陳 勇，王云輝，周俊東

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011)

當(dāng)前，在變電站電纜排布中，都是依靠相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行操作的，在安裝時僅能夠保證設(shè)備合理，但科學(xué)性較差。如果詳細(xì)要求技術(shù)人員對比每根導(dǎo)線的型號以及安裝的位置，會帶來較大的工作量，并且排布效果較差。文獻(xiàn)[1]研究了排管電纜群布置方式的聯(lián)合優(yōu)化方法，利用 COMSOL與 Matlab相結(jié)合的方法，對線纜進(jìn)行了模擬，以此為依據(jù)得到了最終線組的最佳配置；文獻(xiàn)[2]研究了長距離330 kV電纜護(hù)套交叉互聯(lián)接地方式及回流纜優(yōu)化布置方法，利用 EEM軟件建立了模型，并進(jìn)行了電壓分析，實現(xiàn)電纜排布。上述提出的方法雖然能夠排布電纜，但是不能夠?qū)ふ业阶疃痰木€纜敷設(shè)位置。

蟻群算法是路徑規(guī)劃時最常用的一種，因為每一只螞蟻都不知道自己的目標(biāo)在哪里，因此其只能在自己能看到的地方尋找，這樣就可以得到更多的信息，通過綜合信息判斷找到最短的路徑?；诖?，從尋找最短敷設(shè)路徑角度出發(fā)，提出了基于蟻群算法的500 kV變電站電纜復(fù)雜空間排布方法。

1 基于BIM技術(shù)建立變電站電纜及關(guān)聯(lián)模型

將全站電纜清冊導(dǎo)入電纜施工管理系統(tǒng)，確定電纜起點與終點的設(shè)備、電纜的通道以及其他信息，過程如下所示：

(1)建立BIM模型前采集變電站內(nèi)設(shè)備、材料以及場地等參數(shù)，主要采集的數(shù)據(jù)包含、電纜溝尺寸、配電箱尺寸、電纜外徑、線槽尺寸[3]、電氣回路。這些數(shù)據(jù)彼此獨立，卻又互相聯(lián)系，任何一組數(shù)據(jù)的改變都會影響到正確的布線。

(2)模型建立，利用BIM建模軟件以收集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立精確的三維可視化模型[4]，如圖1所示。

圖1 變電站電纜及關(guān)聯(lián)模型建立流程

基于上述過程建立起該變電站內(nèi)部初始關(guān)聯(lián)模型，為后續(xù)電纜排布提供基礎(chǔ)。

2 基于蟻群算法最短敷設(shè)路徑計算

基于上述過程采用BIM技術(shù)建立起變電站電纜及關(guān)聯(lián)模型，將蟻群算法應(yīng)用到最短路徑尋找中，以提高排布效果，減少浪費。

2.1 500 kV變電站電纜布線空間建模

螞蟻在覓食時，往往可以找到一條最短的路徑，為此將該算法應(yīng)用到電纜排布中。由于變電站中的結(jié)構(gòu)件種類較多[5]，大小形狀也不同，導(dǎo)致布線空間不規(guī)劃，為此對變電站內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行三維空間環(huán)境建模。蟻群算法的覓食路徑如圖2所示。

圖2 蟻群算法覓食路徑原理圖

圖2所示的蟻群算法覓食過程如下：

(1)網(wǎng)格化處理變電站電纜空間：將空間抽象為空間位置信息的節(jié)點，描述線路可能經(jīng)過的空間點；

(2)由于整個空間模型較大[6]，會消耗較多存儲空間，因此將變電站電纜空間分成幾個部分，把配線空間分成幾個子空間的并集：

A=A1∪A2∪A3∪…∪An

(1)

式中：A為整個變電站電纜布設(shè)空間；A1、A2、A3、An等分別為劃分的各個子空間。

(3)通過對網(wǎng)格進(jìn)行處理，將其從結(jié)構(gòu)模型中提取出一個立體的模型，將坐標(biāo)系頂點記作B，在B中建立三維坐標(biāo)系B-xyz，在該空間中，每個柵格都相當(dāng)于頂點，為保證尋找時節(jié)點不發(fā)生碰撞[7]，對其進(jìn)一步處理：

(2)

式中：k為規(guī)劃參數(shù)；mant為第t個時間內(nèi)平面等分參數(shù)；m0為三維結(jié)構(gòu)模型最大長度值；r為求解半徑。

根據(jù)以上步驟，將配線空間按一定的方式進(jìn)行分割，從而提高了計算的效率。

2.2 最短路徑尋找

將螞蟻隨機置于起始網(wǎng)格[8]，確保每個通道上的初始點都是相同的，并將其記錄為

τij(0)=τ0

(3)

根據(jù)隨機比率，選擇下一次要傳送的柵格[9]，并將其選取過程描述為

(4)

式中：τij為ij上的信息素；ηij為ij邊上的啟發(fā)因子；ηis、τis分別為is邊上被允許訪問的柵格集合；α為隨機參數(shù)，β為調(diào)整因子。

將螞蟻從當(dāng)前節(jié)點選擇下一個節(jié)點的計算公式表示為

(5)

為防止螞蟻選擇已經(jīng)過的網(wǎng)格，使用禁忌表格來記錄蟻群通過的網(wǎng)格，確保其在某一時刻結(jié)束后，完成環(huán)繞，并將每個螞蟻的行進(jìn)路線都記錄下來，并保留最小的路線[10]。

由于在選取節(jié)點時，每一次通過相鄰節(jié)點，都會更新相鄰節(jié)點的信息素，因此，該更新公式如下：

τi,j=(1-c)τi,j+cτ0

(6)

式中：τ0為鄰近節(jié)點更新時的初始值；c為可變參數(shù)的取值范圍。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對信息素增量計算[11]，計算公式如下所示：

(7)

式中：Lk、Lv、LG分別為螞蟻每次行走時走過的路徑參數(shù)；W為螞蟻與螞蟻相遇時迭代的最優(yōu)解。

每次螞蟻結(jié)束一個周期，清除禁忌表格[12]，然后回到最初的網(wǎng)格，為下次布線做好準(zhǔn)備，這樣就可以找到最短的布線路線。

3 實現(xiàn)變電站電纜復(fù)雜空間排布

通過上述過程已經(jīng)采用BIM技術(shù)建立起敷設(shè)模型，并尋找了最短敷設(shè)距離，在此基礎(chǔ)上，基于最短路徑，重新對BIM模型調(diào)整[13]。由于首階段所建立的模型常常不能達(dá)到最佳的狀態(tài)，因此，對線纜進(jìn)行了二次布置，調(diào)整的范圍包含了每層的線纜的寬度，并對調(diào)整后的模型進(jìn)行碰撞檢測，利用 BIM軟件的 navisworks進(jìn)行碰撞檢測，直至模型碰撞檢測為0，得出建筑的模型。在本系統(tǒng)中實現(xiàn)了對光纜鋪設(shè)過程的自動仿真，并根據(jù)實際情況，對不同施工階段的施工參數(shù)進(jìn)行了分析，并對現(xiàn)場電纜的施工和安裝進(jìn)行了指導(dǎo)。

在模型建立后，確定最優(yōu)施工過程，突出實際的電纜排布過程，如下所示：

(1)出圖紙，調(diào)試完成后，按對應(yīng)斷面畫出支架的大致輪廓，在線路較復(fù)雜的部位出斷面[14]；

(2)準(zhǔn)備施工所用材料，對電纜配盤，將電纜盤設(shè)在配電之間；

(3)用鐵絲網(wǎng)將鋼索的頂部緊固，并檢查各連接件的準(zhǔn)備情況，然后進(jìn)行吊裝；

(4)在電纜溝與周邊建筑物側(cè)墻進(jìn)行了開孔處理，便于電纜的分流，同時電纜溝底部至兩側(cè)建筑物地面有傾斜過度，便于電纜敷設(shè)[15]，整個施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

(5)施工交底，按照3-D組相應(yīng)剖面的等視圖進(jìn)行技術(shù)交底，保證了虛擬敷設(shè)的結(jié)果與實際敷設(shè)的結(jié)果相符，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，實現(xiàn)變電站的復(fù)雜空間布局。

4 實驗對比

為驗證所提出的基于蟻群算法的變電站電纜復(fù)雜空間排布方法的有效性，將排管電纜群布置方式的聯(lián)合優(yōu)化方法、長距離330 kV回流纜優(yōu)化布置方法與所提出的方法對比，對比三種方法的排布效果。

4.1 實驗準(zhǔn)備

此次實驗主要包含兩部分，第一部分實驗主要對比在有故障物的情況下與沒有故障物的情況下，三種方法尋找到的最短路徑長度，第二部分主要對比在有無障礙物下三種方法的路徑尋找時間。實驗1在長100 m，寬100 m的環(huán)境中進(jìn)行，有障礙物的路徑尋找示意圖如圖4所示。

圖4 有障礙物的路徑尋找示意圖

實驗2中障礙物模型參數(shù)如表1所示。

表1 障礙物模型參數(shù)

在上述實驗環(huán)境下進(jìn)行實驗，詳細(xì)的對比結(jié)果如下所示。

4.2 第一部分實驗對比結(jié)果

三種方法在沒有障礙物的情況下，尋找的最短路徑長度如圖5所示。

圖5 沒有障礙物情況下最短路徑長度

在有障礙物的情況下，所提出的排布方法與另外兩種排布方法路徑尋找長度如圖6所示。

圖6 有障礙物情況下最短路徑長度

由圖5和圖6可知，在有障礙物的情況下，三種方法尋找到的路徑長度明顯多于沒有障礙物的路徑長度。經(jīng)過對比能夠發(fā)現(xiàn)，在幾條路徑尋找上，所提出方法尋找的路徑長度是最短的，較另外兩種方法效果好。

4.3 第二部分實驗對比結(jié)果

沒有障礙物情況下，路徑尋找時間如表2所示。

表2 無障礙物下路徑尋找時間 min

在第二部分中，障礙物的位置已經(jīng)標(biāo)出，分別采用三種方法尋找排布路徑，所花費的排布路徑尋找時間如表3所示。

表3 在有障礙物的情況下路徑尋找時間 min

基于上述結(jié)果能夠看出，在有無障礙物情況下，所提出的方法花費的時間較少，較另外兩種方法花費的路徑尋找時間都少。證明所提出的變電站電纜空間排布方法能夠有效降低節(jié)點搜索的重復(fù)數(shù)，減少轉(zhuǎn)折點的數(shù)目，從而縮小了路徑之間的距離，提升施工效率。

5 結(jié) 語

通過上述過程完成基于蟻群算法的變電站電纜復(fù)雜空間排布方法的研究，實驗結(jié)果表明所提出的排布方法能夠在短時間內(nèi)尋找到最短路徑，并且受到障礙物的影響較小，證明了所提出的方法的有效性。但是研究時間有限，所提出的方法還需要進(jìn)一步優(yōu)化提高變電站電纜復(fù)雜空間排布效果。