基于资源共享的地铁供电系统运行评估
蔡彬彬,延巧娜,刘江涛,邵雷,周涛
(1.南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210037；
2.南京电力设计研究院有限公司，江苏 南京 210037；
3.南京能云电力科技有限公司，江苏 南京 211100；
4.南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094)
目前，地铁由于其快速、安全、准时、无污染的特点，被中大型城市广泛采用并大力发展[1-4].在实际地铁运营期间，地铁供电系统是为地铁系统提供所需的电能，供电系统不仅为地铁提供牵引电力，还为其他诸如通风、照明、给排水、通信等设施提供电力.地铁供电系统对地铁的运行有着至关重要的作用，安全、可靠、经济的地铁供电系统是地铁正常运行的必要条件[5-7].由于地铁负荷存在时序性、非线性、移动性的特点，地铁供电系统有独有的特点以及独有的运行方式，因此对地铁供电系统需要做具体的分析[8-10].
地铁供电系统的运行评估一般借鉴传统电力系统的运行评估经验.传统电力系统的综合评估方法包括层次分析法、熵权法、灰色关联分析法等.文献[11]通过提取电力大数据集每个时刻关键属性数据，建立基于电网运行数据集的电网有功网损评估模型.文献[12]提出利用贝叶斯网络技术进行架空输电线路状态评估，建立基于贝叶斯网络的状态评估模型，利用贝叶斯网络特有的双向推理技术，推理判断线路的运行状态.文献[13]针对一般供电系统，考虑指标的差异化，将指标分为效益型、成本型、适度型三种，根据指标的实际特征制定评分标准.地铁供电系统需要充分考虑地铁线路的特殊性、负荷的时序性、供电系统的复杂性.但如何构建地铁供电系统运行评估对地铁运行质量评估至关重要，目前针对地铁供电系统的运行评估的研究依然较少.
传统电力系统运行评估主要针对经济性、安全性、可靠性等方面，地铁供电系统仍然需要考虑资源共享性.为最大限度节约资源，地铁供电系统建设之初需要进行统一的供电系统规划，对供电系统主变电所进行科学共享，有效提高资源共享性，节约建设成本.这种资源共享性方案可以有效应用于地铁供电系统规划中，但是目前地铁供电系统较少考虑共享性.文献[14]通过牵引计算和潮流分析将两种供电方式进行比较，指出在北京新的地铁规划方案下，地铁采用集中供电方式将显示出更大优势.文献[15]以供电可靠性提升为目标,对配电网网架优化规划和台区运维进行了研究,构建了基于k-means聚类和模拟退火遗传算法的供电网格化划分模型,提出了基于多目标的规划决策方法.目前较少文献提出有关地铁供电系统的共享性指标，构建合理的地铁供电系统共享性指标具有重要意义.
针对地铁供电系统的特点，本文首先提出基于资源共享的地铁供电系统运行评估指标，构建地铁运行评估指标构造矩阵，求各指标因素权重并进行一致性检验，根据评判因素权重计算结果进行模糊综合评判，并应用模糊狼群算法优化评估矩阵，形成综合评估体系.
基于地铁供电系统运行指标，地铁供电系统运行评估需要考虑指标之间的差异和贡献率，权重计算可以有效综合评判各指标.针对上述问题，采用模糊狼群算法进行地铁运行评估，通过指标模糊处理和多种群的轮流迭代，完成地铁运行评估，保证了评估结果的准确性.
1.1 基于共享性的地铁供电系统运行评估指标
地铁供电系统由电源侧和地铁供电线路组成.利用原有已建成的主站，可以实现地铁供电系统的共享性.针对地铁供电系统的安全性、可靠性、经济性三个方面，基于共享性的地铁供电系统运行评估指标综合考虑了地铁供电系统共享性的优势，可以有效评估地铁供电系统运行工况[15].
1.2 模糊狼群算法
狼群算法是模拟自然界狼群行为，算法包括两个准则和三种智能行为，即“胜者为王”的头狼产生规则和“强者生存”的狼群更新原则以及探狼游走、头狼召唤和狼群围攻三种行为构成.另外狼群是捕获猎物后并不是平均分配，而是按照由强到弱的方式分配，即先分配给最先捕到猎物的狼，再分配给弱小的狼[16].
模糊狼群算法首先是针对输入值进行模糊综合评判，确定各输入值的隶属度.按照隶属度排序后初始化精英探狼法进行迭代.精英探狼寻优法是指每次狼群跟随探狼进行狩猎迭代时，计算全部狼的适应度值进行计算并排序，选择前s%构成精英探狼群XLi，然后取XLi的中心[16].地铁运行评估数据的广泛性、各变量关系的不确定性以及运行数据的复杂性，正适合运用狼群算法.如式(1)所示：
(1)
式中，T表示精英狼群的个数.
为了提高算法寻优能力，狼群中探狼和其余狼更改寻优方式为：
Xij(t+1)=XLCj+ωε[Gbestj-Xkj(t)]
(2)
式中：ε为随机数，取值为[0,1]；
Gbest为第j维当前全局最优；
ω为递减惯性，计算公式：
(3)
式中，D、Dmax分别为当前迭代次数和最大迭代次数.
采用改进的狼群算法有效解决了原狼群算法中探狼游走方向固定、游走步长不能动态调节、人工狼之间缺乏信息交流、头狼不参与智能行为等缺点，从全局性、收敛速度、收敛精度和鲁棒性等四个方面对狼群算法进行改进.最终流程图如图1所示.
图1 模糊狼群算法流程图
1.3 评判因素权重计算
对于一般求取运行评估中的整体评估结果，需要在各指标前乘上权重因子.指标权重用于反映指标在评估体系中的重要程度，通过在各指标前施加合适的系数，最终可得到运行评估的综合评估值.基于上述第二章的指标，本文提出的整体评估公式如下：
(4)
科学合理的权重是保证评估体系可靠正确的关键.通常权重因子的确定方法，主要是利用层次分析法、组合赋权法、专家打分法等.模糊狼群算法凭借其全局性，收敛速度，精确度上的独特优势，能够明显改善原有的运行评估体系.
基于模糊狼群算法的地铁供电系统运行评估体系的权重计算如图2所示，其具体计算步骤如下：
图2 基于模糊狼群算法的权重计算流程图
步骤1：基于上述的模糊狼群算法，构建地铁运行评估指标构造矩阵，求出各指标因素权重并进行一致性检验，根据评判因素权重计算结果进行模糊综合评判，确定各因素隶属度;
步骤2：针对各因素隶属度进行排序，并初始化狼群算法;
步骤3：采用精英探狼寻优法根据迭代公式进行迭代，将迭代结果代入优化目标函数得出适应值，计算地铁系统的运行评估结果.
为了验证基于资源共享的地铁供电系统运行评估的有效性，本文以南京地铁一号线、三号线、五号线为例进行算例分析[17].
首先对地铁运行数据预处理，获取的数据还包括地铁结构信息、地铁牵引站位置及容量信息、地铁负荷信息、地铁运行信息、可靠性需求信息、地铁故障信息，对以上数据进行预处理，预处理包括数据去噪处理、对采集缺失的数据进行补充处理、对有误或超过许可范围的数据进行修正处理，并将处理后的数据提供给评估指标体系使用[18].指标基础数据如表1、表2所示.
表1 南京地铁安全性和可靠性基础数据
表2 南京地铁经济性基础数据
根据第一章所提出的权重计算，本文先计算二级权重计算.利用A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3表示九个二级指标.结合指标之间关联程度以及重要性，通过模糊评判，构建指标关联矩阵，如表3所示.
表3 权重模糊计算的关联矩阵
可以求出初试权重参数为：
根据模糊狼群算法迭代后计算结果，修正后主观权重,如表4所示.
表4 算法修正后的权重值
代入地铁供电系统基础数据，可求得各线路综合评分，按式(4)进行计算，最终所求的计算结果,如表5所示.
表5 地铁评估综合指数
从表可知，本文所提出的运行评估指标能有效反映南京地铁供电系统运行情况.分别从整体发展水平以及单一指标对比分析，通过上述数据可以发现，模糊狼群算法可以有效优化权重矩阵，使得各指标在运行评估中更为合理.
通过对上表进行分析，从整体指标去看，地铁三号线整体运行质量明显优于其他两条线路，也可充分证明其资源更具共享性，同时也因为在设计之初为了满足三号线远期负荷运行，其资源共享性也更好.
从单一指标来看，五号线可靠性明显优于其他两条线路，一号线拥有较好的经济性指标.从建设时间上看，一号线建设更早，五号线建设时间较晚，因此在设计之初存在有差异在所难免.三者各有优势，发展均不平衡、不充分.
本文基于资源共享性对地铁供电系统运行评估展开研究，提出了新的运行评估指标.利用改进的狼群算法优化评估矩阵，形成综合评估体系.最后利用南京地铁三条线的实时数据验证本文方法的有效性.通过算例分析可以得到以下结论：
(1)改进的模糊狼群算法能够有效优化指标权重矩阵，可以使各指标在运行评估系统中所占比重以及各指标之间关联度更有效;
(2)基于资源共享性的地铁供电系统运行评估指标，可充分反映地铁供电系统的资源共享性，也可以用以反映各地铁供电系统的安全性、可靠性、经济性;
(3)本文所提出的地铁供电系统运行评估能够有效地对实际地铁供电系统进行评估，提高电网效率、优化资源配置和保障地铁安全运行.
致谢：本文受南京电力设计研究院项目资助(SGTYHT/18-JS-206)，特此致谢！
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