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第38卷第8期2010年4月l6曰电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,01.38NO.8\pr.16,2010基于多目标粒子群优化算法的UPFO协调控制颜楠楠,傅正财(上海交通大学电气工程系,上海200030)摘要:针对UPFC多个控制器间的负交互影响,将UPFC的多个功能控制器之间的协调问题转化为多目标优化问题,提出采用一种新颖的多目标粒子群优化算法(MOPSO)进行控制器的参数优化。介绍MOPSO算法的基本原理和实现过程,进行算例计算,并且与多目标进化算法(MOEA)进行比较分析。时域仿真验证了采用所提出的协调控制策略可以得到快速收敛并且良好分布的Pareto解集,从而有效消除控制器间的负交互影响,取得满意的控制性能。关键词:统一潮流控制器;多目标粒子群优化算法;协调设计;多目标优化;交互影响CoordinateddesignofUPFCbasedonmulti-objectiveparticleswarmoptimization—’YANNannan.FUZhengcai(Depa ̄mentofElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China)—Abstract:Inthispaper.theproblemofCOOrdinateddesignforUPFCcontrollersiSformulatedasamultiobjectiveoptimization—problem.AnoveltymultiobjectivepanicleswarmoptimizmionfMOPS01basedapproachiSdevelopedtosolvethecoordinationdesignproblemofUPFCbyoptimizingUPFCcontrollerparameters.ThepaperpresentsthetheoryandtheimplementprocedureOf—M0PSO.ComparisonoftheoptimizationeffectsbetweentheMOPSOandthemultiobjectiveevolutionaryalgorithm(MOEA)iScarriedout.SimulationresultsshowthattheproposedM0PS0basedmethodiScapableofobtaininghighqualitysolution.ThestableconvergencecharacterjsticsandthegoodcomputationemciencyoftheM0PSObasedmethodarealsodiscovered.Thetime.domainresultsshowtheeffectivenessoftheproposedcoordinateddesignmethodofUPFCcontrollers.Keywords:unifiedpowerflowcontrollerfUPFC);MOPS0:coordinateddesign;multi.objectiveoptimization;interaction中图分类号:TM74文献标识码:A———文章编号:16743415(2010)080043060引言统一潮流控制器.(uPFc)是新一代的灵活交流输电装置,集多种控制功能于一身。除了基本的潮流控制、电压控制功能外,UPFC稳定控制器还能够对电力系统暂态稳定起到改善作用lJ之J。但有研究结果表明,将UPFC系统当作单输入单输出(SISO)系统进行控制器设计时,即使每个控制器都能成功地单独设计,也不能保证闭环全系统的稳定性ljJ。因此,寻找一种合适的控制器设计方法来协调UPFC的多个控制功能间的负交互影响是非常必要的。协调控制的方法有很多,一般的方法是将协调控制看成是一个有约束的优化问题,通过遗传算法,进化算法等方法确定控制器的控制作用[4-5]。同遗传、进化算法相比,粒子群优化算法保留了基于种群的全局搜索策略,而且其采用速度.位移模型操作简单,避免了复杂的遗传操作loJ。粒子群优化(PSO)算法是1995年由美国的Kennedy和Eberhart提出的|,J,它是一种基于启发式算法的优化技术,简单且易于实现,并已成功应用于处理多种优化问题。但实际中很多复杂问题,往往难以用单一目标进行描述,因此一种基于PSO算法解决多目标问题的多目标粒子群优化算法(MOPSO)开始引起研究人员的关注。其基本思想“”是使用一个外部存储器(亦称知识库)和一种基于地理的方法,来保持有效解(Pareto最优解)的多样性,并通过群体中粒子问的合作与竞争所产生的新群体智能地指导优化搜索,得到全局Pareto解集。越来越多的研究结果表明MOPSO算法非常适合解决多目标问题,特别是在各个目标相互冲突的情况下,MOPSO算法可以找到多个目标的最优折衷解。文献[9]将MOPSO算法用于优化三相感应电机的驱动效率最大和功率因数最大两个相互矛盾的函数,并与传统的磁场定向控制法(FOC)和恒电压一频率比控制法(CVFRC)进行比较,发现轻载时任何速度下电机效率都显著优于其他控制策略,在额定负载附近时,其电机效率也有提高。文献[10]针对能源管理系统(EMS)中的多目标优化问题,提出一种颜楠楠,等基于多目标粒子群优化算法的UPFC协调控制.45.由式(1)和式(2)可推导出系统的状态方程[13]=AX+BU其中:’X:[A6AcoAE。AEd△∈】,AR6 ̄6;∈U=[AmBAmEA4],BR6 ̄3;∈∈Y=[】AVEAVoc】,cR3x6DR孤1.2UPFC控制器多目标优化设计多目标优化问题的定义为:在可行域中确定设计变量组成的向量,使一组个相互冲突的目标函数组成的向量极小化,数学表达式为:…lMinmize/Maxmize(),m:1,2,,’{帅。式中:肭待设计或优化的变量;/=,()为第m个目标函数;g,()和()分别为不等式及等式约束条件。适应度函数决定了群体的进化方向。对于非线性控制器设计问题,选取一系列系统响应的性能指标构成适应度函数。选取UPFC的控制目标,即线路传输有功、UPFC接入处节点交流电压信号和直流连接电容电压,与其相应的控制器设定参考值的方差积分作为性能指标,仿真持续时间为t综上所述,本文所研究的UPFC控制器协调设计问题可转化为如下多目标优化问题:(△,K,【,)=l,I出△Min{(,,。,(,)=II出(△。,,。,,。)=ll出优化参数约束条件为:≤≤0KPP10≤0KAcP100KPI25≤≤0KAcI45≤0KDcP10≤≤0KDcl252基于MOPSO的UPFC协调控制器设计2.1粒子群优化算法简介PSO算法是1995年Kennedy和Eberhart受到真实世界中鸟群搜索食物行为的启示而提出的一种优化算法。在PSO中,每个优化问题的潜在解都是“”搜索空间中的一个粒子。所有的粒子都有一个由被优化函数决定的适应值和一个决定他们飞翔方向和距离的速度,然后粒子们追随当前的最优粒子在解空间中搜索。PSO初始化为一群随机粒子,设有个,然后通过迭代找到最优解。在每次迭代中,每“”“个粒子通过跟踪两个极值来更新自己。两个极”值分别为粒子本身所找到的最优解(个体极值pBest)和整个种群目前找到的最优解(全局极值gBest)。每个粒子根据如下的公式来更新自己的速度和新的位置_JJ:Vd+l=wovd+。rand()・(pBest一)+—・rand()・(gBestXd)(3)Xd+1=Xd+vd+1(4)式中:下标d表示迭代次数;Xd表示d次迭代时的粒子空间位置;Vd表示d次迭代时的粒子速度;W为惯性常数;、仍为学习因子;rand()是介于(0,1)之间的随机数。2.2多目标粒子群优化算法(MOPSO)本文提出的MOPSO是在PSO的基础上进行的改进,其核心是如何在Pareto解集中选择具有全局极值的粒子。在标准PSO中,可以非常简单地找到具有全局极值的粒子。而在MOPSO中,由于其解为一个Pareto最优解集,每一个粒子均须从Pareto解集中选择一个Pareto最优解作为该粒子的全局最优。在此提出的MOPSO算法用两个知识库储存粒子的搜寻结果,其中一个储存迄今为止搜索到的全局最优粒子,另一个存储每个粒子自身经历的历史最优位置(同标准PSO算法的个体极值pBest)。在储存全局最优粒子时,应用一个可删减的档案文件,该档案文件采用文献[15]中的方法,将目标函数空间划分为一组超立方体,当粒子数较稠密的超立方体超过其存储界限时对其档案文件进行删减。这种存档方法为选择全局最优粒子提供了方便。应用MOPSO算法的一般流程如图3所示。具体步骤如下:Stepl:初始化一个种群,随机赋予种群中每个粒子的初始位置和速度。将每个粒子代入目标函数的值,求出初始适应度值。取1。Step2:将代表非占优解的粒子存储到知识库肼。由当前的搜索空间生成超立方体,在超立方体中,每个粒子根据其目标函数值进行坐标定位。初始化每个粒子的记忆,其中包括一个局部最优解(此记忆将指导每个粒子在搜索空间中的飞行,并存储在另一个知识库pBest中)。电力系统保护与控制图3NOPS0基本流程图Fig.3GeneralprincipleofMOPSOStep3:取户1。在知识库NO/)中选择每个粒子的全局最优点。首先,由任意的1除以某超立方体中所含的粒子,得出该超立方体的适宜值。然后,在用转轮盘的方法从这些适宜值选择出的超立方体中,选取其中某一相应的粒子,作为粒子的全局最优点。Step4:由式(3)计算每个粒子的速度,式(4)计算每个粒子的位置。Step5:维持每个粒子在问题的搜索空间中,若超出该空间,则限制该粒子在搜索空间的边界。重新评估群中的每个粒子的适应度值。Step6:更新知识库NO/)中的内容,包括在知识库中插入所有当前的非占优解和剔除所有占优解的位置。限于知识库的大小,当NO/)存满了以后,采取保留方案的二级标准:定位在目标空间中较少粒子存在地方的粒子优先于定位在目标空间中较多粒子存在地方的粒子,从而可以得到分布优良的Pareto最优解。更新知识库pBest中的内容。如果粒子当前位置比知识库pBest中的记忆位置占优,那么记忆位置被更新;反之,当前的位置会被保留。Step7:重复step3至指定的最大迭代数。2.3最佳折衷解决方案MOPS0算法最后将得到~个Pareto解集,通常需要从这个解集中选择一个自己最为满意的解作为最后的结果。因此,在实际应用中必须有一个决策选择机制。在此提出应用模糊集理论的最佳折衷解决方案,决策者用隶属度函数代表每个目标函数的重要性。通常,每个目标函数的隶属度函数是凭着决策者的经验决定的。为了简化分析,在此用一个简单的线性函数作为目标函数的隶属度函数,定义如式(5)所示:fl≤“{睾<㈤l0F~式中:表示只对目标i考虑,求得的值最为满意;m表示对目标i没有考虑,考虑其他目标求得的值。这样,代表目标满意程度的隶属度函数蜥将“被赋予一个介于0到1之问的值,1表示决策者对目标完全满意,而0表示决策者对目标完全不满意。Nobj∑“k=“对于每个非占优解k,标准化的隶属度函数如式(6)所示。式中M表示非占优解的个数,“表示目标函数的个数。隶属度函数表示一个模糊的非占优解重要性优先权排序。通常选择有最大隶“属度函数值的非占优解作为决策者应选择的最佳解决方案。3算例结果与分析对图1所示的装有UPFC的电力系统,其仿真参数为:=4,=10,。=5.044,兀。:4,Xd=1.0,=0.7,Xd=0.3;=2.0,=0.02,=10,=--10;=0.3,AI=0.03,Ca=1.0:Z1=j0.4,=0.0l+j0.4,=0.01+j0.4。采用NOPS0算法优化UPFC的6个控制参数,取种群规模为200、最大优化代数为50、学习因子2.0、惯性常数0.8。为验证NOPS0算法的有效性,选用多目标进化算法(MOEA)进行对比分析。MOEA的交叉率和变异率分别选择0.7和0.01。在同一目标函数和网格系统中,两种算法均设置求解200个Pareto解集,迭代50次。图4为MOPS0和MOEA的收敛性能曲线。比较两图可以看出,MOPS0算法收敛速度快,在数代优化后进度比率更接近0,说明种群可以更优地收敛到全局最优Pareto解集边界。用MOPS0和MOEA得到的可行解目标域和Pareto解集分布分别如图5、图6所示,图中的Pareto解用圆圈标示。从图中可以看到三个目标的可行域构成一个曲面,并且其Pareto解集均具有多样性和优良的分布。然而比6.∑∑颜楠楠,等基于多目标粒子群优化算法的UPFC协调控制..47..较两图,可以看出MOPSO算法产生的Pareto解集均匀地分布在全局最优解集的边界上,不仅具有更多的解的多样性,而且能产生更好的非占优解。而MOEA算法产生的Pareto解集集中分布在曲面的底部,还有两点不在曲面上,说明其分散性和多样性较差。图4MOPSO和MOEA的收敛性能曲线Fig.4ConvergenceofMOPSOandMOEA图5应用MOPSO算法得到的可行解目标域及Pareto解集Fig.5ObjectivespaceandParetosetbyMOPSOir、。;。罐麓蓦莹li\州’1.s、I。、一一Fvetu0…Fpt1图6应用MOEA算法得到的可行解目标域及Pareto解集Fig.6ObjectivespaceandParetosetbyMOEA为根据决策者的偏好从Pareto解集中选取一组解作为最终解决方案,在此采用最佳折衷解决方案。首先按照定义计算各目标函数的和,结果见表1,再通过式(5)、(6)给出的隶属度函数便可评价各组Pareto解,从而选出具有最大隶属度函数值的非占优解作为最佳折衷解决方案。由MOPSO算法得到的最佳折衷方案见表2。表1各个目标函数的最大值与最小值Tab.1Themaximumandminimumfitnessoftheobjects表2MOPSO算法的最佳折衷解决方案Tab.2ThebesttradeoffsolutionbyMOPSO控制参数},{OPSOPPPlPAcl)cPDc】1.940424.87590.399840.61888.006815.0824在Matlab环境下,对基于MOPSO算法设计的控制器进行时域仿真,图7至图9给出了在小扰动情况下各控制器的响应曲线。其中小扰动情况设定为:在仿真1S时,gi,从1.0变化为1.1(标幺值);从1.0624变化为1.0724(标幺值);从0.0722变化为0.2722(标幺值)。从图中可以看出在所有控制器皆为闭环的条件下,所设计的控制器在小扰动下呈现出良好的响应性能,各控制器间的交互影响大为减小,系统可以在较短的时间内平息震荡,较快地恢复系统稳定性,具有较好的动态}生能。图7直流电压调节控制器阶跃响应曲线Fig.7DCvoltagecontrolperformance0864^1^7666688888O00000>山.48.电力系统保护与控制4结论图8交流电压调节控制器阶跃响应Fig..8ACvoltagecontrolperformance图9潮流控制器阶跃响应曲线Fig.9Powerflowcontrolperformance本文提出采用一种新颖的多目标粒子群优化算法对UPFC控制器进行协调设计。通过与MOEA算法进行比较测试,证明本文所提出的MOPSO算法在解决多目标问题方面具有高效和稳定的特点。通过单次仿真运算便可找到多个Pareto解集,而且解集的优良分布和多样性也令人满意。同时,引入了模糊机制从Pareto解集中选择最佳折衷解。时域仿真结果表明基于MOPSO算法设计的控制器可以有效抑制UPFC多个控制器间的交互影响,提高系统暂态稳定性。参考文献[13P印ici,ZunkoP,PovhD,eta1.BasicControlofUnifiedPowerFlowController[J].IEEETransonPowerSystems,.—1997,12(4):17341739.[2]GholipourE.SaadateS.ImprovingofTransientStabilityofPowerSystemsUsingUPFC[J].IEEETransonPowerDelivery,.2005,20(2):1677・1682.[3]WangHEInteractionsandMultivariableDesignofMultipleControlFunctionsofaUnifiedPowerFlowController[J].InternationalJournalofElectricalPower—andEnergySystems,2002,24(7):591600.[4]LEIXian.zhang,LerchEN.PovhD.OptimizationandCoordinationofDampingControlsforImprovingSystemDynamicPerformance[J].IEEETransonPowerSystems,2001,16(3):473-480.[5]Abde1.MagidYL,AbidoMA.RobustCoordinatedDesignofExcitationandT'CSC.basedStabilizersUsingGeneticAlgorithms[J].ElectricPowerSystemResearch,——2004,69(23):129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