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第38卷第7期2010年4月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.38NO.7Apr.1.20l0基于蜜蜂进化型粒子群算法的电力系统无功优化刘伟,梁新兰,安晓龙(1.大庆石油学院电气信息工程学院,黑龙江大庆163318;2.海洋石油工程股份有限公司设计公司,天津300451)摘要:为了提高电能质量,降低网损,采用蜜蜂进化机制与粒子群算法相结合的蜜蜂进化型粒子群算法(BeeEvolutionModifyingParticleSwarmOptimization,BEMFS0),对电力系统的无功优化问题进行求解。改进后的算法能够克服传统粒子群算法的收敛精度低,易陷入局部最优解的缺点。应用改进算法对IEEE6、30节点标准电网进行无功优化计算,并与其它优化算法相比较,结果证明BEMPS0算法具有较好的全局寻优能力,验证了该算法的正确性和有效性。关键词:电力系统;无功优化;粒子群算法;蜜蜂进化;IEEE系统PowersystemreactivepoweroptimizationbasedonBEMPSOLIUWei,LIANGXin.1an,ANXiao.1ong(1.SchoolofElec ̄icInformationEngineering,DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318,China;2.EngineeringCompany,OffshoreOilEngineeringCO.,LTD,Tianjin300451,China)Abstract:Inordertoimprovepowerqualityandreducenetworklosses,amethodbasedonbeeevolutionmodifyingparticleSWalTIIoptimization(BEMPSO)ispresentedforpowersystemreactivepoweroptimization.TheBEMPSOalgorithmcanovercomethedisadvantagesinthetraditionalPSOalgorithmaboutlowaccuracyandeasytofallintolocaloptima1.Thereactivepoweroptimizationresultof1EEE6andIEEE30nodesystembyBEMPSOshowsthattheBEMPSOhasastrongrobustnessandgoodglobalastringencycomparedwiththeothermodifiedalgorithm.ItalsoshowsthatBEMPSOisasuccessfulandfeasibleapproachforreactivepoweroptimization.Keywords:powersystem;rea ̄ivepoweroptimization;particleswarmalgorithm;beeevolution;IEEEsystem中图分类号:TM714文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2O1O)O7.0016060引言随着我国电力负荷的快速增加,电网的经济运行日益受到电力部门的重视。目前,我国电力系统的有功功率网络损耗较大,而且电压合格率偏低,因此针对电力系统无功优化的研究具有重要的现实意义。电力系统无功优化是电力系统领域的重要研究内容。无功功率在电力系统中的合理分配是充分利用无功装置,改善电压质量,减少网络损耗的必要条件。无功优化配置是一个复杂的多变量、多约束…条件、非线性、非连续性的优化问题。多年以来,电力系统无功优化问题一直是国内外学者研究的一个热点问题,并已提出了许多有效的无功优化方法,如遗传算法【2】、Box算、禁忌基金项目:黑龙江教育厅科学技术研究项目(100551012)搜索算法[41、混沌算法【5J、神经网络【6】以及粒子群算法7J等。这些新型优化算法可通过经验和判断等减小搜索空间,取得快速求解的效果。本文采用蜜蜂进化机制与粒子群算法相结合的改进粒子群算法进行无功优化计算,使得电力系统无功优化的收敛速度和优化效果较传统的粒子群优化算法有显著提高,并通过对标准电网的计算,证明了该算法是正确、可靠的。1无功优化的数学模型电力系统无功优化是指在满足系统各种运行约束条件的前提下,以达到系统的有功网损最小等为目标函数,通过无功优化计算,确定发电机的机端电压、有载调压变压器的分接头位置和无功补偿设备投入量等参数。无功优化是通过调节电网中的各种设备来改变无功潮流在网络中的分布,从而达到降损节能的目的。刘伟,等基于蜜蜂进化型粒子群算法的电力系统无功优化一17-本文采用的数学模型是以电网的有功损耗最小为目标函数,以发电机各节点电压、变压器的变比和无功补偿量为控制变量,以负荷节点的电压和发电机无功出力为状态变量。同时要满足功率约束方程[引。具体的数学模型表示式如下:f丑I一∑尸D=(cos0 ̄+cosec){㈩∑If一f=Vj(Ggsin00.+sinO0.)L=1Jf'i≤‘∈Ⅳf{≤Qc,,,一∈Ⅳc(2)I,mj,~∈Nt’Ifm|n‘~∈Ⅳ…fd【…∈Ⅳg式中:为与节点i相连节点的集合;为发电机Ⅳ节点的集合;c为补偿电容器节点集合:M为变压Ⅳ—器支路集合;d为PQ节点集合。公式(1)为功率平衡等式约束方程,也是潮流计算的基础,式中G和,为节点导纳的系数,节点i的有功功率和无功功率分别为只=PGf_尸bf和Of=QG厂ODf,为节点i的电压幅值,0为节点i和节点,之间的电压角度差;公式(2)为发电机机端电压、变压器变比和补偿电容器容量QC的不等式约束方程,但由于它们都属于控制变量,因此其约束可以自身得到满足;公式(3)为P.Q节点电压和发电机无功功率QG的不等式约束方程,它们是状态变量,需写成罚函数的形式,可以由式(4)表示∑minF=Ploss.o ̄.()+轰(‘)㈩△式中:1和为罚因子,本文取值均为0.5;△和由公式(5)和公式(6)确定;尸i为电网中所有支路的有功功率损耗,它可以通过公式(7)来求取。l一,ax△:.;一>.ax<(5),i,aXmin。=。。。=kENE∑g(+一2oose,j)(7)kENE式中:。。。为支路k的有功功率损耗:gk为支路k的电导。2蜜蜂进化型PSO算法(BEMPSO)2.1PSO算法介绍粒子群优化算法(PSO)是一种基于群智能的演化计算技术,由Eberhart和Kennedy于1995年提出,是基于对鸟群的模拟。假设在一个J[)维的目标搜索空间中,有n个粒子组成一个群落,其中第…i个粒子表示为一个D维的向量X ̄(xi1,,,rio),…/=1,2,,n。将代入一个目标函数就可以计算出其适应值,根据适应值的大小衡量X的优劣。“”第i个粒子的飞翔速度也是一个J[)维的向量,记…为=(vmv,,v)。记第i个粒子迄今为止搜索到的最优位置为…mp,,PiD)。整个粒子群迄今…为止搜索到的最优位置为(Pgl,Pg2,,D)。每个粒子使用当前位置、当前速度、当前位置与自己最好位置之间的距离以及当前位置与群体最好位置之间的距离等信息来改变自己的当前位置【9】。基本粒子群优化算法速度和位置更新方程为“=+cl.(一彳)+c2・譬一)(8)=+H(9)…式中:i=1,2,,n为粒子标号;k为迭代次数;Cl和C2是加速因子;,.1和r2是介于区间【0,1】之间的随机数;为了控制xik和的值在合理的区域内,需要指定和来限制。但是基本的PSO也存在很多的缺点,如:收敛快、精度较低、易发散等。因此很多学者都致力于提高PSO算法的性能。若采用改进的粒子群优化算法,即同时采用线性递减惯性权重和压缩因子,结合交叉变异策略,则式(8)和式(9)就变为i:十c1・・(一)+・rE・(一)】(10)=+(11)惯性权重W使微粒保持运动惯性,本文采用线性递减权策略,即:.18.电力系统保护与控制—w(t)=(WiniWed)(一t)t+wed(12))=(1一・)+・州)(15)式中:t为当前进化代数;为最大进化代数;Wini为初始惯性权值;w。d为进化到最大代数时的惯性权值【l州。对于固定压缩因子口取l■———r一l口=2/12一C一4c一4cl(13)ll式中:C=Cl+C2,c>4。C1和c2决定了粒子本身经验信息和其他粒子的经验信息对粒子运行轨迹的影响,如果e,的值较大,会使粒子过多地在局部范围徘徊;如果c2的值较大,会使粒子过早收敛到局部最小值。为了平衡随机因素的作用,一般情况下cl=c2,c1和c2取值范围为[0,4】。为了能够达到较好的优化效果,兼顾两种经验,本文选择C1和C2均为2,则a=0.7298。2.2BEMPSO算法本文采用的BEMPSO能够明显提高PSO算法性能。蜜蜂繁殖进化过程如下:蜜蜂是一种社会群居性昆虫,蜂群由蜂王、工蜂和雄蜂组成。蜂王的职能是产卵繁殖后代;雄蜂的职能是在繁殖季节与蜂王交尾;工蜂是蜂巢内外一切繁重劳动的承担者。蜂王性成熟后,出巢飞舞,雄蜂追随其后,它们在空中旋转飞舞,体弱的雄蜂相继掉落地面,只剩下最强壮的一只雄蜂在空中与蜂王交配。有时,为了避免近亲繁殖,蜂王会飞出,寻找其他蜂群,与之交配【l1]。我们将上述蜜蜂繁殖进化机制,引进到PSO算法中,其基本思想如下:找出父代种群中的最优个体,与上一代蜂王比较,优胜者为第t代蜂王(Queen)。粒子的适应度类比于雄蜂身体的强弱,粒子的适应度越小,则表示雄蜂的身体越强壮,粒子的适应度越大,则表示雄蜂的身体越弱。通过在第t代最大适应度邻域内选择rN/4(0'<1)个粒子个体和最小适应度邻域内选择rN/4个粒子个体作为雄蜂种群(Drones),并随机产生(卜r)N/2个粒子作为随机雄蜂种群(StochasticDrones)。然后,蜂王分别与上述产生的N/2个雄蜂个体配对,经过交叉、变异后,得到第l子代种群,出第f+1种群中的最优个体,记为NewQueen,Queen与NewQueen根据适应度优劣竞争选择出第什1代蜂王,根据适应度值判断是否需要进化,需要再重复上述过程,直到满足适应度要求为止。蜂王与雄蜂位置和速度交叉变异操作如下:“ch ̄14)=・9)+(1一・D)(14)喇—,IWltio,、)l《t臼()+](0。、删=‘(m)‘…lt臼()+()『0一、I式中:是均匀分布的[0,1】内随机数向量;Queen)、Drone㈣、Queen(、D'rone'(,…i=1,2,,N-1,分别表示第f代蜂王和雄蜂对应粒子的位置和速度;childli+l)、child2州()、川()和child2什(分别表示第什1代对应子代粒子的位置和速度。蜜蜂进化型粒子群优化算法步骤:步骤一:随机生成初始种群(,t=0,设定粒Ⅳ子群粒子数为,对(0)每个粒子初始化,随机产生每个粒子初始速度和初始位置,随机产生,.、的值。步骤二:计算种群中每个粒子个体的适应值,若粒子的适应值优于原来的个体适应度极值,则当前适应值为个体适应度极值P再根据各个粒子尸Ir找出种群全局适应度极值将最优个体保存到Queen。步骤三:t=t+l。步骤四:对适应度进行排序,选择最大适应度邻域内rN/4(O1)个粒子个体和最小适应度邻域内选择为rN/4个粒子个体作为雄蜂种群,并随机‘产生(1-r)N/2个粒子作为随机雄蜂种群。步骤五:蜂王与雄蜂按式(14)~(17)交叉变异。步骤六:根据式【10)、(11)更新每个个体粒子的速度和位置,产生新的个体种群B(O。步骤七:计算种群(f)中每个粒子个体的适应值,选出个体适应度极值0和种群全局适应度极值P将第什l代蜂王保存到NewQueen。步骤八:与第t代蜂王比较,第1代蜂王应是全局最优适应度极值对应的胜出者,给定第l代蜂王粒子对应搜索速度和位置,得到种群(。步骤九:检查终止条件,或达到最大迭代次数或者最好解停滞不再变化,就终止迭代否则转到步骤三继续。蜜蜂进化型粒子群算法流程如图1所示。刘伟,等基于蜜蜂进化型粒子群算法的电力系统无功优化.19.图1蜜蜂进化型粒子群算法流程Fig.1FlowchartofBEMPSO3无功优化实例用BEMPSO对IEEE6节点系统进行无功优化。IEEE6节点系统接线图如图2所示。图2IEEE6节点系统接线图Fig.2IEEE6systemconnectiondiagram由图2可知,IEEE6节点系统包含2台发电机,2台可调变压器和2个无功补偿节点。系统参数的基准容量为100MVA,I号节点的发电机机端电压的取值范围为(1.0-1.1);2号节点的发电机机端电压的取值范围为(1.1~1.15);变压器档位调节范围为(0.9-1.1);节点4和节点6处的电容器的容量分别为0.05MVA和0.055MVA。在控制变量中发电机机端电压为连续变量,变压器变比和无功补偿器容量为离散变量。选1号节点为平衡节点,2号—节点为PV节点,3-6号节点为P.O节点(电压取值范围0.9~1.O)。按照图2的标准数据计算,网络的初始有功损耗为11.6197MW,且有节点3电压不合格,仅有8.55l6。程序运行时,设置的系统参数如下:潮流计算精度pr=0.000001;种群规模N=50;最大进化代数Tm=200;Wini=0.9;W。nd----0.4。优化结果如表l所示,同时与Tabu搜索、人工鱼群、Box算法及PSO等算法相比较,证明BEMPSO优化算法是可行的。表1IEEE6各种优化算法的最小网损比较Tab.1ComparisonofoptimalresultsbydifferentmethodsofIEEE6优化算法最小网损/100MV初始标准电网Tabu搜索算法【1混沌算法【】人工鱼群算法(1Box算法【1PSO算法改进遗传算法【2】BEMPSO(本文)O.1】620.08860.08850.08850.08840.08800.08770.0876优化后的控制变量如表2所示。表2IEEE6控制变量优化结果Tab.2ThecontrolvariablesafteroptimizationoflEEE6优化后的状态变量如表3所示。表3IEEE6状态变量优化结果Tab.3ThestatevariablesafteroptimizationoflEEE6由表1可以看出,本文采用的BEMPSO优化算法有较好优化性能,较其它多种优化算法的寻优能.2O.电力系统保护与控制力略有提高,与初始潮流相比,有功网损下降了24.6%,且电压质量也有明显的改善,全网最低电压值由原来的0.86提高到0.98。图3为针对IEEE6系统节点BEMPSO算法优化过程收敛特性曲线,从图可以看出,该算法具有较快的收敛特性,进化的30次左右就已经非常接近最优有功网损值。l,\lO5OlOOl5O200进化次数图3IEEE6BEMPSO优化算法收敛特性曲线Fig.3ConvergencecurveofBEMPSOalgorithmoflEEE6本文采用BEMPSO优化算法对IEEE30节点系统进行了无功优化,电网标准参数参照文献[141。IEEE30节点系统的初始有功网损为7.089Mw,经优化后的网损为6.361Mw,网损下降了10.3%,与其他算法比较如表4所示。表4IEEE30各种优化算法的最小网损比较Tab.4ComparisonofoptimalresultsbydifferentmethodsofIEEE30图4为针对IEEE30节点系统BEMPSO算法优化过程收敛特性曲线,进化的50次左右就已经非常接近最优有功网损值。050J0oI502o0进化次数图4IEEE30BEMPSO优化算法收敛特性曲线Fig.4ConvergencecurveofBEMPSOalgorithmofIEEE304结束语无功优化控制是保证电网质量和无功平衡、提高供电网可靠性和经济性的重要措施之一。PSO优化算法为大量非线性、不可微和多峰值的复杂优化问题的求解提供了新的思路和解决方法。本文将生物界蜜蜂进化机制引入到PSO算法中,提出BEMPSO优化算法,并对IEEE6和IEEE30节点标准电网进行了无功优化计算,结果表明BEMPSO优化算法有效地提高了算法的全局搜索能力。与其它优化算法比较可知,BEMPSO算法是一种有效、可行的优化算法。参考文献[1]刘杨.粒子群优化算法在系统无功优化中的应用[D】.天津:天津大学,2005.LIUYang.ParticleSwarmO 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