具有全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法研究

沙威

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司， 天津 300010)

0 引言

電力已成為人們生產(chǎn)和生活不可缺少的能源，大范圍的斷電事故會(huì)造成人員傷亡、設(shè)備損壞和重大的生產(chǎn)損失，對(duì)用電企業(yè)和社會(huì)公眾的安全造成極大的影響。電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，可以將停電帶來(lái)的損失降到最低，還可以保障整個(gè)社會(huì)用電系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展。其中，地震、臺(tái)風(fēng)、泥石流、冰雪等極端條件下引發(fā)的電力事故占到了電力事故的50%以上，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以對(duì)電力應(yīng)急物資的配送要求也越來(lái)越高。與此同時(shí)，極端事件的發(fā)生往往具有很大的隨機(jī)性和不確定性，由此而引發(fā)的極端電力事故往往具有很強(qiáng)的時(shí)變性，使電力應(yīng)急物資處于需要的地點(diǎn)，而各地點(diǎn)的需要又是隨時(shí)改變的。導(dǎo)致電力物資調(diào)度模型一般不能滿(mǎn)足極端情況下電力事故對(duì)電力應(yīng)急物資調(diào)度策略的計(jì)算要求。

當(dāng)前，有較多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于電力應(yīng)急物資調(diào)度方法的研究，其中，文獻(xiàn)[1]提出基于節(jié)點(diǎn)綜合權(quán)值的電力應(yīng)急物資調(diào)度模型，該方法主要考慮了應(yīng)急點(diǎn)的重要性，并建立了目標(biāo)函數(shù)，以對(duì)電力應(yīng)急物資調(diào)度；文獻(xiàn)[2]提出地震區(qū)域的電力自動(dòng)調(diào)度應(yīng)急模型，該模型主要設(shè)計(jì)了基于增強(qiáng)電網(wǎng)輸送能力的調(diào)度模型的上層模型，與基于電力應(yīng)急資源調(diào)度模型的下層模型，對(duì)電力應(yīng)急資源進(jìn)行了調(diào)度。上述方法均能夠?qū)崿F(xiàn)電力應(yīng)急物資調(diào)度，但是存在調(diào)度成本高、調(diào)度時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)一個(gè)面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法。

1 面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度框架

電力應(yīng)急物資調(diào)度是一個(gè)動(dòng)態(tài)管理過(guò)程，隨著突發(fā)事件狀態(tài)的發(fā)展，所需物資的數(shù)量和部署應(yīng)該相應(yīng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)生命周期不同階段的目標(biāo)。應(yīng)急物流過(guò)程是指為了滿(mǎn)足緊急情況的響應(yīng)，克服時(shí)間和空間上的間隔，將所有材料的供給主體與需求主體進(jìn)行連接[3]，形成一個(gè)相關(guān)信息流動(dòng)的過(guò)程，運(yùn)行過(guò)程如圖1所示。

本文研究的調(diào)度方法主要包含2大部分，一部分是災(zāi)害發(fā)生前的資源調(diào)度，一部分是災(zāi)害發(fā)生后的物資調(diào)度。應(yīng)急物資布局與調(diào)度示意圖如圖2所示。

圖1 基于全生命周期的應(yīng)急物資運(yùn)作過(guò)程

圖2 應(yīng)急物資布局與調(diào)度示意圖

在災(zāi)害發(fā)生前，通過(guò)對(duì)各種信息的監(jiān)測(cè)，分析突發(fā)事件在爆發(fā)前可能發(fā)生的類(lèi)型、概率和規(guī)模[4]。按照所負(fù)責(zé)突發(fā)事件的類(lèi)型和級(jí)別，編制應(yīng)急預(yù)案，確定各級(jí)應(yīng)急物流實(shí)體所需儲(chǔ)備物資的種類(lèi)、數(shù)量和儲(chǔ)備量，并根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀缓蜕鐣?huì)環(huán)境，按照救援點(diǎn)布局模式進(jìn)行地點(diǎn)選擇，優(yōu)化建立應(yīng)急物資儲(chǔ)備。

在緊急情況發(fā)生后，由應(yīng)急指揮調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)緊急情況進(jìn)行分類(lèi)，建立調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)組成應(yīng)急物流系統(tǒng)的實(shí)體通常的分類(lèi)情況和分類(lèi)結(jié)果，提取與緊急情況類(lèi)型和級(jí)別相對(duì)應(yīng)的緊急物流計(jì)劃。

2 面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法設(shè)計(jì)

2.1 多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度階段劃分

自然災(zāi)害的發(fā)生具有較大的不確定性和派生性，所以，針對(duì)已知需求調(diào)度模型和目前存在的需求點(diǎn)優(yōu)化調(diào)度模型不能滿(mǎn)足此類(lèi)電力事故的需求，需要從需求動(dòng)態(tài)變化的角度進(jìn)行分析[4]。并且在調(diào)度前，需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)矩陣烈度劃分，風(fēng)險(xiǎn)矩陣烈度劃分如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣烈度劃分

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)矩陣烈度劃分的目的是，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小從不同階段設(shè)計(jì)電力應(yīng)急物資調(diào)度方法，其中，電力應(yīng)急物資調(diào)度前準(zhǔn)備工作如圖3所示。

圖3 電力應(yīng)急物資調(diào)度前準(zhǔn)備工作

多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度階段如下。

第一階段，應(yīng)急物資調(diào)度優(yōu)化階段。依據(jù)目前已知需求點(diǎn)的應(yīng)急物資合理優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)從物資供應(yīng)點(diǎn)到需求點(diǎn)的合理調(diào)度[5-6]。

第二階段：轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)度優(yōu)化階段。在需求點(diǎn)與需求變更時(shí)，根據(jù)變更的需求與已有材料的情況進(jìn)行調(diào)度，即從供給點(diǎn)到需求點(diǎn)，再?gòu)男枨簏c(diǎn)到需求點(diǎn)。

2.2 應(yīng)急物資調(diào)度優(yōu)化流程

第一，應(yīng)急物資總儲(chǔ)備量在通常情況下可滿(mǎn)足物資調(diào)度需求量，當(dāng)突然安排應(yīng)急物資過(guò)程中，決策人員會(huì)在調(diào)度時(shí)間和物資數(shù)量上滿(mǎn)足受事故或者災(zāi)害影響區(qū)域的分配點(diǎn)要求，即在緊急限制期間到達(dá)事故影響地區(qū)的樞紐的物資數(shù)量與需求之間的距離越近，效果越好[7-8]。同時(shí)，在緊急限制期內(nèi)到達(dá)需求點(diǎn)的應(yīng)急物資的延遲時(shí)間越短越好[9]，也就是說(shuō)，一旦緊急限制期間到達(dá)需求點(diǎn)的物資造成的損失最小時(shí)，則建立目標(biāo)函數(shù)，如式(1)所示，

M=λij×(tij-t)×aij

(1)

式中，λij代表應(yīng)急物資需求點(diǎn)，tij代表最大運(yùn)輸時(shí)間，t代表期待運(yùn)輸時(shí)間，aij代表配送點(diǎn)物資需求數(shù)量。

第二，需求量不能滿(mǎn)足總需求量調(diào)度模型[10]，當(dāng)需求量不能滿(mǎn)足總需求量時(shí)，需要在第一時(shí)間計(jì)算各個(gè)需求點(diǎn)用戶(hù)的缺電情況。在對(duì)缺電損失計(jì)算過(guò)程中，只有經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)能夠直接計(jì)算，剩余的指標(biāo)是屬于定性的指標(biāo)，因此將除了經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外的指標(biāo)看做重要度指標(biāo)，與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)共同構(gòu)成該地區(qū)的單位時(shí)間、單位功率的缺電損失值為式(2)，

(2)

依據(jù)用戶(hù)缺電情況，建立目標(biāo)函數(shù)，其計(jì)算表達(dá)式為式(3)，

R=λy·(tj-t)·aij+ci·Li·(t+t0)

(3)

式中，cij代表第j和供應(yīng)點(diǎn)到第i個(gè)需求點(diǎn)的供應(yīng)時(shí)間，不確定性較強(qiáng)，隨著運(yùn)輸路況與運(yùn)輸時(shí)間發(fā)生變化。Li代表第i個(gè)需求點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)單位電量的缺電損失，tj代表第j項(xiàng)物資最多運(yùn)輸時(shí)間，t0代表物資準(zhǔn)備時(shí)間，λy代表受天氣和路況影響的因子。

2.3 轉(zhuǎn)運(yùn)電力應(yīng)急物資調(diào)度優(yōu)化模型

第一階段能夠?qū)Τ跏紤?yīng)急物流資源調(diào)度，隨著第一階段的調(diào)度以及災(zāi)害、事故的發(fā)展，各個(gè)需求點(diǎn)的分布與需求量會(huì)發(fā)生一定的變化。若某一地區(qū)的災(zāi)情發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)物資無(wú)法滿(mǎn)足使用需求，因此需要及時(shí)對(duì)各個(gè)受災(zāi)點(diǎn)指點(diǎn)的物資進(jìn)行協(xié)調(diào)。

與第一階段不同，在轉(zhuǎn)運(yùn)階段將所有的物資儲(chǔ)備點(diǎn)與物資供應(yīng)點(diǎn)均作為需求點(diǎn)和供應(yīng)點(diǎn)，同時(shí)，在電力應(yīng)急物資調(diào)度時(shí)要保證時(shí)間最短，即通過(guò)時(shí)間效率反應(yīng)其經(jīng)濟(jì)效益。但是各個(gè)受災(zāi)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生新的需求，因此不能僅按照運(yùn)輸時(shí)間最短原則進(jìn)行，還要考慮一段時(shí)間內(nèi)資源變化情況，以尋找最優(yōu)的調(diào)度方案。綜上所述，將運(yùn)輸時(shí)間內(nèi)總?cè)彪姄p失最小作為調(diào)度目標(biāo)，建立的調(diào)度優(yōu)化模型如式(4)，

(4)

式中，cj代表需求點(diǎn)j的缺電損失參數(shù)，Lj代表需求點(diǎn)j的缺電負(fù)荷，β代表懲罰系數(shù)，rj代表需求點(diǎn)j在下一時(shí)刻的物資需求量。

以此通過(guò)上述過(guò)程，根據(jù)電力應(yīng)急物資的需求，實(shí)時(shí)對(duì)多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度，以此完成面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以某地區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用此次研究的面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法對(duì)該地區(qū)的物資進(jìn)行調(diào)度，以驗(yàn)證此次研究方法的有效性。并為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，將文獻(xiàn)[1]的基于節(jié)點(diǎn)綜合權(quán)值的電力應(yīng)急物資調(diào)度模型與文獻(xiàn)[2]的地震區(qū)域的電力自動(dòng)調(diào)度應(yīng)急模型對(duì)該地區(qū)進(jìn)行物資調(diào)度，將這2種方法的調(diào)度效果與此次研究的調(diào)度方法的調(diào)度效果比較，主要比較3種調(diào)度方法的調(diào)度成本與配送時(shí)間。該地區(qū)可出救點(diǎn)、中轉(zhuǎn)點(diǎn)、事故災(zāi)害點(diǎn)的示意圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)地區(qū)各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系

3.1 配送成本對(duì)比

配送成本主要涉及到倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用、裝卸費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用等，通過(guò)對(duì)比配送成本能夠衡量物資調(diào)度方法是否合理。此次研究的面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法與傳統(tǒng)的基于節(jié)點(diǎn)綜合權(quán)值的電力應(yīng)急物資調(diào)度模型、地震區(qū)域的電力自動(dòng)調(diào)度應(yīng)急模型的配送成本對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 配送成本對(duì)比

分析圖5可知，此次研究的面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法在各個(gè)配送點(diǎn)配送上的配送成本都較基于節(jié)點(diǎn)綜合權(quán)值的電力應(yīng)急物資調(diào)度模型、地震區(qū)域的電力自動(dòng)調(diào)度應(yīng)急模型配送成本低。說(shuō)明此次研究的方法制定的調(diào)度方法能夠減少配送成本，具有較強(qiáng)的合理性。

3.2 調(diào)度實(shí)時(shí)性對(duì)比

分別采用傳統(tǒng)的基于節(jié)點(diǎn)綜合權(quán)值的電力應(yīng)急物資調(diào)度模型、地震區(qū)域的電力自動(dòng)調(diào)度應(yīng)急模型與此次研究的面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法對(duì)應(yīng)急物資調(diào)度。調(diào)度實(shí)時(shí)性對(duì)比上主要包含2部分：一是在災(zāi)害發(fā)生前，資源調(diào)度時(shí)間；一個(gè)是災(zāi)害發(fā)生后，資源的調(diào)度時(shí)間。其中，災(zāi)害發(fā)生前資源調(diào)度時(shí)間如表2所示。

由表2可知，此次研究的方法在災(zāi)害發(fā)生前資源調(diào)度上所花費(fèi)的時(shí)間最少，傳統(tǒng)的2種方法較此次研究的資源調(diào)度時(shí)間花費(fèi)多。

表2 災(zāi)害發(fā)生前資源調(diào)度時(shí)間對(duì)比 單位：min

災(zāi)害發(fā)生后物資調(diào)度時(shí)間結(jié)果如表3所示。

表3 災(zāi)害發(fā)生后物資調(diào)度時(shí)間對(duì)比

由表3可知，此次研究的面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法在10個(gè)配送點(diǎn)的配送上，所花費(fèi)的時(shí)間雖然較沒(méi)有發(fā)生災(zāi)害時(shí)資源調(diào)度時(shí)間有所增加，但是增加后時(shí)間也較傳統(tǒng)方法的調(diào)度時(shí)間少，在合理范圍內(nèi)。基于節(jié)點(diǎn)綜合權(quán)值的電力應(yīng)急物資調(diào)度模型、地震區(qū)域的電力自動(dòng)調(diào)度應(yīng)急模型比此次研究的調(diào)度方法花費(fèi)的配送時(shí)間都多，并且比災(zāi)害發(fā)生前花費(fèi)的調(diào)度時(shí)間增加較多，調(diào)度方法沒(méi)有此次研究的調(diào)度方法調(diào)度效果好。

綜上所述，此次研究的面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法比傳統(tǒng)的基于節(jié)點(diǎn)綜合權(quán)值的電力應(yīng)急物資調(diào)度模型、地震區(qū)域的電力自動(dòng)調(diào)度應(yīng)急模型配送成本少，并且調(diào)度花費(fèi)的時(shí)間也少，證明了此次研究的方法的有效性。原因是，此次研究的面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法對(duì)調(diào)度階段進(jìn)行了劃分，并采用全生命周期方法構(gòu)建了應(yīng)急物資調(diào)度框架，考慮了不同階段電力應(yīng)急物資調(diào)度的需求，從而減少了應(yīng)急物資配送成本與物資配送時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用意義強(qiáng)。

4 總結(jié)

本文提出一種面向全生命周期的多場(chǎng)景電力應(yīng)急物資調(diào)度方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可有效縮短調(diào)度成本，減少調(diào)度時(shí)間。但是由于驗(yàn)證時(shí)間的限制，研究過(guò)程中還存在諸多不足之處。例如本研究假定交通資源能全面承擔(dān)電力應(yīng)急救援工作，實(shí)際上交通工具及交通路況將限制電力緊急救援行動(dòng)，在后續(xù)研究中應(yīng)考慮由于資源限制造成的資源調(diào)度問(wèn)題。