基于模式空間的單親遺傳算法配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃

1、基于模式空間的單親遺傳算法配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃摘要：所謂基于模型空間的單親遺傳算法配電網(wǎng)規(guī)劃，即如果要求采用某種接線模式進行配電網(wǎng)規(guī)劃布線，則整個尋優(yōu)過程將始終保持在該接線模式空間內(nèi)進行，采用單親遺傳算法的尋優(yōu)思想，直至找到此模式空間內(nèi)的最優(yōu)配電網(wǎng)規(guī)劃方案。關鍵詞：模式空間 單親遺傳算法 電網(wǎng)規(guī)劃 染色體 引言：電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱和先行行業(yè)，電網(wǎng)的布局與結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)的電壓等級的確定和組合，尤其是電力系統(tǒng)與用戶之間起著橋梁作用的中壓配電電壓等級的合理選擇及實時提高是非常重要的?，F(xiàn)代化的配電網(wǎng)，必須具備滿足用電需求、電能質(zhì)量可靠、省地環(huán)保、運行管理高效和技術經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求。由于配電網(wǎng)接線模

2、式繁多，有的接線模式因為目前條件所限未能在實際配電網(wǎng)中推廣使用，而隨著自動化水平的提高，一些接線復雜但有著優(yōu)良特性的網(wǎng)絡形式有可能逐步應用于實際中。從而希望找到一種方法，只需給出接線模式的最基本結(jié)構(gòu)元作為樣本(此樣本成為樣本結(jié)構(gòu)元)就可以實現(xiàn)配電網(wǎng)在某種或某幾種接線模式下的自動化優(yōu)化布線；尤其是只需給出某種新型接線模式的一個樣本結(jié)構(gòu)元就可以對給定規(guī)劃區(qū)域在該新型接線模式下進行配電網(wǎng)各種指標的比較驗證，甚至可在該新型接線模式下進行新的配電網(wǎng)規(guī)劃。配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學模型：配電網(wǎng)網(wǎng)架的優(yōu)化規(guī)劃是在已確定配電網(wǎng)供電變電站布點及供電范圍、負荷分布及大小的情況下，合理確定若干年后配電網(wǎng)的目標網(wǎng)架，使配電網(wǎng)

3、在保證安全可靠供電的同時，實現(xiàn)經(jīng)濟上的優(yōu)化。因此，配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃的模型中需考慮的因素包括一次性投資費用、網(wǎng)損費用、維護費用、可靠性約束及其他一些配電網(wǎng)相關約束條件。以年綜合費用F(包括一次性建設投資及運行費用)最小為目標，配電網(wǎng)絡規(guī)劃的數(shù)學模型為目標函數(shù)：如前所述，配電網(wǎng)有多種接線模式。其中，輻射式系列的樹枝狀和完全放射狀接線模式相對比較簡單，規(guī)劃時只需考慮電源變電站S、輻射線路L的投資及運行費用；而、多分段多聯(lián)絡等系列的配電網(wǎng)接線都是具有聯(lián)絡線的配電網(wǎng)接線模式，此類接線模式的配電網(wǎng)正常情況時為開環(huán)運行，從而規(guī)劃中除電源變電站S、正常輻射運行線路L的投資及運行費用外，還需考慮聯(lián)絡線路C的投

4、資及維護費用，但聯(lián)絡線的損耗費用則不必計入；輻射式系列中的中介點放射狀接線模式（帶開閉所接線模式）則需考慮電源變電站S、開閉所W及其進出線L等的投資及運行費用。（1）設備年投資費用由電源變電站S、輻射線路L、聯(lián)絡線路C、開閉所W的年投資費用組成，四者分別表示為、,從而有=+式中：當配電網(wǎng)采用帶聯(lián)絡線類得接線模式時=1，否則=0；當配電網(wǎng)采用帶開閉所接線模式時=1，否則=0。這些設備年投資費用可采用等額支付資金回收公式計算，具體見下=式中：為各設備的年投資費用，i=S,L,C,W； 為設備的投資；為設備的經(jīng)濟使用年限；為貼現(xiàn)率。（2）年運行費用由電源變電站S、輻射線路L、聯(lián)絡線路C、開閉所W的年

5、運行費用組成，四成分別表示、,=+各設備的年運行費用，i=S,L,C,W； 主要包括設備全年的損耗費用和檢修、維護費用，見式=式中：為電價，元/kWh；為設備全年電能損耗量，kWh；為設備的檢修、維護費用。約束條件考慮配電網(wǎng)的實際運行情況，在規(guī)劃中需要滿足以下約束條件：（1） 相應接線模式拓撲結(jié)構(gòu)約束（因始終在相應模式空間中尋優(yōu)，本約束可自動滿足）。（2） 電壓降落限制，i=1,m式中：為規(guī)劃區(qū)域各負荷節(jié)點電壓；、為節(jié)點電壓上下限；m為負荷節(jié)點個數(shù)。（3） 線路功率限制，k=1,l式中為 k中流過的功率；為線路k的最大允許傳輸有功功率；l為配電網(wǎng)線路的總根數(shù)。（4） 變電站線路倉位限制。（5）

6、 滿足一定可靠性要求式中為可靠性指標下限。系統(tǒng)平均供電可用率指標的計算公式為=用戶用電小時數(shù)/用戶需電小時數(shù)=式中：為系統(tǒng)中總用戶數(shù)；為故障時收影響用戶的平均年停運時間；為故障時收影響的用戶數(shù)。配電網(wǎng)模式空間輻射狀配電網(wǎng)的尋優(yōu)空間，在引入聯(lián)絡等概念后可以分化或衍生出不同接線模式下各自的模式空間。在規(guī)劃區(qū)域上，采用某種接線模式進行規(guī)劃，所能獲得的所有規(guī)劃方案的集合構(gòu)成了該接線模式下的配電網(wǎng)接線模式空間。顯然，所謂的各種接線模式空間都是針對某種具有的規(guī)劃區(qū)域而言。在某接線模式空間中的每個配電網(wǎng)規(guī)劃方案都是由一定數(shù)量的同類結(jié)構(gòu)元組成。結(jié)構(gòu)元是指復雜網(wǎng)絡中不可再分的最小模塊網(wǎng)絡單元。在規(guī)劃區(qū)域上某接線

7、模式空間中，根據(jù)規(guī)劃方案中結(jié)構(gòu)元得數(shù)量，可以對模式空間中所有規(guī)劃方案進行分類，從而將模式空間劃分為若干個模式子空間。不同子空間中規(guī)劃方案所具有的結(jié)構(gòu)元數(shù)目不同。模式空間中的各模式子空間分別由若干模板空間組成。在模板空間內(nèi)，所有配電網(wǎng)方案在移去電源點后具有完全相同的拓撲結(jié)構(gòu)（對輻射式樹枝狀接線模式只考慮主干線）。1、 數(shù)據(jù)準備（1） 在進行配電網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃之前，必須完成空間負荷預測、變電站選址與定容的工作。（2） 已獲得相關地理信息，并結(jié)合實際情況，采用最短路徑算法計算得到任意兩個節(jié)點（負荷節(jié)點之間及負荷節(jié)點與電源節(jié)點之間）的線路長度，若兩節(jié)點之間沒有架線通道，則此兩個節(jié)點間線路長度定為一個極大的

8、數(shù)。2、 拓撲信息存儲結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)可采用鄰接矩陣進行存儲，矩陣中的各元素分別用三位數(shù)xyz進行標記，其中x代表線路類型，y代表線路型號，z代表連接情況。當然對電纜網(wǎng)而言，負荷節(jié)點通常集中在開閉所或環(huán)網(wǎng)柜中；而架空線網(wǎng)絡中的負荷節(jié)點則是沿著線路分布。鄰接矩陣的節(jié)點編號：第1m位為負荷節(jié)點，第m+1n位為電源節(jié)點。M為負荷節(jié)點數(shù)，n為總的節(jié)點數(shù)目（包括電源點及負荷點）。顯然，對于一個待選的配電網(wǎng)規(guī)劃方案，其生成的鄰接矩陣將是個稀疏矩陣。單親遺傳算法的優(yōu)化簡介在某個規(guī)劃區(qū)域上的配電網(wǎng)尋優(yōu)空間可以分為各種接線模式空間，各模式空間又可以劃分為多個模式子空間，而模式子空間又由一定數(shù)量的模板空間（

9、子空間的子空間）構(gòu)成。在進行遺傳算子的設計時，要求遺傳操作既不破壞配電網(wǎng)方案的接線模式，又能搜索到相應接線模式下可能存在最優(yōu)解的所有子空間。因此設計了一下遺傳操作算子：（1） 模板空間內(nèi)操作算子：隨機選取兩個或多個結(jié)點相互交換位置，進行換位操作；（2） 模式子空間內(nèi)操作算子：隨機選取一個或多個節(jié)點，將其移到其他位置，進行節(jié)點移位操作；（3） 模式空間內(nèi)操作算子：增減結(jié)構(gòu)單元。按一定概率進行增加或減少配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)單元的操作，使相應配電網(wǎng)方案從某個模式子空間轉(zhuǎn)入另一個模式子空間；（4） 節(jié)點重分配算子：遍歷父代配電網(wǎng)方案中各網(wǎng)絡節(jié)點，獲得配電網(wǎng)中各結(jié)構(gòu)單元單元中所具有的負荷節(jié)點。隨機選取若干個相應接

10、線模式下的結(jié)構(gòu)單元，將這些結(jié)構(gòu)單元中的負荷節(jié)點按0節(jié)點中的初始化方法重新分配配電網(wǎng)中。染色體初始方案的產(chǎn)生某種接線模式下的配電網(wǎng)是又一定數(shù)量的該接線模式的結(jié)構(gòu)元組成，而每個結(jié)構(gòu)元中各包含若干負荷節(jié)點。對配電網(wǎng)在某種接線模式下進行初始化，首先需要給出一個該接線模式樣本結(jié)構(gòu)元得鄰接矩陣。目前各供電公司對變電站的出線相應地都有一定的規(guī)范，當然對于實際規(guī)劃方案，若有必要，也可以在適應度計算時根據(jù)潮流計算結(jié)果重新調(diào)整線路截面大小。除了接線模式樣本結(jié)構(gòu)元的鄰接矩陣以外，還需要給定樣本結(jié)構(gòu)元中電源節(jié)點的個數(shù)、對樣本結(jié)構(gòu)中相同電源站內(nèi)的不同電源節(jié)點分組信息（如不同母線出線的環(huán)式接線結(jié)構(gòu)元中兩個電源在同一變電站

11、內(nèi)）、樣本結(jié)構(gòu)元中各線路段得編號（包括聯(lián)絡線）、各線路段首末端節(jié)點號、各線路段正常運行時負載率（對多分段多聯(lián)絡接線而言、每段線路的負載率是,其中N為聯(lián)絡數(shù)）、正常運行時電源點負載率等。此處所說的線路段是指兩節(jié)點之間（負荷節(jié)點之間或負荷節(jié)點與電源點之間）的一段線路。接下來就可以根據(jù)給定的接線模式樣本結(jié)構(gòu)元得相關信息，產(chǎn)生該接線模式下配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的初始種群、初始化得主要步驟：（1） 認為結(jié)構(gòu)元最終可以分解為由若干個電源節(jié)點引出的若干輻射路。（2） 將樣本結(jié)構(gòu)元分解為若干（帶聯(lián)絡線的）輻射線路，依次從樣本結(jié)構(gòu)元中各電源點開始對各自所供的（帶聯(lián)絡線的）輻射線路分別正向遍歷及逆向回溯各一次，以獲取樣本

12、結(jié)構(gòu)元中有關聯(lián)絡方面的信息。（3） 依次從樣本結(jié)構(gòu)元中各電源點開始對其各自所供的（帶聯(lián)絡線的）輻射線路進行遍歷，與此同時，在規(guī)劃區(qū)域上從對應于樣本結(jié)構(gòu)元得電源點開始按相似的順序及一定的規(guī)則同步進行搜索及連線。從而每遍歷一次樣本結(jié)構(gòu)元，規(guī)劃區(qū)域上相應地就可增加一個該接線模式下的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)體。反復進行此操作直到所有負荷節(jié)點都被納入配電網(wǎng)中，由此便產(chǎn)生一個相應接線模式下的配電網(wǎng)規(guī)劃方案。適應度計算算法搜索到的最優(yōu)解不僅要目標函數(shù)值F盡量小，還必須滿足各種約束條件包括：輻射網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制、電壓降落限制、線路功率限制等。因此定義適應度函數(shù)f（s）為式中：a、b和c為大于1的正值常數(shù)，且a<b<c,也就是說，變電站出線倉位及容量約束具有最高優(yōu)先級，因而當它違反時，適應度函數(shù)最?。黄渌来螢榫€路功率約束、電壓降落約束和可靠性約束；F為目標函數(shù)；M為足夠大餓常數(shù)，以保證適應度恒為正值。結(jié)論本文對各種接線模式配電網(wǎng)規(guī)劃尋優(yōu)空間進行了介紹，并闡述了各種接線模式下通用的配電優(yōu)化規(guī)劃方法，只需給出某種配電網(wǎng)接線模式的樣本結(jié)構(gòu)元即可在相應接線模式下進行配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃。整個尋優(yōu)過程將始終保持在該接線模式