CN107909224A - 基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出来一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，在分析已有网络重构算法缺陷的基础上，提出支路组的概念，将系统拓扑图进行编码，能有效与智能优化算法进行融合。以和声算法为例，给出了该算法与四个支路断开规则有机结合的实现步骤，相比于已有方法，本发明将产生不可行解的情况进行归纳，提高了搜索效率；同时，避免了可行解的遗漏，确保了解空间的完整性，与和声算法有机结合，有效提高了网络重构的速度以及全局最优解的搜索能力。

Description

基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法
技术领域
本发明涉及一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法。
背景技术
网络重构技术是实现智能配电网自愈控制功能最重要的手段之一，避免重构中生成不满足拓扑约束解是实现快速重构最重要的关键点。
网络重构是配电网重要的优化手段之一,通过快速网络重构技术实现配电网自愈控制的基础。通过网络重构可以实现故障后非故障失电区快速复电，线路过载时均衡线路负荷，节点电压越限时改善电压分布等自愈功能。实质为求解满足一定约束条件的开关开闭状态的最优组合。配电网重构为NP难题,其关键在于重构算法能够快速找到全局最优解。利用人工智能算法求解重构问题易于找到全局最优，但搜索过程中会产生大量不满足拓扑约束的解，大幅度降低了搜索效率。目前对于网络重构中产生的不可行解的处理方法主要有两种：第一种是采用有效的编码方式，减少不可行解的生成概率，或避免不可行解的生成；另一种是快速判断解的可行性，然后剔除无效解，或将无效解修复为有效解。
已有文献都能有效减少生成不可行解的概率，对于相对简单的网络甚至能实现完全避免，但对于复杂的多环网，尤其是其中一个环是另外多个环的公共部分的情况，按照以上规则虽然避免了不可行解的生成，但也剔除了部分可行解。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，本发明根据配电网重构的网络结构要求及和声算法特点，提出支路组的概念；通过设置支路断开原则及将产生不可行解的归纳为五类，剔除产生的不可行解；利用迭代提高搜索速度和效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，包括以下步骤：
(1)通过切换联络开关与分段开关的状态优化潮流，构建配电网重构数学模型，重构编码支路组并生成初始记忆库；
(2)根据和声算法生成新解，更新记忆库；
(3)判断记忆库中解的可行性，剔除不可行解。
进一步的，所述步骤(1)中，网络重构通过切换联络开关与分段开关的状态来优化潮流，以降低配电网运行时产生的有功损耗为目标。
进一步的，所述步骤(1)中，辐射型配电网中，合上一个联络开关后将形成一个环网，将该环网称为重构环，只要能确定每个重构环中打开的开关，即断开的支路，就能得到配电网的一种结构。
进一步的，所述步骤(1)中，采用十进制编码，算法解向量的维数即网络中的重构环数，解向量每一维的取值均为断开支路在各自重构环中的编号，每一维变量的范围即为相应重构环中支路的数量。
进一步的，所述步骤(2)中，首先初始化规模为预设大小的记忆库；然后从记忆库和允许的范围中随机生成新的支路，如果新的支路优于记忆库中最差的支路，则将记忆库中最差的支路替换为新生成的支路；进行循环直到满足停止条件为止。
更进一步的，如果闭合支路集中各个联络开关，断开若干支路集、使系统重新成为辐射状且无孤岛，无环网的运行状态，该若干支路集的序号就是初始解，形成记忆库。
断开初始解的断开支路规则包括：
1、根据环路顺序来选择断开的支路集，每个环路仅断开环路中所述的一条支路集；
2、每一条支路集中只能断开其中一条支路；
3、在断开某条支路集之前，判断该支路集所连的大节点上是否只剩下最后一条支路集，如果是，则该条支路集不可被断开；
或/和，4、如果一个大节点所连的支路集只剩下一条，寻找该支路集所连接的另一大节点，如果另一大节点所连支路集除这条公共支路集外有一条被断开，一条仍保持闭合，那么这条闭合的支路集就不可被断开。
进一步的，根据和声搜索算法规则生成的新解，根据新解更新配电网邻接矩阵，寻找最末端的节点，并找到供给末端节点的大节点，去除所有末端节点，形成仅有大节点的干路，判断形成的干路是否有分支，如果没有，则形成大节点构成的干路，如果有，则形成各分支的供给关系。
进一步的，所述步骤(3)中，判断得到的新解是否为不可行解，如果是则将这种解所对应的网损至一个更大的数值，如果不是则计算这种解所对应的网损。
干路是去除新网络中所有末端分支后所剩下的部分，如果干路上有一个大节点与不止一个大节点相连，那么这条干路就是有分支的状态，将在形成支路集中去掉的源节点0加入进来，那么相应的就必须引入网络中与源节点直接相连的节点1，则节点1成为了一个大节点，0-1支路就成为了一条支路集，这条支路集不属于任何一个环路，无法也不能被断开。
更进一步的，在干路中存在分支时，由最末端大节点向上游遍历，如果搜寻到分支大节点则停止搜寻，然后从下一个末端大节点继续向上游搜寻，直到整个网络中的末端大节点都被遍历过为止，之后从被搜寻到的分支大节点继续向上游搜索，直到搜寻到另一个分支大节点，以此类推，层层向上游搜索，直到搜索到最源头的0-1支路。
更进一步的，除去末端节点后，只有一个能够往源头遍历的末端大节点，一个干路上的大节点分叉后，如果没有形成环路，则会形成至少两个岔路供给到末尾大节点，当只有1个末尾大节点出现时，则为网络中出现了某个环路，为不可行解。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将产生不可行解的情况进行归纳，提高了搜索效率；同时，避免了可行解的遗漏，确保了解空间的完整性，与和声算法有机结合，有效提高了网络重构的速度以及全局最优解的搜索能力。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明IEEE33节点接线图；
图2为本发明的和声搜索算法流程图；
图3为本发明支路集接线图；
图4为本发明防止某节点被孤立的示意图；
图5为本发明防止局部孤岛的产生的示意图；
图6为本发明剔除不可行解的流程图；
图7为本发明干路无分支的网络图；
图8为本发明情况1所对应的网络示意图；
图9为本发明情况3所对应的网络示意图；
图10为本发明情况4所对应的网络示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本发明根据配电网重构的网络结构要求及和声算法特点，提出支路组的概念；通过设置支路断开原则及将产生不可行解的归纳为五类，剔除产生的不可行解；利用迭代提高搜索速度和效率。IEEE33典型算例的仿真测试表明，本发明方法计算效率高，收敛速度快，稳定性好，且收敛特性不随网络规模的变大而变差。
配电网重构的数学模型
网络重构通过切换联络开关与分段开关的状态来优化潮流。配电网重构的优化目标有很多种，例如网络损耗最小、负荷均匀分布以及提高供电系统的稳定性和可靠性等。如何有效降低配电网运行时产生的有功损耗，则是最基本的目标。
网损最小的数学表达式为
式中：Ploss表示网损；kj表示支路j的开闭状态，其中值为1表示支路闭合，值为0表示支路断开；rj为支路j的电阻；Pj和Qj分别为流过支路j的有功功率和无功功率；Uj为支路j的末端电压；b为网络支路数量。
配电网重构的约束条件主要有电压约束、支路容量约束和网络辐射状结构约束等，数学表达式为
ULi≤Ui≤UUi
Sj≤Sjmax
g∈G
式中：Ui、UUi、ULi分别为节点i的电压及其变化范围的最大最小值；Sj和Sjmax别为线路j流过的功率及最大容许值；g为当前网络结构；G为所有既没有环网又没有孤岛的辐射状结构的集合。
对于负荷均衡度，IEEE33节点系统如图1所示，目标函数为
式中，Si为支路i的注入复功率；Si max为支路i允许的最大复功率。
和声算法概念及原理
和声搜索算法的来源是乐师们根据对曲调的理解，在音乐演奏中不断调整各自手中乐器发出的音调，构成一个悦耳动人的和声的过程。该算法将各种乐器声调组成的和声等价于求解函数中的最优解向量，对和声的评价即为目标函数值。
和声搜索算法的核心思想：首先初始化规模为预设大小的和声记忆库；然后从和声记忆库和允许的范围中随机生成新的和声(一般依照概率来判断从哪里生成新的和声)，如果新的和声优于和声记忆库中最差的和声，则将和声记忆库中最差的和声替换为新生成的和声；按照上述步骤进行循环直到满足停止条件为止。其算法的流程图见图2。
重构特殊支路组及支路开断原则
辐射型配电网中，合上一个联络开关后将形成一个环网，本发明引人文献(江亚群，陈祝峰，黄纯，等(Jiang Yaqun，Chen Zhufeng，Huang Chun，et at).基于启发式规则与和声搜索的配电网重构算法(Distribution network reconfiguration based onheuristic rules and harmony search algorithm)[J].湖南大学学报：自然科学版(Journal of Hunan University：Natural Sciences)，2014，41(3)：61—67.])，将该环网称为重构环。只要能确定每个重构环中打开的开关，即断开的支路，就能得到配电网的一种结构。因而本发明将和声搜索算法应用于配电网重构时，采用十进制编码，算法解向量的维数即网络中的重构环数，解向量每一维的取值均为断开支路在各自重构环中的编号，每一维变量的范围即为相应重构环中支路的数量。
重构特殊支路组
由于和声搜索算法随机搜索的特点，必然会产生不可行解，为减少不可行解的产生，本发明引入“大节点”和“支路集”的概念，具体定义如下：
①大节点：就是该节点所连的支路数目超过2。如图1所示的IEEE33节点接线图，节点2、5、28、7、8、11、14、20就是大节点。
②路集：支路集就是某一配电网络中两个“大节点”之间的所有支路的集合。
根据支路集的概念，并去除所有分支支路(如0-1支路)，可以形成如图3所示的简化的系统接线图。根据程序可以在输入系统的邻接矩阵后形成支路集，并对每一个支路集进行编号，编号顺序见图3。
支路组断开原则及初始解的生成
和声算法中需要在计算之前形成初始解，也就是记忆库。那么就需要首先声明配电网重构问题中解的含义：如果闭合图2中的5个联络开关，断开哪5个支路集可以使系统重新成为辐射状且无孤岛，无环网的运行状态，则这5个支路集的序号就是解。在真实断开某支路集时，选该支路集的中间支路进行断开。
由以下4条规则断开支路，可以比较容易地寻找出初始解。由于之后会更新记忆库，所以对于初始解的形成比较简单，不保证生成的初始解均是可行解，但选取规则保证了初始解有较大的概率为可行解。
1、根据环路(仅经过一个联络开关而形成的首尾相接的环路)顺序来选择断开的支路集，每个环路仅断开环路中所述的一条支路集。
2、每一条支路集中只能断开其中一条支路，也就是每个支路集不能断开两次。显然，一条支路集断开两条支路必然会形成孤岛。
3、在断开某条支路集之前，判断该支路集所连的大节点上是否只剩下最后一条支路集，如果是，则该条支路集不可被断开。如图5所示的情况，一旦5节点所连的支路集4与7都被断开了，那么支路6就不能断开。
4、如果一个大节点所连的支路集只剩下一条，那么就寻找该支路集所连接的另一大节点。如果另一大节点所连支路集除这条公共支路集外有一条被断开，一条仍保持闭合，那么这条闭合的支路集就不可被断开。如图6所示，如果5节点所连的支路集只剩下4还未断开，那么就可以找到4支路集的另一大节点7，发现与7相连的支路集中除4以外已经有一条断开，那么仍然闭合的支路集6就不能再断开，否则就会形成一个以5节点与7节点为中心的局部孤岛。
生成新解
生成新解的过程严格按照和声搜索的算法，其中以下一些概念与生成方法需要声明。
1、记忆库外的范围就是某条环路中，不存在于记忆库中的支路集。
2、虽然新解是由记忆库内外选取以及随机扰动生成，但仍然要遵循3.2中规则3与规则4，以保证生成的新解尽可能是可行解。
3、对于随机扰动过程，在不违背3.2中规则3与规则4的前提下，随机选取对应环路中的一条支路集作为该环路的解。
4剔除不可行解
生成的初始解，根据和声搜索算法规则生成的新解，都不一定是可行解。要判断这些解是否可行，可以在利用这些解形成供电网络时判断。通过图6所示流程，可以根据解来形成对应的供电回路，并在剔除不可行解后计算网络的网损。
所谓干路，就是去除新网络中所有末端分支后所剩下的部分。如果干路上有一个大节点与不止一个大节点相连，那么这条干路就是有分支的状态。为了正确形成供给网络，将在形成支路集中去掉的源节点0加入进来，那么相应的就必须引入网络中与源节点直接相连的节点1，则节点1成为了一个大节点，0-1支路就成为了一条支路集，这条支路集不属于任何一个环路，无法也不能被断开。
形成干路无分支的情况
若某一解为[3 1 10 6 4]，即断开支路集3、1、10、6、4，那么形成的网络就如图7所示。
显然，这是一个干路大节点无分支的网络，供给顺序为0-1-2-5-28-14-11-20。图7所示的情况没有孤岛，可是在干路无分支而又有孤岛存在时，会形成多条不同的干路，而程序中形成的干路只有其中一条。所以，当干路中节点数目与除去末尾节点后剩余的大节点数目不符时，就说明这条干路没有涵盖所有的大节点，说明出现了孤岛，为不可行解。
形成干路有分支的情况
在干路中存在分支时，由最末端大节点(仅与一个大节点相连的大节点)向上游遍历，如果搜寻到分支大节点则停止搜寻，然后从下一个末端大节点继续向上游搜寻，直到整个网络中的末端大节点都被遍历过为止。之后从被搜寻到的分支大节点继续向上游搜索，直到搜寻到另一个分支大节点，以此类推，层层向上游搜索，直到搜索到最源头的0-1支路。以下几种情况出现时，说明网络拓扑不满足要求，存在环网与孤岛运行状态。
情况1：除去末端节点后，找不到一个末端大节点往源头遍历。
当某一解为[3 7 9 8 4]时，形成的网络就如图8所示。
在如图8所示的网络中，形成了一个1-2-5-28-14-11-20-1的巨大环网。虽然1节点处形成了分支，可是从该网络中找不到一个末端的大节点(只与一个大节点相连的大节点)开始遍历。当找不到这样的大节点时，可判断为不可行解。
情况2：除去末端节点后，只有一个能够往源头遍历的末端大节点。
一个干路上的大节点分叉后，如果没有形成环路，那么就必然形成至少两个岔路供给到末尾大节点。那么当只有1个末尾大节点出现时，必然是在网络中出现了某个环路，说明这是不可行解。
情况3：供给网络的分支中出现了首尾相连的支路
当某一解为[5 1 10 2 12]时，形成的网络就如图9所示。
在图9所示的网络中，形成了7-8-11-20这种局部的环网。在形成网络中的各分支时，形成结果如下：
支路1：8-11-20-7
支路2：7-8
支路3：0-1-2-28
支路4：7-5
那么在这些形成的供电支路中，就出现了支路1的头与尾某一支路集的头与尾，首尾可以相连，形成环网。
情况4：供给网络的第一条分支(即最主干分支)中不含与源节点相连的节点
当某一解为[2 1 10 4 12]时，形成的网络就如图10所示。
在图10所示的网络中，形成了7-8-11-20这种局部的环网。在形成网络中的各分支时，形成结果如下：
支路1：7-20-11-8
支路2：8-14
支路3：0-1-2-28-5
由于最根部的干路必须是由0-1开始供给的，所以这种情况时错误的，即不可行解。同时情况4中的例子也适用于情况3。
本发明用IEEE33节点系统作为算例验证本发明算法,接线图如图1所示。IEEE33节点系统共有37条支路，其中联络开关数目为5个，母线电压为12.66Kv,系统总负荷为3802.19+j2693.6kV·A,线路的详细参数见文献Baran M E，Wu F F.Networkreconfiguration in distribution systems for loss reduction and load balancing[J].IEEETrans onPowerDelivery，1989，4(2)：1401—1407.
以及朱春涛(Zhu Chuntao).基于粒子群遗传混合算法的配电网重构研究(Studyon Distribution Network Reconfigu.ration Based on PSOGA Hybrid Algorithm)[D].南京：南京理工大学自动化学(Nanjing：School ofAutomation，Nanjing UniversityofScience&Technology)，2012.)。
生成初始解
使用Matlab进行算例的仿真分析，可以得到初始解(记忆库容量为4)如表1所示：
表1 IEEE33系统初始网损
从上表数据可以看出，初始的四个解均为可行解，网损有大有小。
使用和声算法生成新解
设置迭代次数为20，程序输出的结果见表2。
表2 IEEE33系统重构迭代结果
注：表中若出现11000，说明这种解是不可行解，人为定义了不可行解的网损为很大的值。
表3 IEEE33系统重构最终结果
根据表2中历次生成的新解所对应的网络损耗来看，除去偶尔生成的不可行解以外，网络损耗呈逐步降低的趋势。20次计算后，记忆库中剩余的解都具有较小的网损，皆可用于网络重构方案。
本发明在分析已有网络重构算法缺陷的基础上，提出支路组的概念，将系统拓扑图进行编码，能有效与智能优化算法进行融合。以和声算法为例，给出了该算法与四个支路断开规则有机结合的实现步骤。通过算例结果表明，相比于已有方法，本发明将产生不可行解的情况归纳成五种，提高了搜索效率；同时，避免了可行解的遗漏，确保了解空间的完整性，与和声算法有机结合，有效提高了网络重构的速度以及全局最优解的搜索能力。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)通过切换联络开关与分段开关的状态优化潮流，构建配电网重构数学模型，重构编码支路组并生成初始记忆库；
(2)根据和声算法生成新解，更新记忆库；
(3)判断记忆库中解的可行性，剔除不可行解。
2.如权利要求1所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：所述步骤(1)中，网络重构通过切换联络开关与分段开关的状态来优化潮流，以降低配电网运行时产生的有功损耗为目标。
3.如权利要求1所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：所述步骤(1)中，辐射型配电网中，合上一个联络开关后将形成一个环网，将该环网称为重构环，只要能确定每个重构环中打开的开关，即断开的支路，就能得到配电网的一种结构。
4.如权利要求1所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：所述步骤(1)中，采用十进制编码，算法解向量的维数即网络中的重构环数，解向量每一维的取值均为断开支路在各自重构环中的编号，每一维变量的范围即为相应重构环中支路的数量。
5.如权利要求1所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：所述步骤(2)中，首先初始化规模为预设大小的记忆库；然后从记忆库和允许的范围中随机生成新的支路，如果新的支路优于记忆库中最差的支路，则将记忆库中最差的支路替换为新生成的支路；进行循环直到满足停止条件为止。
6.如权利要求5所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：如果闭合支路集中各个联络开关，断开若干支路集、使系统重新成为辐射状且无孤岛，无环网的运行状态，该若干支路集的序号就是初始解，形成记忆库。
7.如权利要求5所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：断开初始解的断开支路规则包括：
1、根据环路顺序来选择断开的支路集，每个环路仅断开环路中所述的一条支路集；
2、每一条支路集中只能断开其中一条支路；
3、在断开某条支路集之前，判断该支路集所连的大节点上是否只剩下最后一条支路集，如果是，则该条支路集不可被断开；
或/和，4、如果一个大节点所连的支路集只剩下一条，寻找该支路集所连接的另一大节点，如果另一大节点所连支路集除这条公共支路集外有一条被断开，一条仍保持闭合，那么这条闭合的支路集就不可被断开。
8.如权利要求1所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：根据和声搜索算法规则生成的新解，根据新解更新配电网邻接矩阵，寻找最末端的节点，并找到供给末端节点的大节点，去除所有末端节点，形成仅有大节点的干路，判断形成的干路是否有分支，如果没有，则形成大节点构成的干路，如果有，则形成各分支的供给关系。
9.如权利要求1所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：所述步骤(3)中，判断得到的新解是否为不可行解，如果是则将这种解所对应的网损至一个更大的数值，如果不是则计算这种解所对应的网损。
10.如权利要求1所述的一种基于和声算法的快速移除不可行解的配电网重构方法，其特征是：干路是去除新网络中所有末端分支后所剩下的部分，如果干路上有一个大节点与不止一个大节点相连，那么这条干路就是有分支的状态，将在形成支路集中去掉的源节点0加入进来，那么相应的就必须引入网络中与源节点直接相连的节点1，则节点1成为了一个大节点，0-1支路就成为了一条支路集，这条支路集不属于任何一个环路，无法也不能被断开；
或，在干路中存在分支时，由最末端大节点向上游遍历，如果搜寻到分支大节点则停止搜寻，然后从下一个末端大节点继续向上游搜寻，直到整个网络中的末端大节点都被遍历过为止，之后从被搜寻到的分支大节点继续向上游搜索，直到搜寻到另一个分支大节点，以此类推，层层向上游搜索，直到搜索到最源头的0-1支路；
或，除去末端节点后，只有一个能够往源头遍历的末端大节点，一个干路上的大节点分叉后，如果没有形成环路，则会形成至少两个岔路供给到末尾大节点，当只有1个末尾大节点出现时，则为网络中出现了某个环路，为不可行解。
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