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        基于改進(jìn)的動(dòng)態(tài)多種群粒子群優(yōu)化算法的配電網(wǎng)重構(gòu)

        2023-10-18 12:43:22劉明紅王鵬朝
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年24期
        關(guān)鍵詞:配電網(wǎng)機(jī)制優(yōu)化

        袁 昕,劉明紅,王鵬朝,李 清

        (國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊)

        引言

        配電網(wǎng)重構(gòu)是確定配電網(wǎng)開關(guān)的狀態(tài),使線路損耗在諸如饋線容量、電壓降和變壓器容量等條件的約束下得到最大優(yōu)化。由于候選開關(guān)組合很多,并且每個(gè)開關(guān)狀態(tài)都是離散的,所以配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)被認(rèn)為是一個(gè)離散的、非線性約束的組合優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[1]提出了一種具有鄰域搜索機(jī)制的免疫算法用于配電網(wǎng)重構(gòu);文獻(xiàn)[2]結(jié)合進(jìn)化過程中的自適應(yīng)參數(shù)變化,提出了具有個(gè)體老化機(jī)制的遺傳算法,從而避免了早熟收斂;文獻(xiàn)[3]采用循環(huán)編碼的遺傳優(yōu)化與免疫方法相結(jié)合,以減少不可行解的產(chǎn)生。

        粒子群優(yōu)化(PSO)是由Kennedy 和Eberhart 于1995 年提出的一種簡(jiǎn)單而有效的啟發(fā)式優(yōu)化算法[4]。雖然粒子群算法在連續(xù)問題中得到了廣泛的應(yīng)用,但它并沒有很好的解決離散組合問題,如配電網(wǎng)重構(gòu)。考慮到電源的輸出,文獻(xiàn)[5]采用二進(jìn)制PSO(BPSO)解決重構(gòu)問題,粒子位置的每個(gè)維度表示開關(guān)的狀態(tài),即,0 表示打開,1 表示關(guān)閉。

        本文提出了一個(gè)基于更新策略,結(jié)合動(dòng)態(tài)多種群的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法(DMS-PSO),相對(duì)于傳統(tǒng)粒子群算法有著更好的魯棒性能和收斂精度,更加適合于解決離散組合問題。

        1 基于集合更新策略的動(dòng)態(tài)多種群粒子群優(yōu)化算法(DMS-PSO)

        1.1 動(dòng)態(tài)多種群粒子群算法

        DMS-PSO 算法是一種全局優(yōu)化算法,整個(gè)群體分成幾個(gè)亞組以相互協(xié)調(diào),且在進(jìn)化的大多數(shù)時(shí)間,進(jìn)化信息不會(huì)在不同的子組之間交換。在幾次迭代之后,整個(gè)群體將被重組,相互交換進(jìn)化信息,這樣就可以有效地?cái)U(kuò)展整個(gè)群體的搜索空間,提高收斂精度。算法的搜索過程如圖1 所示。

        圖1 DMS-PSO 搜索過程

        從圖1 中,我們可以看到粒子的搜索空間主要通過重組操作擴(kuò)展,更新規(guī)則如下:

        1.2 基于集合概念的速度和位置更新機(jī)制

        重新定義速度和位置變量并更新機(jī)制解決離散化,具體內(nèi)容表示如下:

        (1) 速度變量定義為具有可能性的集合。

        式中:vid為粒子在n 維度上的速度;Ed為表示第n 維中的所有元素的明確集合;ed是Ed中的某個(gè)元素;p(ed)為ed 的概率。

        (2) 當(dāng)初始化粒子速度時(shí),選擇維度中的所有元素,并為每個(gè)元素分配隨機(jī)可能性,即p(ed)。

        (3) 對(duì)于速度更新機(jī)制,原始公式?jīng)]有任何變化,而公式中的計(jì)算運(yùn)算符不同。系數(shù)c 和速度集合vid之間的乘法運(yùn)算符被定義為系數(shù)c 和速度元素中的可能性p(ed)之間的乘法。如果可能性大于1,它將被限制為1。

        兩個(gè)清晰的集合之間的負(fù)算子被定義為元素的加法。速度集合A 中的元素(A 和B 都具有)將從集合A 中移除。這里A 和B 表示兩個(gè)速度集。

        具有可能性的兩個(gè)集合V1,V2之間的加運(yùn)算符被定義為元素加法。對(duì)于元素e 兩個(gè)集合,具有更大的可能性將被保持。

        (4) 在更新粒子位置時(shí),產(chǎn)生隨機(jī)可能性?,并且將選擇具有大于?的可能性的元素以形成候選集candi?。

        隨機(jī)選擇候選集中的元素并參與位置更新以形成新的粒子位置。如果沒有可能大于隨機(jī)數(shù)?的元素,則候選集將為空,并且該維中的位置變量不會(huì)改變。

        1.3 考慮鄰域搜索的動(dòng)態(tài)多種群粒子群算法

        為了進(jìn)一步提高算法的利用能力,本文提出了一種鄰域搜索機(jī)制。這種機(jī)制給予粒子一定的可能性Pc以彼此交換信息,其可能性預(yù)先確定為指數(shù)函數(shù)分布。主要步驟如下所示:

        (1) 首先,對(duì)于第i 個(gè)粒子的第d 維,生成隨機(jī)可能性rand。如果rand 大于第i 個(gè)粒子的預(yù)定可能性Pc(i),則ith的位置X(i,d)不改變,否則到達(dá)步驟(2)。

        (2) 其次,在整個(gè)群體ps 中隨機(jī)選擇兩個(gè)粒子Rnd1、Rnd2,并且將具有更好最佳適應(yīng)度Fit[pbest(Rnd)]的粒子以更新X(d)。

        (3) 最后,如果d 大于最大尺寸數(shù)D,程序結(jié)束,否則d=d+1,繼續(xù)步驟(1)。

        2 拓?fù)涞暮?jiǎn)化和編碼

        由于分布網(wǎng)絡(luò)必須滿足網(wǎng)絡(luò)的徑向性質(zhì),當(dāng)應(yīng)用智能算法來解決分布網(wǎng)絡(luò)重新配置問題時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量不可行解,有必要簡(jiǎn)化拓?fù)浼s束判斷的過程。本文采用等價(jià)分支的簡(jiǎn)化方法。閉合所有開關(guān),選擇度數(shù)大于2 的節(jié)點(diǎn)和互連開關(guān)的端點(diǎn)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的分支是等價(jià)的分支,在拓?fù)浼s束的判斷中起到相同的作用。如上所述,PG&E 69 節(jié)點(diǎn)分布系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為圖2。

        圖2 PG&E 69 節(jié)點(diǎn)分布網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化的過程

        對(duì)于編碼方法,采用循環(huán)編碼方法,其中每個(gè)循環(huán)中只能選擇一個(gè)開關(guān)。對(duì)于圖論中的樹的概念,連接圖中的輻射樹需要打開和關(guān)閉相等數(shù)量的開關(guān)以轉(zhuǎn)換成另一輻射樹拓?fù)洹Qh(huán)編碼方法可以完美地滿足這些要求并有效地壓縮解空間。例如,69 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)原始解空間為273=1057,而循環(huán)編碼可以將解空間壓縮約為106。

        3 不可行解的修復(fù)機(jī)制

        對(duì)于不可行解,傳統(tǒng)的方法是重新求解,不僅低效而且更重要的是影響收斂精度。為了進(jìn)一步提高算法的運(yùn)行效率,提出了一種修復(fù)拓?fù)洳豢尚薪獾姆椒?。?duì)于不同類型的不可行解,根據(jù)各自的特點(diǎn)進(jìn)行判斷,并進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)。由于簡(jiǎn)化和編碼方法,不可行解可以分為兩類:回路或者“孤島”。對(duì)于第一種情況下,回路的開關(guān)對(duì)應(yīng)的可用于區(qū)分類型的解,關(guān)閉一個(gè)重復(fù)的開關(guān)將有效地解決這些解;于另一種情況下,關(guān)閉所有的在循環(huán)中的接觸開關(guān)可以有效地解決不可行解。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        為了驗(yàn)證算法的有效性,基于PG&E 69 節(jié)點(diǎn)分布式系統(tǒng),分布式發(fā)電機(jī)安裝在21,50,39 節(jié)點(diǎn)上,具體參數(shù)見表1。

        表1 DG 的位置和能力

        對(duì)于參數(shù)選擇,種群大小設(shè)置為81,最大迭代為50,子組大小為3,慣性常數(shù)為0.9 至0.4,較大的慣性權(quán)重保證迭代初期有較大的全局搜索能力,迭代后期較小的慣性權(quán)重有利于更精確的局部搜索。

        在配電網(wǎng)的69 節(jié)點(diǎn)上對(duì)所提出的修復(fù)機(jī)制進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)如圖2 所示,結(jié)果如表2 所示。通過對(duì)比我們可以看出,本文所提出的方法具有更好的求解精度。

        表2 使用DG 進(jìn)行配置和優(yōu)化的結(jié)果

        本研究方法迭代15 次就收斂,文獻(xiàn)[5]的方法迭代24 次收斂,驗(yàn)證了本文方法具有較高的計(jì)算效率,原因是修復(fù)機(jī)制可以更好地利用不可行解中的信息,從而加速收斂過程,提高了計(jì)算效率。

        5 結(jié)論

        提出了一種基于改進(jìn)的動(dòng)態(tài)多群粒子群優(yōu)化(DMS-PSO)的配電網(wǎng)重構(gòu)方法。針對(duì)粒子速度和位置提出了基于集的更新策略,提出了鄰域的學(xué)習(xí)策略來提高算法的局部搜索能力和一種修復(fù)機(jī)制,以提高算法的收斂速度和準(zhǔn)確性,在69 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明所提出的方法具有良好的性能。

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