发电机检修调度的三目标目标规划方法

《Electric Power Systems Research》：A tri-objective goal programming approach to generator maintenance scheduling

　　

研究人员提出一种用于发电机维护调度（Generator Maintenance Scheduling，GMS）的三目标目标规划模型，可同时优化可靠性、成本与备用裕度。该模型在统一优化框架内权衡相互竞争的目标，采用模拟退火（Simulated Annealing，SA）与约束规划（Constraint Programming，CP）两类求解方法，并在IEEE可靠性测试系统与受Eskom启发的大规模电力系统上完成评估。研究背景源于南非电力系统面临老化机组、有限备用与财务约束等结构性挑战，传统GMS研究多聚焦单一或成对目标，对生产费用、发电机故障概率与备用裕度平稳性三者同时交互的实证考察相对有限。研究人员将三目标表述为：最小化生产费用、最小化发电机故障概率、平滑规划期内备用裕度（以可用容量与负荷需求之差的平方和度量）。借助目标规划将竞争目标纳入统一结构，利用SA与CP求解小规模与大规模实例，近似得到帕累托前沿并与既有模型比较。结果表明，该三目标框架能更真实地反映系统运营商在经济效益、可靠性风险与系统充裕度之间的权衡，SA与CP在两类测试系统上均可行，CP在处理复杂逻辑与时间约束方面具备优势，SA在组合搜索中表现稳健。该研究填补了综合三目标GMS模型及元启发式与CP对比研究的空白，为监管或转型电力系统中基于优化的维护计划工具提供支撑。

研究背景方面，发电机维护调度（GMS）自20世纪70年代起作为电力系统规划与运行中的大规模组合优化问题被广泛研究，传统研究多以生产费用最小化或备用裕度稳定为单目标，部分工作引入发电机故障概率等可靠性因素，但多数将目标单独或两两组合处理。南非电力系统近年虽限电频率下降，仍面临老化发电资产、财务约束与波动能源市场压力，维护决策须同时兼顾经济效率、可靠性风险与系统充裕度。现有文献中综合生产费用、故障概率与备用平稳性的三目标实证模型稀缺，且元启发式与约束规划（CP）在同一框架下的系统比较不足。为此，研究人员建立三目标GMS模型，以目标规划（Goal Programming，GP）统一表述竞争目标，采用模拟退火（SA）与CP求解，在IEEE可靠性测试系统与Eskom启发系统上验证。

关键技术方法上，研究人员定义I台发电机组在J个时段内的二进制决策变量X_i,j（机组i在时段j开始检修）与Y_i,j（检修进行中），以可用容量减需求D_j的平方和度量备用裕度平稳性，以小时级电量Z_ijk（k∈[1,24]）与机组成本系数C_i核算生产费用，以发电机故障概率刻画可靠性；将三目标转化为GP偏差最小化问题，分别用SA（基于邻域搜索与降温机制）与CP（基于声明式约束、传播与局部搜索）求解，测试系统为IEEE可靠性测试系统与Eskom启发大规模系统。

研究结果部分，引言指出GMS需在满足需求与运行约束下确定检修时机，三目标同时优化可揭示成本、可靠性与备用间权衡，表1对比显示本文是唯一实现成本、备用、故障三目标且同时采用SA与CP的工作。文献综述归纳经济、便利与可靠性三类目标，指出现有方法在单/双目标与精确法可扩展性上的局限，CP在调度逻辑约束上潜力未被充分挖掘。三目标建模给出三个目标函数：备用裕度平方和SSR=∑_j∈J(∑_i∈IP_i,j(1?Y_i,j)?D_j)²、生产费用Cost=∑_j=1^J∑_k=1²⁴∑_i=1^IC_iZ_ijk、故障概率最小化，并配套检修窗口、互斥与可用容量等约束。求解方法章节阐明SA与CP各自搜索机制及适用规模。计算实验章节描述IEEE与Eskom启发系统的机组数、时段数与参数设置。结果章节展示两系统下SA与CP所得目标值、帕累托近似前沿及与双目标文献的差距。讨论章节认为三目标GP框架比单/双目标更贴合监管转型系统现实，CP在复杂时序约束上具表达力，SA在组合空间稳健，二者互补。结论部分翻译为：本研究提出一种三目标GP模型用于GMS，同时最小化生产费用、发电机故障概率并平滑备用裕度，采用SA与CP求解并在IEEE与Eskom启发系统评估；结果表明该统一框架能刻画成本-可靠性-充裕度权衡，SA与CP均适用不同规模，未来可将模型与数字孪生、实时监测及机组组合进一步集成。论文发表于《Electric Power Systems Research》。