基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，首先構建出配電網(wǎng)的簡化圖，搜索出配電網(wǎng)簡化圖的所有生成樹，得到連支，連支的每條邊上有且僅有一個開關打開；提出了以連支每條邊的開關數(shù)量為基向量、打開開關在邊上的編號為優(yōu)化變量的十進制編碼方法，大大縮短了編碼長度；每棵生成樹對應一個子種群，并行計算子種群中的遺傳操作，得到的子代個體自動滿足配電網(wǎng)輻射狀、無孤島運行的約束條件，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡重構遺傳算法產生大量不可行解，搜索效率低的弊端。
【專利說明】基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，屬于電力系統(tǒng)運行、仿真與控制領域。
【背景技術】
[0002]為了提高供電可靠性，城市配電網(wǎng)一般設計為環(huán)網(wǎng)結構，為了減小短路電流與便于繼電保護的整定，一般采用開環(huán)運行方式。配電線路中包含大量常閉的分段開關及少量常開的聯(lián)絡開關。配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構通過調整開關狀態(tài)能夠達到降低網(wǎng)損、隔離故障、均衡負荷、提高電壓等目的。目前，配網(wǎng)自動化示范工程在全國各大中城市全面鋪開，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)能夠人工、交互或者自動地調整開關狀態(tài)，為網(wǎng)絡重構的實際工程應用奠定了良好基礎。
[0003]配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構是一種大規(guī)模、非線性組合優(yōu)化問題，主要有支路交換法、最優(yōu)流法、遺傳算法、啟發(fā)式方法、混合方法等。由于遺傳算法不依賴于初值、魯棒性好、能得到全局最優(yōu)解等優(yōu)點，得到了眾多學者的關注。
[0004]在最初的基于遺傳算法的配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構中，通常采用二進制編碼方法，每個開關對應染色體中的一個基因位，基因為O表示開關打開，為I表示開關閉合。這種編碼方式容易理解、實現(xiàn)簡單。但是大量不能打開的開關也參與了編碼，導致染色體較長，在交叉、變異過程中會產生大量不可行解，程序搜索效率十分低下。后來提出的基于改良策略網(wǎng)絡重構遺傳算法也或多或少地產生不可行解，從而使得程序搜索效率大打折扣。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供了一種基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡重構遺傳算法產生大量不可行解，搜索效率低的弊端。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0007]基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，包括以下步驟:
[0008]I)、構建配電網(wǎng)的簡化圖，采用無向圖所有生成樹的搜索算法搜索出簡化圖中所有的生成樹和連支，
[0009]所述簡化圖的構建方法為:城市配電網(wǎng)拓撲結構圖是以配變或線路為支路、負荷母線為節(jié)點的有環(huán)、無向、連通圖，將配電網(wǎng)拓撲結構圖中不在環(huán)路中的支路去掉、度為2的相鄰節(jié)點所在的支路合并成一條邊，由此構成一個簡化圖；
[0010]所述生成樹是指包含簡化圖的所有節(jié)點，但不包含簡化圖的所有邊的簡化圖的子圖；
[0011]所述連支是指簡化圖減去生成樹剩下的邊組成的集合；
[0012]2)、計算所述步驟I)的所有的連支的基向量和連支的候選解個數(shù)，
[0013]所述連支的基向量是指以連支中每條邊上的開關數(shù)量為分量組成的向量；
[0014]所述候選解個數(shù)的計算方法為將連支基向量的每個分量作乘積運算即為該連支對應的候選解數(shù)目；
[0015]3)、并行產生初始的子種群，所述子種群與連支一一對應，子種群中染色體的長度等于連支上邊的個數(shù)，所述染色體每一位的取值等于對應邊上打開開關的編號，染色體第i位取0，1,2……N1-1中的某一個值，Ni為連支第i條邊上的開關數(shù)目；
[0016]4)、并行計算子種群中染色體的適應度值，具體計算方法為:對染色體代表的配電網(wǎng)中打開的開關采用十進制編碼方法進行解碼，采用并行前推回代算法計算網(wǎng)損值，對子種群中每個染色體對應的網(wǎng)損值按照從小到大進行排序并編號，對編號等間隔線性映射為0-2中實數(shù)作為每個染色體對應的適應度，并定義網(wǎng)損值最大的染色體對應的適應度值為O,網(wǎng)損值最小的染色體對應的適應度值為2，相鄰的染色體適應度值間隔相等；
[0017]5)、并行在子種群中進行基因操作，具體包括如下步驟:
[0018]5-1)進行子種群選擇操作
[0019]對于每個子種群，根據(jù)染色體的適應度值，采用“賭輪盤”法選擇N個染色體，所述N為偶數(shù)；
[0020]5-2 )進行子種群交叉操作
[0021]按照指定的概率將雙親染色體對應基因位數(shù)值互換；
[0022]5-3 )進行子種群變異操作
[0023]按照指定的變異概率將雙親染色體中一位或多位基因替換為小于基向量對應位的非負整數(shù)值；
[0024]5-4)進行子種群重插入操作
[0025]將每個子種群中選擇的N個染色體完成了交叉、變異操作的染色體重新插入父代，同時計算子種群中染色體的適應度值，淘汰掉子種群父代中適應度值最小的N個染色體；
[0026]6)、完成所有子種群的基因操作后，整個種群中網(wǎng)損值最小的染色體即為最優(yōu)解，即按照該染色體所代表的配電網(wǎng)中打開的開關組合進行配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構。
[0027]前述的步驟3)，步驟4)，步驟5)的并行計算采用MATLAB/PARALLEL COMPUTING工具箱進行。
[0028]前述的步驟5-2)進行子種群交叉操作中，指定的概率的范圍為:0.7-0.9。
[0029]前述的步驟5-3)進行子種群變異操作中，指定的變異概率為0.01。
[0030]本發(fā)明具有的優(yōu)點為:本發(fā)明通過并行計算子種群中的遺傳操作，得到的子代個體自動滿足配電網(wǎng)輻射狀、無孤島運行的約束條件，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡重構遺傳算法產生大量不可行解，搜索效率低的弊端；并且在計算過程中子種群之間沒有任何計算上的耦合關系，非常適合于并行計算。本發(fā)明基于MATLAB/PARALLEL COMPUTING工具箱進行并行計算，大大提高了算法的計算速度。本發(fā)明的網(wǎng)絡重構對于配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行具有重要的理論研究與實際應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明基于無向圖 所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法的邏輯框圖；
[0032]圖2為IEEE典型的三饋線試驗系統(tǒng)；
[0033]圖3為圖2的簡化圖?！揪唧w實施方式】
[0034]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明的基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，包括以下步驟:
[0036]1、構建配電網(wǎng)的簡化圖，采用無向圖所有生成樹的搜索算法搜索出簡化圖中所有的生成樹和連支，具體過程如下，
[0037]城市配電網(wǎng)拓撲結構圖是以配變或線路為支路、負荷母線為節(jié)點的有環(huán)、無向、連通圖。將配電網(wǎng)拓撲結構圖不在環(huán)路中的支路去掉、度為2的相鄰節(jié)點所在的支路合并成一條邊，由此構成一個簡化圖G。生成樹是指包含簡化圖的所有節(jié)點，但不包含簡化圖的所有邊的簡化圖的子圖，不同的生成樹由不同的邊組成，生成樹中其中任意兩個節(jié)點之間有且僅有一條簡單路徑。簡化圖G減去生成樹剩下的邊組成的集合稱為連支，一個連支包含的邊數(shù)等于環(huán)數(shù)，采用無向圖所有生成樹的搜索算法可以搜索出簡化圖的所有生成樹及其連支，圖2為IEEE典型的三饋線試驗系統(tǒng)，虛線為聯(lián)絡開關所在支路，將圖2中的母線1、2、3聯(lián)接起來、去掉不在環(huán)路中的支路、將度為2的相鄰節(jié)點所在的支路合并為一條邊，可以簡化為圖3所示的簡化圖。由圖3可以清晰地看出，邊(I)、(3)、(4)、(5)構成配電網(wǎng)簡化圖的一棵生成樹，邊(2)、(6)、(7)為該生成樹的連支。邊(I)、(2)、(4)、(5)構成另一棵生成樹，邊(3)、(6), (7)為該生成樹的連支。圖3的所有生成樹及其對應的連支分別如表1的第2、3列所示。
[0038]2、計算所有的連支的基向量和連支的候選解個數(shù)，
[0039]連支的基向量為以連支中每條邊上的開關數(shù)量組成的向量。如表1第2行所示，連支I由邊(I)、⑵、⑷組成，邊⑴上的開關數(shù)量為1，邊(2)上的開關數(shù)量為5，邊(4)上的開關數(shù)量為1，因此連支I的基向量為(151)，圖3的所有連支對應的基向量如表1第4列所示。
[0040]配電網(wǎng)任意滿足輻射狀、無孤島約束條件的打開開關組合對應網(wǎng)絡重構的一個可行解，這個可行解即為候選解。最優(yōu)解只能從候選解中產生。當且僅當從連支的每條邊中選擇一個開關打開，產生一個候選解。將連支基向量的每個分量作乘積運算即可得到連支對應的候選解數(shù)目。將每個連支對應的候選解數(shù)量累加即可得到整個配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構總的候選解數(shù)目。如表1第2行第5列所示，生成樹I的候選解數(shù)目為1X5X1 = 5。即在連支I上能夠打開的滿足輻射狀、無孤島約束條件的開關組合共有5種。如表1第26行第5列所示，IEEE典型的三饋線試驗系統(tǒng)候選解的數(shù)目為190個。
[0041]表1生成樹、連支及基向量
[0042]
【權利要求】
1.基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，其特征在于，包括以下步驟: 1)、構建配電網(wǎng)的 簡化圖，采用無向圖所有生成樹的搜索算法搜索出簡化圖中所有的生成樹和連支， 所述簡化圖的構建方法為:城市配電網(wǎng)拓撲結構圖是以配變或線路為支路、負荷母線為節(jié)點的有環(huán)、無向、連通圖，將配電網(wǎng)拓撲結構圖中不在環(huán)路中的支路去掉、度為2的相鄰節(jié)點所在的支路合并成一條邊，由此構成一個簡化圖； 所述生成樹是指包含簡化圖的所有節(jié)點，但不包含簡化圖的所有邊的簡化圖的子圖； 所述連支是指簡化圖減去生成樹剩下的邊組成的集合； 2)、計算所述步驟1)的所有的連支的基向量和連支的候選解個數(shù)， 所述連支的基向量是指以連支中每條邊上的開關數(shù)量為分量組成的向量； 所述候選解個數(shù)的計算方法為將連支基向量的每個分量作乘積運算即為該連支對應的候選解數(shù)目； 3)、并行產生初始的子種群，所述子種群與連支一一對應，子種群中染色體的長度等于連支上邊的個數(shù)，所述染色體每一位的取值等于對應邊上打開開關的編號，染色體第i位取0，1，2……N1-1中的某一個值，Ni為連支第i條邊上的開關數(shù)目； 4)、并行計算子種群中染色體的適應度值，具體計算方法為:對染色體代表的配電網(wǎng)中打開的開關采用十進制編碼方法進行解碼，采用并行前推回代算法計算網(wǎng)損值，對子種群中每個染色體對應的網(wǎng)損值按照從小到大進行排序并編號，將編號等間隔線性映射為0-2中實數(shù)作為每個染色體對應的適應度，并定義網(wǎng)損值最大的染色體對應的適應度值為0，網(wǎng)損值最小的染色體對應的適應度值為2，相鄰的染色體適應度值間隔相等； 5)、并行在子種群中進行基因操作，具體包括如下步驟: 5-1)進行子種群選擇操作 對于每個子種群，根據(jù)染色體的適應度值，采用“賭輪盤”法選擇N個染色體，所述N為偶數(shù)； 5-2)進行子種群交叉操作 按照指定的概率將雙親染色體對應基因位數(shù)值互換； 5-3)進行子種群變異操作 按照指定的變異概率將雙親染色體中一位或多位基因替換為小于基向量對應位的非負整數(shù)值； 5-4)進行子種群重插入操作 將每個子種群中選擇的N個染色體完成了交叉、變異操作的染色體重新插入父代，同時計算子種群中染色體的適應度值，淘汰掉子種群父代中適應度值最小的N個染色體； 6)、完成所有子種群的基因操作后，整個種群中網(wǎng)損值最小的染色體即為最優(yōu)解，即按照該染色體所代表的配電網(wǎng)中打開的開關組合進行配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，其特征在于，所述步驟3)，步驟4)，步驟5)的并行計算采用MATLAB/ PARALLEL COMPUTING工具箱進行。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，其特征在于，所述步驟5-2)進行子種群交叉操作中，指定的概率的范圍為:0.7-0.9。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡重構遺傳算法，其特征在于，所述步驟5-3)進行子種群變異操 作中，指定的變異概率為0.01。
【文檔編號】G06N3/12GK103903055SQ201410108464
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權日:2014年3月21日
【發(fā)明者】張劍, 袁曉冬 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學研究院