CN103903062A - 基于双蚁群优化的配电网网络重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，包括步骤有：环网提取；参数初始化；双蚁群搜索；解码每组蚂蚁走过的路径，得到配电网网络重构方案，进行环网检测，孤岛检测以及约束条件检测，判别方案的可行性；判别两组蚂蚁个数是否达到蚁群规模；判断是否达到信息交换次数；交换信息并判断是否满足终止条件，结束得到最佳配电网网络重构方案；本发明采用深度搜索方法，确定配电网中的环网对配电网中环网上联络开关和分段开关进行重构，减少了参与重构开关的位数，可有效解决在配电网开关组合维数较高时搜索恢复方案所面临的组合爆炸问题，减少了计算量，加快了寻优速度。

Description

基于双蚁群优化的配电网网络重构方法

技术领域

本发明属于配电网运行优化和运行管理技术领域，涉及中低压配电网网络重构方法，尤其是一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法。

背景技术

西方主要工业国家的网损率在5%～8%，我国网损率则高达9%左右。而网损率很大一部分来自35kV～110kV配电网，可占总网损率的60%左右，可见降损工作的关键在于降低配电网线损。配电网由于为环状设计，因此可以在保证配网开环运行、满足馈线热容、电压降落要求和变压器容量等不等式约束的前提下，通过改变分段开关、联络开关的组合状态，重新选择用户的供电路径，使配网运行于最佳方式，即配电网络重构。配电网络重构是降低配电网络网损的有效途径，此外通过网络重构还可使负荷在各个馈线和变压器之间合理分配，从而避免线路和变压器过载，提高供电质量，改善系统的运行条件。

配电网络重构在综合考虑馈线容量、节点电压、支路电流、变压器容量以及网络拓扑等约束条件，并满足一定开关动作次数和网损目标等前提下，寻找正确、有效的开关组合的优化过程。而开关组合变量空间维数甚高，使得配电网络重构面临组合爆炸的危险。人工智能理论求解复杂的非线性系统问题的优势弥补了传统方法单纯依靠数学求解的不足，解决了某些传统计算方法难于求解或不能解决的问题。其中，双蚁群算法由于采用信息交互机制，一定程度上克服了传统蚁群算法易陷入局部极小值的问题，即将广泛应用于非线性寻优问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法。采用双蚁群优化方法，通过改变分段开关、联络开关的组合状态，选取最优的供电路径，保证供电质量的同时，有效的降低网损。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，包括步骤如下：

（1）环网提取；根据配电网当前运行状态以及配电网络中联络开关，从电源点开始搜索，提取环网；在搜索的过程中记录环网上的电源点，联络开关和分段开关，断开的联络开关和分段开关之和以及节点个数；

（2）参数初始化；循环次数初值n=0，所有路径上的信息素都为一常数a，设置两组蚁群的种群规模为ml和m2的信息素交换次数为c；

（3）双蚁群搜索；设两组蚁群的蚂蚁个数为0，信息素交换次数为0，以配电网络网损最小为目标函数，同时满足开关操作次数最小化，采用两组蚁群，分别搜索重构方案；

第K只蚂蚁从节点i转移到节点j的状态转移概率按如下公式（一）计算，

式中τ(i,j)为从节点i到节点j的路径上积累的信息素；η(i,j)为选择从节点i到节点j这条路径的期望程度，一般为从节点i到节点j的距离的倒数；J(i)表示从节点i能够到达的所有节点集合；β为期望程度相对于信息素的重要性系数；

信息素局部修改按如下公式（二）计算，

τ(i,j)=τ_k(i,j)+ρ_Lτ(i,j)     （二）

式中：ρ_L为路径上原有信息素的局部遗忘系数；τ_k(i,j)为第K只蚂蚁在该路径上留下的信息素。τ(i,j)为路径上原有的信息素；

信息素全局修改按如下公式（三）计算，

τ(i,j)=K_Oτ_O(i,j)+ρ_Gτ(i,j)      （三）

式中：ρ_G为路径上原有信息素的全局遗忘系数；K₀为最优线路上蚂蚁留下信息素的放大系数；τ₀(i,j)为最优线路蚂蚁留下的信息素；

（4）解码每组蚂蚁走过的路径，得到配电网网络重构方案，进行环网检测，孤岛检测以及约束条件检测，判别方案的可行性，遗弃不可行方案；

（5）判别两组蚂蚁个数是否达到蚁群规模，即两组蚂蚁个数是否达到ml和m2，若均未达到蚁群规模，则两组蚂蚁个数各自增加一次，转至步骤（3），否则转至步骤（6）；

（6）若信息素交换次数未达到c，若未达到，则信息素交换次数增加一次，转至步骤（3），否则交换信息，转至步骤（7）；

（7）如果满足两次步骤（4）得到配电网网络重构方案中的最优方案差值小于0.1，则结束算法，输出步骤（4）得到配电网网络重构方案中的最优方案即为最佳配电网网络重构方案，否则转向步骤（3）。

而且，所述步骤（1）中的联络开关是指连接两条馈线的开关；所述分段开关是指同一条馈线上，用于分段不同区域负荷的开关；所述步骤（1）中的环网是指两个电源点或者多个电源点通过联络开关构成的供电区域中的环形部分。

而且，所述步骤（3）双蚁群搜索中所述的配电网络网损最小为目标函数采用如公式（四）表示，式中r_i为支路i的电阻；P_i、Qi为支路i末端流过的有功功率和无功功率；ΔP_Ti为支路i的变压器损耗；V_i为支路i末端的节点电压；

$\min f=3\underset{i=l}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\frac{P_i^2+Q_i^2}{V_i^2}+\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{Ti}}$       （四）

所述的开关操作次数最小化采用的数学模型如公式（五）所示，式中N为开关数量，本发明中进行配电网络重构的环网上联络开关和分段开关的数量；SW_i,x为开关的状态，x值为1是表示开光状态改变1次，其值为0时表示开关状态不改变；

$\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SW}}_{i,x}$       （五）。

而且，所述步骤（4）中的孤岛是指无电源点供电而失电的负荷区域。

而且，在所述步骤（4）中：

①所述环网检测；采用深度搜索的方法，分别以步骤（1）中记录的电源点作为搜索的起始节点，搜索的过程中判断搜索到的节点类型，若搜索到节点类型为联络开关或分段开关，判断开关的状态，若开关的状态为打开，则转而从另一电源节点开始搜索，直到所有的电源节点都已经搜索完毕，并记录搜索到的节点，若在搜索过程中出现搜索到的节点类型为电源，说明出现了环网，方案不可行；

②所述孤岛检测；搜索结束后，若搜索到节点个数小于步骤（1）中记录的节点数目则说明出现了孤岛，方案不可行；

③所述约束条件检测；通过潮流计算求得任一节点的电压和任一支路的支路电流，进而由电压电流求出有功功率和无功功率，若出现电流、电压越限，线路容量越限和变压器容量越限中的任意一种情况，则方案不可行。

而且，所述步骤③的约束条件包括：

A、节点电压约束，即U_imin<U_i<U_imax，式中U_imin和U_imax分别为某一节点的电压值下限和上限；U_i为该节点的电压；

B、支路及开关设备的电流限值约束，即I_i<I_imax，式中I_i为某支路（馈线或变压器）的电流；I_imax为该支路的电流限值，通过潮流计算可以求得任一节点的电压和任一支路的支路电流，可以判别是否存在电流、电压越限；

C、由电压电流进而可以求出有功功率和无功功率，从而判别是否存在线路过载约束和变压器过载。

本发明的优点和积极效果是

1、本发明采用深度搜索方法，确定配电网中的环网对配电网中环网上联络开关和分段开关进行重构，减少了参与重构开关的位数；

2、本发明利用双蚁群算法进行配电网络重构方案寻优，可有效解决在配电网开关组合维数较高时搜索恢复方案所面临的组合爆炸问题，一定程度上克服了传统蚁群算法易陷入局部极小值的问题；

3、本发明在寻优的过程对重构方案的可行性进行分析，利用环网检测和孤岛检测以及约束条件检测排除了不可行重构方案，减少了计算量，加快了寻优速度；

4、本发明可有效降的低配电网络网损，此外还可使负荷在各个馈线和变压器之间合理分配，从而避免线路和变压器过载，提高供电质量，改善系统的运行条件；

5、本发明可为配电网和电力运行调度人员提供有益参考。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，如图1所示，包括步骤如下：

（1）环网提取；根据配电网当前运行状态以及配电网络中联络开关，从电源点开始搜索，提取环网；在搜索的过程中记录环网上的电源点，联络开关和分段开关，断开的联络开关和分段开关之和以及节点个数；

（2）参数初始化；循环次数初值n=0，所有路径上的信息素都为一常数a，设置两组蚁群的种群规模为ml和m2的信息素交换次数为c；

（3）双蚁群搜索；设两组蚁群的蚂蚁个数为0，信息素交换次数为0，以配电网络网损最小为目标函数，同时满足开关操作次数尽可能少，采用两组蚁群，分别搜索重构方案；

第K只蚂蚁从节点i转移到节点j的状态转移概率按公式如下（一）计算，

式中τ(i,j)为从节点i到节点j的路径上积累的信息素；η(i,j)为选择从节点i到节点j这条路径的期望程度，一般为从节点i到节点j的距离的倒数；J(i)表示从节点i能够到达的所有节点集合；β为期望程度相对于信息素的重要性系数；

信息素局部修改按公式如下（二）计算，

τ(i,j)=τ_k(i,j)+ρ_Lτ(i,j)       （二）

式中：ρ_L为路径上原有信息素的局部遗忘系数；τ_k(i,j)为第K只蚂蚁在该路径上留下的信息素。τ(i,j)为路径上原有的信息素；

信息素全局修改按公式如下（三）计算，

τ(i,j)=K_Oτ_O(i,j)+ρ_Gτ(i,j)      （三）

式中：ρ_G为路径上原有信息素的全局遗忘系数；K₀为最优线路上蚂蚁留下信息素的放大系数；τ₀(i,j)为最优线路蚂蚁留下的信息素；

①所述配电网络网损最小为目标函数；如公式（四）所示，式中r_i为支路i的电阻；P_i、Q_i为支路i末端流过的有功功率和无功功率；ΔP_Ti为支路i的变压器损耗；V_i为支路i末端的节点电压；

$\min f=3\underset{i=l}{\overset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i\frac{P_i^2+Q_i^2}{V_i^2}+\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{Ti}}$       (四)

②所述开关操作次数尽可能少；其数学模型如公式（五）所示，式中N为开关数量，本发明中进行配电网络重构的环网上联络开关和分段开关的数量；SW_i,x为开关的状态，x值为1是表示开光状态改变1次，其值为0时表示开关状态不改变；

$\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{SW}}_{i,x}$       （五）

（4）解码每组蚂蚁走过的路径，得到配电网网络重构方案，进行环网检测，孤岛检测以及约束条件检测，判别方案的可行性，遗弃不可行方案；其中，

①所述环网检测；采用深度搜索的方法，分别以步骤中（1）记录的电源点作为搜索的起始节点，搜索的过程中判断搜索到的节点类型，若搜索到节点类型为联络开关或分段开关，判断开关的状态，若开关的状态为打开，则转而从另一电源节点开始搜索，直到所有的电源节点都已经搜索完毕，并记录搜索到的节点，若在搜索过程中出现搜索到的节点类型为电源，说明出现了环网，方案不可行；

②所述孤岛检测；搜索结束后，若搜索到节点个数小于步骤（1）中记录的节点数目则说明出现了孤岛，方案不可行；

③所述约束条件检测；通过潮流计算求得任一节点的电压和任一支路的支路电流，进而由电压电流求出有功功率和无功功率，若出现电流、电压越限，线路容量越限和变压器容量越限中的任意一种情况，则方案不可行；

所述约束条件包括：

A、节点电压约束，即U_imin<U_i<U_imax，式中U_imin和U_imax分别为某一节点的电压值下限和上限；U_i为该节点的电压；

B、支路及开关设备的电流限值约束，即I_i<I_imax，式中I_i为某支路（馈线或变压器）的电流；I_imax为该支路的电流限值，通过潮流计算可以求得任一节点的电压和任一支路的支路电流，可以判别是否存在电流、电压越限；

C、由电压电流进而可以求出有功功率和无功功率，从而判别是否存在线路过载约束和变压器过载；

（5）判别两组蚂蚁个数是否达到蚁群规模，即两组蚂蚁个数是否达到ml和m2，若均未达到蚁群规模，则两组蚂蚁个数各自增加一次，转至步骤（3），否则转至步骤（6）；

（6）若信息素交换次数未达到c，若未达到，则信息素交换次数增加一次，转至步骤（3），否则交换信息，转至步骤（7）；

（7）如果满足两次步骤（4）得到配电网网络重构方案中的最优方案差值小于0.1，则结束算法，输出步骤（4）得到配电网网络重构方案中的最优方案即为最佳配电网网络重构方案，否则转向步骤（3）。

其中，所述步骤（1）中的联络开关是指连接两条馈线的开关；所述分段开关是指同一条馈线上，用于分段不同区域负荷的开关；所述步骤（1）中的环网是指两个电源点或者多个电源点通过联络开关构成的供电区域中的环形部分。

其中，所述步骤（4）中的孤岛是指无电源点供电而失电的负荷区域。

Claims (6)

1.一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，其特征在于：包括步骤如下：

（1）环网提取；根据配电网当前运行状态以及配电网络中联络开关，从电源点开始搜索，提取环网；在搜索的过程中记录环网上的电源点，联络开关和分段开关，断开的联络开关和分段开关之和以及节点个数；

（2）参数初始化；循环次数初值n=0，所有路径上的信息素都为一常数a，设置两组蚁群的种群规模为ml和m2的信息素交换次数为c；

（3）双蚁群搜索；设两组蚁群的蚂蚁个数为0，信息素交换次数为0，以配电网络网损最小为目标函数，同时满足开关操作次数最小化，采用两组蚁群，分别搜索重构方案；

第K只蚂蚁从节点i转移到节点j的状态转移概率按如下公式（一）计算，

式中τ(i,j)为从节点i到节点j的路径上积累的信息素；η(i,j)为选择从节点i到节点j这条路径的期望程度，一般为从节点i到节点j的距离的倒数；J(i)表示从节点i能够到达的所有节点集合；β为期望程度相对于信息素的重要性系数；

信息素局部修改按如下公式（二）计算，

τ(i,j)=τ_k(i,j)+ρ_Lτ(i,j)           （二）

式中：ρ_L为路径上原有信息素的局部遗忘系数；τ_k(i,j)为第K只蚂蚁在该路径上留下的信息素。τ(i,j)为路径上原有的信息素；

信息素全局修改按如下公式（三）计算，

τ(i,j)=K_Oτ_O(i,j)+ρ_Gτ(i,j)          （三）

式中：ρ_G为路径上原有信息素的全局遗忘系数；K₀为最优线路上蚂蚁留下信息素的放大系数；τ₀(i,j)为最优线路蚂蚁留下的信息素；

（4）解码每组蚂蚁走过的路径，得到配电网网络重构方案，进行环网检测，孤岛检测以及约束条件检测，判别方案的可行性，遗弃不可行方案；

（5）判别两组蚂蚁个数是否达到蚁群规模，即两组蚂蚁个数是否达到ml和m2，若均未达到蚁群规模，则两组蚂蚁个数各自增加一次，转至步骤（3），否则转至步骤（6）；

（6）若信息素交换次数未达到c，若未达到，则信息素交换次数增加一次，转至步骤（3），否则交换信息，转至步骤（7）；

（7）如果满足两次步骤（4）得到配电网网络重构方案中的最优方案差值小于0.1，则结束算法，输出步骤（4）得到配电网网络重构方案中的最优方案即为最佳配电网网络重构方案，否则转向步骤（3）。

2.根据权利要求1所述的一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，其特征在于：所述步骤（1）中的联络开关是指连接两条馈线的开关；所述分段开关是指同一条馈线上，用于分段不同区域负荷的开关；所述步骤（1）中的环网是指两个电源点或者多个电源点通过联络开关构成的供电区域中的环形部分。

3.根据权利要求1所述的一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，其特征在于：所述步骤（3）双蚁群搜索中所述的配电网络网损最小为目标函数采用如公式（四）表示，式中r_i为支路i的电阻；P_i、Q_i为支路i末端流过的有功功率和无功功率；ΔP_Ti为支路i的变压器损耗；V_i为支路i末端的节点电压；

$\min f=3\underset{i=l}{\overset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i\frac{P_i^2+Q_i^2}{V_i^2}+\underset{i=1}{\overset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{Ti}}$       （四）

所述的开关操作次数最小化采用的数学模型如公式（五）所示，式中N为开关数量，本发明中进行配电网络重构的环网上联络开关和分段开关的数量；SW_i,x为开关的状态，x值为1是表示开光状态改变1次，其值为0时表示开关状态不改变；

$\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{SW}}_{i,x}$       （五）。

4.根据权利要求1所述的一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，其特征在于：所述步骤（4）中的孤岛是指无电源点供电而失电的负荷区域。

5.根据权利要求1所述的一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，其特征在于：在所述步骤（4）中：

①所述环网检测；采用深度搜索的方法，分别以步骤（1）中记录的电源点作为搜索的起始节点，搜索的过程中判断搜索到的节点类型，若搜索到节点类型为联络开关或分段开关，判断开关的状态，若开关的状态为打开，则转而从另一电源节点开始搜索，直到所有的电源节点都已经搜索完毕，并记录搜索到的节点，若在搜索过程中出现搜索到的节点类型为电源，说明出现了环网，方案不可行；

②所述孤岛检测；搜索结束后，若搜索到节点个数小于步骤（1）中记录的节点数目则说明出现了孤岛，方案不可行；

③所述约束条件检测；通过潮流计算求得任一节点的电压和任一支路的支路电流，进而由电压电流求出有功功率和无功功率，若出现电流、电压越限，线路容量越限和变压器容量越限中的任意一种情况，则方案不可行。

6.根据权利要求5所述的一种基于双蚁群优化的配电网网络重构方法，其特征在于：所述步骤③的约束条件包括：

A、节点电压约束，即U_imin<U_i<U_imax，式中U_imin和U_imax分别为某一节点的电压值下限和上限；U_i为该节点的电压；

B、支路及开关设备的电流限值约束，即I_i<I_imax，式中I_i为某支路馈线或变压器的电流；I_imax为该支路的电流限值，通过潮流计算可以求得任一节点的电压和任一支路的支路电流，可以判别是否存在电流、电压越限；

C、由电压电流进而可以求出有功功率和无功功率，从而判别是否存在线路过载约束和变压器过载。