基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究.pdf

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基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究1 基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究2 基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究3 基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究4 基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究5 基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究6
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第38卷第15期2010年8月1曰电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVol-38NO.15Aug.1,2010基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究路志英,葛亮,陆洁(天津大学电气与自动化工程学院,天津300072)摘要:结合数据库技术,根据城市中压配电网络规划问题的具体特征,对基本蚁群算法中的信息素更新及其寻优方式进行了改进,对基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法进行了研究。在变电站位置、供电区域及负荷分布已知情况下,利用街道长度和负荷量的信息素和启发信息,选取蚂蚁待选前进街道,确定配电网络的局部优化方案,实现了以区域街道为配电“”网络走廊的辐射型网络优化规划。算例表明该方法能够在保证计算速度的前提下,有效地规划出符合规划要求的方案。方法稳定,规划方案可行。关键词:配电网络规划;蚁群算法;信息素;启发信息;辐射型Researchonmedium-voltagedistributionnetworkplanningbasedonheuristicantcolonyalgorithm—LUZhiying,GELiang,LUJie(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)—Abstract:Accordingtothespecificcharacteristicsofurbanmediumvoltagedistributionnetworkplanningandcombiningdatabasetechnology,anewmedium・voltagedistributionnetworkplanningmethodbasedonheuristicantcolonyalgorithmisstudied,inwhichthepheromoneupdatingstrategyandoptimizationofantcolonyalgorittunareimproved.Whenthesubstationlocation,powersupplyregionandloaddistributionareknown,thewaythatantsselectisdeterminedbyusingthepheromoneandtheheuristicinformationconsistedofstreetlengthandloadcapacity.Thenthedistributionnetworklocaloptimizationproposalisdetermined.Finally,the—optimizedradialmediumvoltagedistributionnetworkplanningcanbegoRenwhichisdistributedalongthestreetsundertheinfluenceoflocaloptimization.Theexperimentalresultsshowthattheproposedmethodcanmakeeffectiveplanningtomeetplanningrequirementsoftheprogramandhaveappropriatecalculationspeed.Theexperimentalresultsalsoprovethattheproposedmethodisstableandtheplanningschemeisfeasible.Keywords:distributionnetworkplanning;antcolonyalgorithm;pheromone;heuristicinformation;radial中图分类号:TM715文献标识码:A——文章编号:16743415(2010)15-0069060引言配电网络规划问题具有非线性、离散性、运行方式多样性、多阶段性的特点,其求解是相当复杂的川。国内外学者研究和发展了各种配电网络规划的模型和算法,如支路交换法【2J是对辐射结构配电网络的支路在其邻域内重复进行交换,直到目标函数值最优,但这种方法只能实现局部最优,不能较好地解决实际问题。遗传算法【31是求解全局优化问题的随机搜索算法,通过选择、杂交、变异等一系列算子的操作产生优良的迭代结果,其效果在配电网络规划中得到一定的认同,但是,遗传算法在计算过程中会产生大量的无用解。进化策略J与遗传算法一样属于模拟进化算法,但更重视变异的作用。禁忌搜索算法[61是一种单线随机搜索算法,同其他算法结合,具有强大的全局搜索性能,但局部搜索性能易受分散性的影响。模拟退火算法J利用概率突跳性在解空问中随机寻找目标函数的全局最优解,也与其他方法相结合应用到了配网规划中。但上述算法没有充分利用配电网络规划领域的相关知识,弱化了其在具体问题中的全局搜索能力,使搜索效率较低。本文在给定变电站选址规划的基础上,根据规划区域的地理信息,对启发式蚁群算法J进行了改“进,实现了以城区街道为配电网络基础结构的辐”射状配电网络规划。这种算法是针对于全新的供电区域或开发区寻找辐射状网架规划方案,与以往.7O一电力系统保护与控制的网络铺设方法[1,4,7-12相比较,本文研究的基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法对实际工作更具有指导意义。1中压配电网络规划的数学模型及约束条件,甚Ⅱl儿1l1.1数学模型中压配电网络规划的数学模型是以线路的规划年综合费用最小为目标函数,包括线路投资费用、网损费用。fmin=C线路+C网损(1)1to)I(+一1I∑∑损=,(3Ⅳ其中:为变电站的个数;为构成第个变电站辐射型线路的总数:,为第个变电站的第k条线路的长度;m,为变电站低压侧线路折旧年限;为贴现率;口为单位长度线路投资费用:为第个变电站第k条线路上的有功负荷;为线路网损折算系数。1.2约束条件(1)电压降必须在允许范围内本文的电压降约束通过线路长度体现。根据负荷分布密度及大小,在电压降允许范围内,线路长度的取值范围可为2~10km。(2)每条线路容量不能超载为了保证中压配电网的可扩展性,每条辐射出线均保留了50%的裕量,主干线路的导线均采用240电缆。(3)配电网结构呈辐射状网络结构。(4)网络规划线路必须沿城市街道铺设。在进行线路铺设过程中,如果有违反上述约束条件的方案,则视为失败方案。2地理信息知识库的构建2.1知识库结构本文以框架形式表示配网规划区域的地理信息,进而构建出适用于配网规划的地理信息知识库。街区及负荷分布如图1所示。地理信息知识库的结构如下:(变电站供电范围(变电站(变电站1(坐标(X坐标值,Y坐标值))(容量容量值))(变电站2(坐标(x坐标值,Y坐标值))(容量容量值))……)(负荷1(坐标(X坐标值,Y坐标值))(负荷量负荷值))(隶属变电站变电站号))……(负荷2))(街道段节点(节点1(坐标(x坐标值,Y坐标值)))……(节点2))(街道段号(街道段1(端点1(节点号))(端点2(节点号))(相邻负荷(相邻负荷1负荷号)……(相邻负荷2)))……(街道段2))①1⑥5i2②,③i;l2j④:9⑦…………………………………‘。一①⑨O~O一负荷号~一节点号1~12一街道段号图1街区及负荷空间分布示意图Fig.1Sketchmapofthestreetandloadpositions2.2知识库实现本文利用C语言对带有地理信息的负荷分布图(如图1)进行识别,提取所有街道段及其节点坐标、负荷坐标及负荷量等特征值,然后对这些特征进行分类编号,最后利用SQLSewer数据库技术建立地理信息知识库,所建数据库的部分信息如表1~表4所示。表1变电站信息Tab.1Info1"111ationofthesubstations路志英,等基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究.71.表2负荷信息Tab.2Informationoftheload表3街道信息Tlab_3Informationoftheroutes表4节点信息Tlab.4Inforrnationofthenodes利用地理信息知识库框架建立GIS知识库,该库既能准确描述规划区域的街道信息、变电站供电范围及二者的相互关系,又便于程序调用、查询与更新。3基于蚁群算法的配电网络规划3.1蚁群算法的基本思想及特征蚁群算法是受真实蚁群集体觅食行为的启发而提出的一种模拟仿生算法【oJ。蚁群算法具有正反馈、分布式计算以及运用贪婪启发式搜索等特征。其中,正反馈有助于快速发现问题的较好解;分布式计算可避免在迭代过程中出现早熟现象;而运用贪婪启发式搜索则可使搜索过程中较早地发现可接受解【J引。尽管蚁群算法具有上述特点,但基本蚁群算法依然存在收敛速度慢,易陷入局部最优解的缺点。基于蚁群算法的配电网络规划方法,将负荷看“”作是蚂蚁所要寻找的食物源,蚂蚁在铺线时,根据具有启发信息的状态转移准则来决定其选择街道段。可有效地求得配电网络规划问题的优化解。本文对启发信息的状态转移准则,即转移概率模型和信息素更新规则进行了改进设计,以适用于配电网络的优化规划问题。3.2变换状态转移准则每只人工蚂蚁在第f个节点的运动方向,即从待选路径中选择哪条街道段是由状态转移准则决定,因此,合理的状态转移准则既要以一定的概率服从现有最优解,又要以一定的概率搜索新的可行解[¨1。3.2.1启发信息状态转移准则在蚂蚁选择前进路经k。。l。。钯d时,由具有启发信息的状态转移函数引导选路。具有启发信息的状态转移函数表示如下:kselectedk当待访问负荷数最多时k。h。当待访问街道长度最短时(4)kpr0b。其他其中:k为待选前进路径(街道段)中涉及待访问负荷数最多的街道段号;kh。n为待选前进路径中街道段长度最短的街道段号;k。。为由转移概率准则最终选择的街道段号。按照街道段符合的条件,顺次选择且只以其中一种方式选择街道段。3.2.2转移概率准则本文采用伪随机比率作为择路规则。设是一个分布在【0,1]区间上的随机变量,是一个常数,≤0qo1。如果qq。,则1:』max,pj(k)(5)(,)={¨一(5)10其他否则(f,k)=pf)(6∑『(j,,.)一…(6)≠r ̄ej(i)r^0其他其中:(f,k)为蚂蚁在节点i处选择前进街道段k的转移概率;P,(,k)为蚂蚁在节点i处选择前进街道段k上的信息素;表示前进街道段k的长度;为常数,用来调节街道段长度对转移概率的影响程度;R,(i)为蚂蚁在节点i处所有待选前进.72.电力系统保护与控制街道段的集合。3.3信息素更新原则3.3.1各街道段信息素的初始化针对沿街铺设线路的特殊性,各条街道段上初始信息素(尼,0)由公式(7)获得,即(=H+KI(7)其中:H为各街道段初始化的同等信息素,保证蚂蚁有均等的机会走到各街道上;为街道段k的长度;街道段k两侧负荷总个数;K1/反映每条街道所含信息。依据式(7)初始化各条街道段的信息素,有助于蚂蚁选择更有效的街道段前进,加快寻优速度。3.3.2局部信息素更新局部信息素更新是指蚁群在线路铺设成功,而且铺设方案的目标函数小于给定阈值情况下,对所有街道段的信息素进行更新,否则线路铺设即使成功,所有街道段的信息素也不会更新。该信息素更新准则的设定,既能避免较差铺设方案对街道段信息素的影响,又能充分体现当前最优路径的优势。(1)每条街道段信息素的更新每当一只蚂蚁走过一条街道段后,为避免后续蚂蚁只在当前所走过街道段附近寻路,需对该街道段信息素进行立即调整。设蚂蚁,走过街道段k后,街道段k的信息素调整公式如下:2-(k,十1)=,f)~p/d(8)其中:为常数;r(k,,)为街道段k第,时刻的信息素;为前进路径街道段k的长度。(2)街道段信息素的局部更新当某组蚁群中所有蚂蚁共同完成了一次成功的线路铺设方案后,街道段信息素按如下操作进行局部更新。①当蚂蚁,未经过街道段k,街道段k的信息素不作改变,即:,f+1)=彳(七,)(9)②当蚂蚁I,经过街道段k,则街道段k的信息素为△f,t+1)--(1一o)f,f)+(10)△:兰f,L。d(f)/R。m。)]cj:1\li1{ri1)其中:表示当前时刻,什1为下一时刻;M表示成功铺设线路涉及到的蚂蚁数目;表示信息素挥发量;表示第,只蚂蚁所访问的负荷个数;,表示第,只蚂蚁访问的某负荷值;,.表示第,只蚂蚁经过某街道段的长度,表示第,只蚂蚁所经过街道段的个数。3.3.3全局信息更新根据目标函数值最小,确定到迄今为止各组蚁群线路铺设的最好方案,并将此方案对街道信息素的影响按以下方式进行全局更新。①当蚂蚁未经过街道段k时,,+1)=(1一rl,,)②当蚂蚁J,经过的街道段k时,—f+1)=(12"1,t)+Arb。(12)(13)△∑∑∑=lLoad(6)/Route(rj)l4)jI\|ifrj1J其中:(1.)表示全局信息素更新后街道段k信息△素的剩余程度;为最好方案下信息素的变化量,其他量的含义与局部更新相同。3.4蚂蚁前进路径的搜索策略真实蚂蚁在觅食过程由所处环境中的信息量来决定前进的方向,而人工蚂蚁是在平面的节点上运动,因此可把觅食过程抽象成构造解的过程。对于配电网络线路铺设问题,每一节点通过人工蚂蚁感知以该节点为端点的街道段上的负荷值或信息素浓度,来选择前进的街道段。蚂蚁的巢穴为变电站站点,食物为负荷点,人工蚂蚁从巢穴节点按照启发函数选择下一节点,直至找到了足够的食物(达到了线路负荷量),便得到了所求问题的一个可行解。本文线路铺设是在变电站供电范围确定的全新的供电区域或开发区下,进行辐射型线路的铺设。铺设方法的流程图如图2所示。由于蚁群搜索算法是一种随机搜索方法,因此,通常的算法停止准则是预先设定足够多的搜索循环数量。当算法达到这个预设的循环总数时,搜索过程终Li=。路志英,等基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法研究图2本文配网规划方法流程图Fig.2Flowchartofthedistributionnetworkplanningmethodproposedinthispaper4算例测试及结果分析本文算例在变电站选址、供电范围以及负荷分布情况均已知,而且规划区域为全新的供电区域或开发区情况下,依据规划目标和技术原则,按照辐射状的接线模式对目标年进行配网规划。所有铺设线路的导线截面积均相同。通过多个算例的多次运行,蚁群种群规模取200,迭代次数(循环搜索数量)为8。算例的规划区域拥有1座2x40MVA的变电站,74个负荷点,目标年预测年最大负荷为51.71MW。负荷空间分布及变电站位置如图3所示。依据本文算法对算例进行配网线路铺设,所得规划结果如图3所示,此规划方案相对应的规划线路长度及所带负荷信息如表5所示。图3算例线路铺设结果Fig.3Distributionnetworkplanningsolutionofthecase表5算例的规划线路信息Tab.5Informationoftheplanningsolutioninthecase该算例的规划区域负荷空间分布及负荷量大小不均,从规划结果来看:该区域共铺设线路l9条,总长为50.43km,平均长度为2.654km,平均每条线路所带负荷2721.45kW。布线方案合理,符合规划要求,且与实际规划情况接近。..74..电力系统保护与控制5结论本文在变电站、负荷及供电区域(全新的供电区域或开发区)已知情况下,对基于启发式蚁群算法的中压配电网络规划方法进行了研究。该方法充分利用了由街道地理信息、负荷信息构建的启发函数和街道段的信息素,在保证计算速度的前提下,有效地完成了沿街铺设辐射型配网线路的任务。算例结果说明了所提方法有效实用,优化规划结果合理,接近实际,符合规划要求。参考文献[1]王赛一,王成山.基于多目标模型的城市中压配电网络规划【J】_中国电力,2006,39(11):46.50—WANGSai-yi,WANGChengshan.UrbanMV—distributionnetworkplanningbasedonmultiobjective—model[J].ElectricPower,2006,39(11):4650.—[2]MiguezE,CidrasJ,DiazDoradoE,eta1.Animproved—branch-exchangealgorithmforlargescaledistributionnetworkplanning[J].IEEETransactionsonPower—Systems,2002,17(4):931936.E3]MirandaV,RanitoJV,ProcencaLM.Geneticalgorithmsinoptimalmultistagedistributionnetworkplanning[J].IEEETransonPowerSystems,1994,9(4):l927.1933.[4]刘自发.基于智能优化算法的配电网络规划与优化运行研究【D】.天津:天津大学,2005.—LIUZifa.Astudyoffdistributionnetworkplanningandoptimalopermionbasedonintelligenceoptimizationalgorithms[D].Tianjin:TianjinUniversity,2005.[5]SongYH,IrvingMR.Anoverviewofheuristicoptimizationtechniquesforpowersystemexpansionplanninganddesign[C].//PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting.2004:933.[6]NaraK,HayashiY,YamafujiY,eta1.Atabusearchalgorithmfordeterminingdistributiontielines[C].//ProceedingsoftheInternationalConferenceonIntelligentSystemsApplicationstoPowerSystems,’—ISAP96.Orlando(USA):2008:266270.[7]刘健,杨文字,余健明,等.基于改进最小生成树算法并考虑负荷不确定性的配电网架最优规划[J1.电网技术,2005,29(16):61.65.—LIUJian,YANGWenyu,YUJian-ruing,eta1.Optimaldistributionnetworkplanningbasedonimprovedminimalcostspanningtreealgorithmandconsideringindeterminacyofpowerloads[J1.PowerSystem—Technology,2005,29(16):6165.[8]高炜欣,罗先觉.基于蚂蚁算法的配电网网络规划fJ].中国电机工程学报,2004,24(9):l1O.114.—GAOweixin,LUOXian-jue.Improvedantalgorithmfordistributionnetworkplanning[J].ProceedingsoftheCSEE,2004,24(9):110.114.[9]钱峰.10kv配电网规划研究[D】.南京:河海大学,2003.QIANFeng.Thestudyof10kVddistributionnetworkplanning[D】.Nanjing:HohaiUniversity,2003.[10]徐珍霞,顾洁.粒子群优化算法在配电网网架优化规划中的应用fJ1.继电器,2006,34(6):29.33.—XUZhenxia,GUJie.Applicationofparticleswarmoptimizationalgorithmtodistributionnetwork—planning[J].Relay,2006,34(6):2933.[11]陈根军,唐国庆.基于禁忌搜素与蚁群最优结合算法的配电网规划[J1.电网技术,2005,29(2):23.27.CHENGen-jun,TANGGuo-qing.Tabusearch-antcolonyoptimizationhybridalgorithmbaseddistributionnetworkplanning[J].PowerSystemTechnology,2005,—29(2):2327.[12]王成山,王赛一.基于空间的城市中压配电网络智能规划(一)辐射接线模式的自动布局【J].电力系统自动化,2004,28(5):45.50.—WANGCbengshan,WANGSai-yi.Theintelligentplanningofurbanmid-voltagedistributionnetworkbasedonspatialGIS,partone:automaticroutingofradialnetwork[J].AutomationofElectricalPowerSystems,2004,28(5):45.50.113jDorigoM,ManiezzoV,ColomiA.Antsystem:optimizationbyacolonyofcooperatingagents[J].IEEETransactionsonSystem,Man,andCybernetics,PartB:1996,26(1):29-41.1l43DanielLC,KhanIH,RavichandranS.Distributionnetworkreconfigurationforlossteductionusingsntvolonydystemslgorithm[C].//INDICON,AnnualIEEE.ChennajfIndia):2005:619.622.收稿日期:2009-09-02;修回Et期:2009-11-10作者简介:路志英(1964-),女,副教授,研究生,主要从事智能信息处理、进化算法和城市电网规划等方面的研究;—Email:luzy@tju.edu.cn葛亮(1985~),男,在读研究生,主要从事智能信息处理、图像处理研究;陆洁(1982-),女,研究生,从事进化算法和城市电网规划等方面的研究
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