基于改進(jìn)遺傳算法的用戶報(bào)裝容量優(yōu)化方法

顧慶偉，盧德龍

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

自《國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)展改革委等部門關(guān)于清理規(guī)范城鎮(zhèn)供水供電供氣供暖行業(yè)收費(fèi)促進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展意見的通知》(國辦函〔2020〕129號(hào))(簡稱129號(hào)文)發(fā)布以來，如何實(shí)現(xiàn)政策的平穩(wěn)落地是供水、供電、供氣、供熱等企業(yè)亟待解決的問題。129號(hào)文核心的要義是出于降低實(shí)體經(jīng)濟(jì)成本、減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)的考慮，提出供水供電供氣供熱企業(yè)的投資界面應(yīng)延伸至用戶建筑區(qū)劃紅線，不得由用戶承擔(dān)建筑區(qū)劃紅線外發(fā)生的任何費(fèi)用[1]。以國網(wǎng)江蘇省電力有限公司之前關(guān)于建筑區(qū)劃紅線外執(zhí)行的政策為例，對(duì)于10 kV及以上專變用戶采用的是供電企業(yè)投資電氣部分、用戶投資土建部分的共建模式，對(duì)于新建居住區(qū)采用的是用戶全部投資的模式。129號(hào)文的發(fā)布必將顛覆現(xiàn)有的供電企業(yè)投資運(yùn)維模式，在用戶不用承擔(dān)建筑紅線外任何費(fèi)用的前提下，如何理順政府、企業(yè)和用戶三者的關(guān)系，解決政策落地過程中的實(shí)際問題是當(dāng)前亟待解決的問題。

傳統(tǒng)報(bào)裝容量的確定大都以用戶申報(bào)為主。129號(hào)文要求電網(wǎng)投資界面延伸至用戶建筑區(qū)劃紅線，有可能出現(xiàn)用戶希望多預(yù)留電網(wǎng)資源，無序申報(bào)報(bào)裝容量的情況。由于之前報(bào)裝容量越大，用戶需要的投資成本越高，因此用戶對(duì)報(bào)裝容量的確定較為謹(jǐn)慎。按照129號(hào)文的要求用戶無需建筑區(qū)劃紅線外的任何費(fèi)用，因此用戶有潛在的虛報(bào)容量的傾向，而對(duì)于供電企業(yè)來說如何合理地確定報(bào)裝容量在之前一直是空白。用戶報(bào)裝容量的優(yōu)化來源于工程實(shí)際需要，也是現(xiàn)在供電企業(yè)亟待解決的問題。

129號(hào)文如何落地實(shí)施已經(jīng)引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，理順政府、企業(yè)與用戶間在政策落實(shí)中扮演的角色至關(guān)重要[2]。文獻(xiàn)[3]提出考慮時(shí)序特征的負(fù)荷特征庫的大用戶接入方法，解決供配電設(shè)施利用率不高的問題。文獻(xiàn)[4]針對(duì)低壓用戶，考慮三相不平衡用戶的業(yè)擴(kuò)報(bào)裝接入方案的制定，降低臺(tái)區(qū)的三相不平衡率和線損率。文獻(xiàn)[5]結(jié)合相關(guān)行業(yè)分類的特點(diǎn)，提出利用K-均值聚類算法計(jì)算報(bào)裝容量飽和度模型，為配網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)提供依據(jù)。報(bào)裝容量的合理確定對(duì)電網(wǎng)企業(yè)營銷部門是一個(gè)全新的課題，學(xué)術(shù)界對(duì)此的研究也相對(duì)較少，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶報(bào)裝容量的合理確定，是當(dāng)前電網(wǎng)公司營銷部門最核心的議題。針對(duì)129號(hào)文發(fā)布導(dǎo)致可能存在的無序報(bào)裝問題，下面提出了基于改進(jìn)遺傳算法的用戶報(bào)裝容量優(yōu)化方法。

1 129號(hào)文和產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)

1.1 129號(hào)文

129號(hào)文提出，供水供電供氣供熱企業(yè)的投資界面應(yīng)延伸至用戶建筑區(qū)劃紅線，不得由用戶承擔(dān)建筑區(qū)劃紅線外發(fā)生的任何費(fèi)用。129號(hào)文對(duì)電網(wǎng)企業(yè)的業(yè)擴(kuò)報(bào)裝申請(qǐng)收資、接入方案的制定與業(yè)擴(kuò)配套項(xiàng)目的實(shí)施都產(chǎn)生了顛覆性的影響。電力系統(tǒng)中輸配電、中壓配電與臺(tái)區(qū)都屬于供電企業(yè)資產(chǎn)，由供電企業(yè)投資與運(yùn)維，129號(hào)文聚焦的是供電企業(yè)投資到用戶建筑區(qū)劃紅線問題。

長久以來，關(guān)于供電企業(yè)投資到什么范圍的問題一直存在爭議，以國網(wǎng)江蘇省電力有限公司實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為例，對(duì)于10 kV及以上專變用戶采用的是供電企業(yè)投資電氣部分、用戶投資土建部分的共建模式，對(duì)于新建居住區(qū)采用的是用戶全部投資的模式。依照原有的業(yè)擴(kuò)接入投資方案，投資主體為供電企業(yè)與用戶兩方。

1.2 產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)

產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的確定是供電接入方案中最重要的內(nèi)容。傳統(tǒng)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的確定基本參照《供電營業(yè)規(guī)則》中關(guān)于電網(wǎng)和用戶運(yùn)行維護(hù)責(zé)任分界點(diǎn)的確定方法，雖有較為明確的電氣位置描述，但對(duì)于其物理位置，特別是產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)與用戶紅線的位置關(guān)系缺乏清晰的距離界定。129號(hào)文要求電網(wǎng)投資界面延伸至用戶建筑區(qū)劃紅線，精準(zhǔn)確定電網(wǎng)投資界面產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)與用戶紅線的位置關(guān)系，既滿足129號(hào)文提出的電網(wǎng)延伸投資要求，又確保電網(wǎng)延伸投資具備實(shí)際可操作性。以下分不同場(chǎng)景，提出產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的確定原則。

1.2.1 低壓零散居民與非居民用戶

采用380/220 V供電，由電網(wǎng)延伸投資建設(shè)低壓供電線路至零散居民與非居民用戶紅線內(nèi)的電能計(jì)量箱；需要進(jìn)行配電改造的(配變?cè)鋈莸?，先接入再改造。以用戶紅線內(nèi)低壓計(jì)量裝置出線開關(guān)為產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)，分界點(diǎn)電源側(cè)供電設(shè)施由電網(wǎng)出資建設(shè)，分界點(diǎn)負(fù)荷側(cè)線路和設(shè)備由用戶出資建設(shè)。低壓零散居民與非居民用戶接入方案如圖1所示。

圖1 低壓零散居民與非居民用戶接入方案

1.2.2 10 kV及以上零散企業(yè)用戶

用戶紅線附近有具備容量開放條件的電源點(diǎn)時(shí)，電網(wǎng)不進(jìn)一步延伸投資， 用戶直接接入。以用戶紅線外線路接入桿塔、環(huán)網(wǎng)柜、開關(guān)站的連接點(diǎn)為產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)，分界點(diǎn)電源側(cè)設(shè)施由電網(wǎng)出資建設(shè)， 分界點(diǎn)負(fù)荷側(cè)線路和設(shè)備由用戶出資建設(shè)，零星企業(yè)用戶接入方案如圖2所示。

圖2 零星企業(yè)用戶接入方案

1.2.3 新建居住區(qū)

居住區(qū)紅線附近有具備容量開放條件的電源點(diǎn)時(shí)，電網(wǎng)不進(jìn)一步延伸投資， 居住區(qū)供配電設(shè)施直接接入。以居住區(qū)紅線外線路接入桿塔、環(huán)網(wǎng)柜、開關(guān)站的連接點(diǎn)為產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)， 分界點(diǎn)電源側(cè)設(shè)施由電網(wǎng)出資建設(shè)，分界點(diǎn)負(fù)荷側(cè)設(shè)施由房產(chǎn)開發(fā)單位出資建設(shè)，新建集中居住區(qū)供配電接入方案如圖3所示。

圖3 新建集中居住區(qū)供配電接入方案

1.3 報(bào)裝容量

129號(hào)文提出要求供電企業(yè)嚴(yán)格審查用戶的報(bào)裝容量，避免可能出現(xiàn)的無序報(bào)裝問題[6]。對(duì)于用電設(shè)備類型相對(duì)單一、功能確定、具有明顯負(fù)荷密度特征的用戶，供電企業(yè)根據(jù)負(fù)荷密度法、需用系數(shù)法測(cè)算提出合理報(bào)裝容量。對(duì)于擬報(bào)裝容量在800 kVA以上的大中型工業(yè)企業(yè)用戶以及醫(yī)療、精密制造等用電設(shè)備類型相對(duì)復(fù)雜的用戶，供電企業(yè)委托設(shè)計(jì)單位進(jìn)行負(fù)荷和報(bào)裝容量的初步測(cè)算[7]。報(bào)裝容量的確定尚未有可遵循的成熟方法。

2 改進(jìn)遺傳算法

遺傳算法起源于20世紀(jì)70年代，主要是通過模擬自然生物界的繁衍的復(fù)制、交叉與變異現(xiàn)象，從任意一個(gè)初始種群出發(fā)，經(jīng)過復(fù)制、交叉與變異，產(chǎn)生一組更能適應(yīng)生存環(huán)境的個(gè)體，經(jīng)過一定次數(shù)的迭代選擇，形成一組最優(yōu)的解集。遺傳算法適用于用戶合理報(bào)裝容量的確定[7]。

2.1 遺傳算法基本流程

應(yīng)用遺傳算法具體可以分為初始化、選擇、交叉、變異與全局最優(yōu)收斂等多個(gè)步驟。初始化是將對(duì)一個(gè)隨機(jī)個(gè)體進(jìn)行基因編碼，記為Gk=[Vk1，Vk2，…，Vkt，…，VTk]。個(gè)體中共有T個(gè)染色體，一個(gè)染色體內(nèi)又含有Q個(gè)水平，因此個(gè)體Gk為一個(gè)Q×T的行列式。考慮本研究內(nèi)容的實(shí)際情況，將遺傳算法的染色體組分為自然屬性組、社會(huì)屬性組、行業(yè)屬性組與自身屬性組，實(shí)現(xiàn)對(duì)有價(jià)值參數(shù)的全覆蓋，保證能夠有效地反映用戶容量需求[8]。

遺傳算法的核心是其中的選擇操作，遺傳算法遵循適者生存的標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)度體現(xiàn)了個(gè)體對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)程度，給定適應(yīng)度函數(shù)為f(Gk),則個(gè)體Gk在下一代中被選中的概率為

適應(yīng)度較高的個(gè)體，其下一代被選中的概率就較高，適應(yīng)度低的個(gè)體，其下一代被選中的概率就較低，甚至被淘汰。最常用的選擇方法為輪盤賭法，各個(gè)個(gè)體被選中的概率與其適應(yīng)度大小成正比[9]。

交叉是兩個(gè)相互配對(duì)的染色體生產(chǎn)下一代實(shí)現(xiàn)基因融合互換生產(chǎn)新的個(gè)體的過程，如圖4所示，為一個(gè)染色體的簡易交叉對(duì)調(diào)。在父輩交叉產(chǎn)生子輩的過程中實(shí)現(xiàn)染色體的交叉[10]。

圖4 染色體的交叉示意

在生物遺傳理論中，物種進(jìn)化存在一定的變異概率Pm，一般取值為0.01～0.2。遺傳的過程保證了生物的多樣性，有效地防止了算法的早熟收斂，對(duì)應(yīng)的染色體的變異示意如圖5所示[11]。

圖5 染色體的變異示意

經(jīng)過一定數(shù)量的迭代收斂，形成符合一定閾值的全局最優(yōu)解，則算法結(jié)束，否則新一代個(gè)體取代上一代個(gè)體不斷實(shí)現(xiàn)選擇、交叉與變異，對(duì)應(yīng)的遺傳算法執(zhí)行過程示意如圖6所示[12]。

圖6 遺傳算法執(zhí)行過程示意

2.2 遺傳算法的改進(jìn)

在遺傳算法演化的過程中，為了避免早熟收斂現(xiàn)象，提出了縮小相應(yīng)適應(yīng)度函數(shù)的改進(jìn)遺傳算法，降低異常個(gè)體的競(jìng)爭力。適應(yīng)度函數(shù)是為了給每個(gè)迭代后的染色體進(jìn)行打分，一般極大化的適應(yīng)度函數(shù)fitness(Gk)可表示為：

式中fitness(Gk)與f(Gk)表現(xiàn)為一次線性關(guān)系，在局部最優(yōu)表現(xiàn)較為強(qiáng)烈時(shí)缺乏調(diào)整能力[13]。為了解決該問題，在此重寫適應(yīng)度函數(shù)fit(Gk)為:

以倒數(shù)法為適應(yīng)度函數(shù)相較一次性線性函數(shù)增量較平緩，可以解決異常增量個(gè)體導(dǎo)致陷入的局部最優(yōu)問題，改進(jìn)遺傳算法的流程如圖7所示。

圖7 改進(jìn)遺傳算法的流程

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的基于改進(jìn)遺傳算法的用戶報(bào)裝容量優(yōu)化方法的有效性與科學(xué)性，以適應(yīng)129號(hào)文的落地實(shí)施，用自2021-03-01起1年內(nèi)以蘇州市供電公司本部的高壓業(yè)擴(kuò)報(bào)裝情況數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集和測(cè)試集，遺傳算法與改進(jìn)遺傳算法收斂效果的對(duì)比如圖8所示。

圖8 遺傳算法與改進(jìn)遺傳算法收斂效果對(duì)比

由圖8可知，相較于傳統(tǒng)的遺傳算法，改進(jìn)遺傳算法的收斂速度更快，適應(yīng)度函數(shù)值更為平穩(wěn)。為了評(píng)價(jià)改進(jìn)遺傳算法的好壞，引入匹配度指數(shù)η，定義其為：

式中：Pb為業(yè)擴(kuò)報(bào)裝送電半年內(nèi)達(dá)到的最大功率，Pc為基于改進(jìn)遺傳算法的用戶報(bào)裝計(jì)算容量。自2021-03-01實(shí)行以來，蘇州市本部供電的姑蘇區(qū)、新區(qū)(虎丘區(qū))、工業(yè)園區(qū)、相城區(qū)和吳中區(qū)的用戶報(bào)裝容量與實(shí)際需求容量匹配情況見表1。

表1 用戶報(bào)裝容量與實(shí)際需求容量匹配情況

由表1可知，在各個(gè)區(qū)的用戶報(bào)裝容量與實(shí)際需求容量匹配均達(dá)到了90 %以上，基本能夠滿足現(xiàn)實(shí)工作的要求。基于改進(jìn)遺傳算法的用戶報(bào)裝容量優(yōu)化方法能夠初步解決129號(hào)文實(shí)施過程中出現(xiàn)的無序報(bào)裝問題。

4 結(jié)束語

針對(duì)129號(hào)文實(shí)施過程中出現(xiàn)的用戶無序報(bào)裝占據(jù)電網(wǎng)線路容量資源問題，提出了基于改進(jìn)遺傳算法的用戶報(bào)裝容量優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶報(bào)裝容量的有效掌控。引進(jìn)遺傳算法將所有有價(jià)值的參數(shù)分為自然屬性組、社會(huì)屬性組、行業(yè)屬性組與自身屬性組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有效信息的提取。為了避免傳統(tǒng)遺傳算法的早熟收斂情況，采用倒數(shù)法的改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的削弱。利用蘇州地區(qū)1年的報(bào)裝容量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提出方法的有效性與科學(xué)性。用戶報(bào)裝容量的優(yōu)化值得進(jìn)一步研究。