Kubernetes容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化

蔡勛瑋，趙 俊，趙 麗，齊 明，李艷西

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司信息通信分公司，湖南長沙 410004）

隨著電網(wǎng)用戶用電需求的增加，供電系統(tǒng)的供電設(shè)施數(shù)量與位置受到較大影響，導(dǎo)致供電系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢，穩(wěn)定性下降，無法確保供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的最優(yōu)[1-2]。

近幾年來，我國多個(gè)電網(wǎng)公司先后設(shè)計(jì)了高標(biāo)準(zhǔn)的供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方案，如文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]利用啟發(fā)式算法計(jì)算出供電系統(tǒng)響應(yīng)速度指數(shù)，動(dòng)態(tài)顯示供電系統(tǒng)內(nèi)潮流分布情況，計(jì)算新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的數(shù)值要比傳統(tǒng)電網(wǎng)計(jì)算出的數(shù)值更準(zhǔn)確。雖然電網(wǎng)公司在一定程度上優(yōu)化了供電系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但不能使響應(yīng)速度達(dá)到最優(yōu)，也無法保證其穩(wěn)定性和可靠性，并且優(yōu)化方案的自動(dòng)尋優(yōu)能力依然較低。

為解決以上出現(xiàn)的問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于Kubernetes 容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方案，該優(yōu)化方案利用Kubernetes 容器的隔離特點(diǎn)，減少新型供電系統(tǒng)在不同運(yùn)行環(huán)境下受到的干擾，采用Kubernetes 容器集群與響應(yīng)速度優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度的最優(yōu)，根據(jù)供電系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建響應(yīng)速度優(yōu)化模型，并給出相關(guān)的優(yōu)化解析表達(dá)式，提升新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的穩(wěn)定性和可靠性。

1 響應(yīng)速度指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)供電系統(tǒng)供電故障范圍以及恢復(fù)供電時(shí)間設(shè)定系統(tǒng)開關(guān)權(quán)限，并對新型供電系統(tǒng)的響應(yīng)速度進(jìn)行饋線分區(qū)，圖1 為新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的饋線分區(qū)示意圖。

圖1 新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的饋線分區(qū)

在圖1 所示的新型供電系統(tǒng)中，以響應(yīng)速度重合器R1和R2、振蕩器F為邊界線，將響應(yīng)速度饋線分成3 個(gè)區(qū)域；在計(jì)算Kubernetes 容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度指標(biāo)時(shí)，根據(jù)響應(yīng)速度重合器的功能將新型供電系統(tǒng)分為若干個(gè)響應(yīng)區(qū)域，對于每一種新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方案，通過列舉供電系統(tǒng)中發(fā)生供電故障的位置，分析異常供電對饋線區(qū)域響應(yīng)速度的影響并確定供電電流，以此計(jì)算供電系統(tǒng)響應(yīng)速度指標(biāo)[5-6]。

在響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)，保護(hù)設(shè)備的安裝位置與供電電源位置決定了故障發(fā)生的次數(shù)，重合器的安裝位置對新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的優(yōu)化至關(guān)重要，且用電保護(hù)設(shè)備可提升供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的穩(wěn)定性[7-8]，響應(yīng)速度函數(shù)的表達(dá)式如下：

式中，λi為用戶停電頻率；Ni為負(fù)荷數(shù)量；R是供電系統(tǒng)用電設(shè)備總和。

斷電持續(xù)時(shí)的系統(tǒng)平均停電頻率指數(shù)為：

式中，Ti是負(fù)荷點(diǎn)i每年斷電時(shí)間。

通過以上分析可知，供電系統(tǒng)響應(yīng)速度指標(biāo)是用戶斷電頻率與斷電持續(xù)時(shí)間的加權(quán)系數(shù)，用戶的斷電頻率可側(cè)面反映新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的高低[9-10]。

如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常供電的位置發(fā)生在響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)，由于饋線區(qū)內(nèi)沒有提前安裝用電負(fù)荷保護(hù)設(shè)備，所以響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)的所有負(fù)荷斷電；如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常供電的位置發(fā)生在響應(yīng)速度饋線區(qū)外，并且饋線區(qū)內(nèi)的重合器依然與供電系統(tǒng)的變電站相連，供電系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)向響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)的所有負(fù)荷供電，否則新型供電系統(tǒng)的變電站會(huì)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行模式，此時(shí)，供電系統(tǒng)響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)的所有負(fù)荷都將處于斷電模式，在饋線區(qū)內(nèi)的各個(gè)部分，響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的故障次數(shù)與發(fā)生供電故障概率呈正相關(guān)關(guān)系[11-12]。

當(dāng)異常供電出現(xiàn)在響應(yīng)速度饋線區(qū)外側(cè)時(shí)，計(jì)算響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)重合器與振蕩器電源輸出的最大電流之和，與響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)負(fù)荷斷電時(shí)間曲線作對比，若饋線區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的用電量大于總發(fā)電量，則響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)負(fù)荷故障次數(shù)減少。新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度指標(biāo)計(jì)算流程如圖2 所示。

圖2 新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度指標(biāo)計(jì)算流程

2 響應(yīng)速度優(yōu)化流程

將新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)的各種響應(yīng)速度優(yōu)化算法結(jié)合起來，確定供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化變量，分析各個(gè)響應(yīng)速度指數(shù)之間的關(guān)系，使用Kubernetes 的命令行工具算法，將供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化變量部署到容器集群環(huán)境中，通過潮流計(jì)算實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的優(yōu)化。Kubernetes 容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化流程如下：

首先，在饋線區(qū)域內(nèi)，將供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化變量初始化，通過粒子群優(yōu)化算法反饋響應(yīng)速度優(yōu)化變量的初始化狀態(tài)，并動(dòng)態(tài)調(diào)整響應(yīng)速度指數(shù)，根據(jù)混沌序列的遍歷性，修改新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方案，對每個(gè)響應(yīng)速度優(yōu)化變量引入特定混沌因子x(r)=y(c)x(r-1)[1-x(r-1)]，利用混沌序列提升供電系統(tǒng)優(yōu)化響應(yīng)速度的能力，并對供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行混沌擾動(dòng)，新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度指標(biāo)ΔE受到負(fù)荷斷電持續(xù)時(shí)間C(t)影響，γ(t)表示由新型供電系統(tǒng)供電的用戶遭受斷電持續(xù)的時(shí)間，建立如下響應(yīng)速度優(yōu)化表達(dá)式：

式中，Stcp為饋線區(qū)長度的調(diào)節(jié)步長。供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化參數(shù)需要限制在預(yù)先確定的粒子群內(nèi)，如果超出粒子群的邊界，則響應(yīng)速度的優(yōu)化變量取邊界值，利用混沌序列生成一個(gè)響應(yīng)速度優(yōu)化粒子群后，粒子的原始參數(shù)是供電系統(tǒng)響應(yīng)速度標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的平均值[13-14]。

然后，將新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化變量代入響應(yīng)速度表達(dá)式中，動(dòng)態(tài)顯示供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的潮流分布情況，計(jì)算響應(yīng)速度優(yōu)化函數(shù)值。為了防止自適應(yīng)混沌粒子群優(yōu)化算法陷入局部極值，可以在使用混沌粒子群優(yōu)化算法時(shí)引入交叉變異操作，幫助供電系統(tǒng)粒子種群處于多樣化狀態(tài)。

對供電系統(tǒng)響應(yīng)速度變量中的部分維分量采取變異操作，提高供電系統(tǒng)的全局尋優(yōu)能力，防止響應(yīng)速度優(yōu)化算法早熟，響應(yīng)速度優(yōu)化粒子群的各維配置隨機(jī)數(shù)與響應(yīng)速度優(yōu)化概率相等，則對該供電系統(tǒng)響應(yīng)粒子速度進(jìn)行交叉變異操作，即：

最后，計(jì)算響應(yīng)速度迭代次數(shù)，采用潮流分布計(jì)算方法評估供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化的穩(wěn)定性，并將其作為反饋信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整響應(yīng)速度優(yōu)化策略和響應(yīng)算子，利用混沌序列對響應(yīng)速度優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過整合多個(gè)響應(yīng)速度優(yōu)化函數(shù)，計(jì)算呈現(xiàn)多樣化狀態(tài)的響應(yīng)速度值。

為了進(jìn)一步確定最優(yōu)的新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方案，使用模糊隸屬度函數(shù)評估供電系統(tǒng)響應(yīng)速度各個(gè)函數(shù)對應(yīng)的隸屬度，并定義模數(shù)隸屬度函數(shù)，如式（5）所示：

式中，um是響應(yīng)速度優(yōu)化函數(shù)fm的隸屬度值，fm是第m個(gè)響應(yīng)速度優(yōu)化函數(shù)值分別是第m個(gè)供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化函數(shù)值的最大值和最小值。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證提出的Kubernetes 容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方法的穩(wěn)定性和可靠性，文中采用了潮流分布和粒子群優(yōu)化算法，與傳統(tǒng)的新型供電系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間優(yōu)化方法（文獻(xiàn)[3]方法）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。通過粒子群優(yōu)化算法計(jì)算出的供電系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間結(jié)果與傳統(tǒng)方法響應(yīng)時(shí)間結(jié)果對比情況如表1。

表1 響應(yīng)時(shí)間對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，提出的Kubernetes 容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方法具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，利用響應(yīng)速度優(yōu)化算法調(diào)整新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)的重合器和振蕩器配置，使Kubernetes 容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)的負(fù)荷均衡性更好。

傳統(tǒng)方法響應(yīng)速度優(yōu)化方法中供電系統(tǒng)需要持續(xù)超大功率供電，圖3 為傳統(tǒng)方法負(fù)荷曲線。

圖3 傳統(tǒng)方法負(fù)荷曲線

根據(jù)圖3 可知，傳統(tǒng)方法增加了配電網(wǎng)對地電流的約束條件，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法對負(fù)荷提供供電能力減弱，限制了傳統(tǒng)方法內(nèi)各種供電設(shè)備的設(shè)置條件，工作人員只能先通過自身的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)對供電系統(tǒng)響應(yīng)速度進(jìn)行優(yōu)化，再調(diào)整供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方法，這樣造成供電系統(tǒng)響應(yīng)速度饋線區(qū)內(nèi)全局優(yōu)化能力較低。使用傳統(tǒng)優(yōu)化算法計(jì)算響應(yīng)速度函數(shù)值時(shí)，計(jì)算出的供電系統(tǒng)響應(yīng)速度值不準(zhǔn)確，與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)相差較大。

除此之外，傳統(tǒng)方法響應(yīng)速度優(yōu)化方法通常用配電網(wǎng)的電壓極值來反映響應(yīng)速度大小，通過設(shè)計(jì)人員給定的供電設(shè)備數(shù)量計(jì)算供電負(fù)荷，反復(fù)檢查對比響應(yīng)速度優(yōu)化方案，再最終確定供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方案，這樣缺少了響應(yīng)速度優(yōu)化的計(jì)算步驟，使計(jì)算出的供電系統(tǒng)響應(yīng)速度準(zhǔn)確度較低，降低了供電系統(tǒng)響應(yīng)速度的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)方法響應(yīng)速度優(yōu)化方法與文中方法的響應(yīng)時(shí)間存在較大差別，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 目標(biāo)函數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方法中響應(yīng)時(shí)間變量最小，基于Kubernetes 容器集群計(jì)算軟件得到的供電系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間數(shù)值居中，傳統(tǒng)方法得到的供電系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間數(shù)值偏大。并且在提出的響應(yīng)速度優(yōu)化方法中，新型供電系統(tǒng)的平均有損功耗小于傳統(tǒng)方法的功耗，傳統(tǒng)方法響應(yīng)速度計(jì)算軟件只能對供電負(fù)荷進(jìn)行模擬，全局搜索能力低。文中把新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化軟件與智能優(yōu)化結(jié)合，這樣能夠提高新型供電系統(tǒng)的全局搜索能力，使供電系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，穩(wěn)定性和可靠性較高。

4 結(jié)束語

文中采用潮流分布和粒子群優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)了Kubernetes 容器集群環(huán)境下新型供電系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化方案，其響應(yīng)速度較優(yōu)，且全局搜索能力更好，供電系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，穩(wěn)定性和可靠性更高。