要求，針對具體一條線路進行規劃，制定相應的下層規劃模型。下層規劃模型是具體線路優化所建立的規劃模型，其中包括牽引網架的構建和牽混所的選址定容等。
1)針對地鐵多條線路供電系統進行宏觀規劃，主要針對主站的選址定容構建上層規劃模型。
2)針對具體某一條地鐵線路供電系統進行設計，主要針對牽混所的選址定容，構建下層規劃模型。
3)利用遺傳算法對已構建的方案進行尋優迭代，當滿足收斂結果以后輸出最優解。
3 算例及分析
3.1 方案構建及實現
算例以南京地鐵實際線路供電系統規劃為例，驗證本文提出的基于資源共享的雙層規劃模型。針對南京地鐵待建 11 號線進行供電系統規劃，擬建地鐵線路概況如表 1 所示。
先進行多條線路的上次規劃：根據以往地鐵規劃實際，每條線路需要新建 2 個主站進行供電。先應用上層規劃模型對各條線路的主站進行規劃，再進行單條線路的下層具體規劃，包括牽引站和降壓站的選址定容等。
根據 2.1 小節內容，構建 11 號線的地鐵上層規劃模型。該模型是以主站及其低壓側線路的初始投資和年運行維護費用最小為主要目標的主站規劃模型。
由于電源規劃經濟性的要求，應首先考慮利用規劃線路附近已建主所，增加供電設備，實現資源的共享性。各已有共享主站情況如表 2 所示。
根據已有地鐵數據和 2.2 小節所提出的雙層規劃模型，進行規劃方案求解。上層規劃模型求解包含地鐵 11 號線主站的容量與選址，下層規劃模型求解包含地鐵 11 號線牽混所的容量與選址。在 MATLAB 上搭建本文的雙層規劃模型，利用遺傳算法進行規劃方案求解。根據本文第 2 節雙層規劃的內容，設定式(13)和式(23)為最終目標函數。初始種群設定為式(14)—式(18)和式(24)、式(25)。個體經過復制、交叉、變異得到新一代種群，直到滿足收斂準則，得到最適應值。
利用遺傳算法針對地鐵雙層規劃模型的目標函數進行優化，可求得收斂曲線以及收斂解，如圖 6 所示。得到最終優化結果的目標函數為 88 070.79，其中上層規劃目標函數值為 48 521，下層規劃目標函數值為 39 549.79。
根據遺傳算法優化結果，擬構建上層規劃線路：11 號線采用方案利用既有朱石路主所及新建浦江主所供電。朱石路主站所配備設備為 2×40 MV·A 主變壓器;浦江主站設備為近期 2×50 MV·A 主變壓器，并按照 2×63 MV·A 主變壓器預留土建基礎。主站規劃方案如圖 6 所示。
在上層規劃模型基礎上，地鐵 11 號線供電系統下層規劃擬定方案如下：正線設置 12 座牽引變電所，牽引變電所最大間距為 3.06 km，最小間距1.43 km，平均間距 2.35 km;車輛段設置 1 座。正線牽引所分布及間距如表 3 所示。相同位置建設降壓變電所，即本算例的規劃方案 1。
3.2 與傳統方案對比
如果應用傳統規劃方法，不考慮資源共享性，地鐵 11 號線主站方案 2 將設計如下：利用新建浦江主所以及高家沖主所供電。對于地鐵線路中牽混所規劃，由于牽混所部署在地鐵站點，所以其規劃方案與采用雙層規劃模型的下層規劃模型相同。
為進行對比分析，對于 2 個方案經濟性進行模擬計算�？紤]方案貼現率 r0 取值 0.5、主所設備折舊年限 m 為 20 年和網架線路折舊年限 n 為 30 年，根據 1.2 小節所提出的經濟性指標，計算結果如表 4 所示。
由表 4 可知：
1)考慮雙層規劃模型的設計方案具有良好的經濟性，其一次投資所需費用遠遠小于不考慮雙層規劃模型的方案，證明了雙層規劃模型在經濟上的有效性。
2)2 個方案同時考慮了規劃和運行 2 個部分，為了讓這 2 部分時間尺度統一，本算例考慮方案貼現率以及折舊年限，將一次投資規劃的所需費用折算到 1 年，與年維護費用時間尺度相同。
對 2 個方案進行共享性模擬計算，根據 1.1 小節所提出的共享性指標，計算得出相應的共享性指標結果如表 5 所示。
由表 5 可知：
1)考慮雙層規劃模型的設計方案具有良好的共享性，證明了基于資源共享的地鐵供電系統雙層規劃模型在共享性方面具有優越性。
2)共享性指標同時模擬了地鐵規劃層面和運 行層面，其可通過經濟性指標以及所需的負荷來體現。
4 結論
本文在規劃階段引入雙層規劃模型，以解決地鐵供電系統的資源共享及優化問題。通過本文模型分析以及算例方案對比，
得出結論如下：
1)本文提出的地鐵供電系統雙層規劃模型，可以有效求解地鐵供電系統規劃方案，相比較傳統規劃模型具有更好的經濟性以及共享性，大大節省了成本以及資源損耗。
2)本文提出的基于資源共享的地鐵供電系統的優化指標，能夠為地鐵供電系統規劃提供有效指導，可以有效檢驗地鐵供電系統的經濟性、共享性和可靠性。因此，今后工作應在雙層規劃模型的基礎上，考慮綜合優化指標，并進行相應的優化。
3)地鐵供電系統方案規劃需要宏觀與微觀的協調規劃，以提高資源利用的有效性，實現地鐵多條線路的全面融合，為將來更多地鐵線路規劃提供可利用的設備空間以及可用電量。——論文作者：延巧娜1 ，陳庭記1 ，邵雷2 ，周濤3
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