基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)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(luò)重構(gòu)遺傳算法，首先構(gòu)建出配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化圖，搜索出配電網(wǎng)簡(jiǎn)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(gè)開關(guān)打開；提出了以連支每條邊的開關(guān)數(shù)量為基向量、打開開關(guān)在邊上的編號(hào)為優(yōu)化變量的十進(jìn)制編碼方法，大大縮短了編碼長(zhǎng)度；每棵生成樹對(duì)應(yīng)一個(gè)子種群，并行計(jì)算子種群中的遺傳操作，得到的子代個(gè)體自動(dòng)滿足配電網(wǎng)輻射狀、無孤島運(yùn)行的約束條件，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法產(chǎn)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(luò)重構(gòu)遺傳算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法，屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行、仿真與控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]為了提高供電可靠性，城市配電網(wǎng)一般設(shè)計(jì)為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為了減小短路電流與便于繼電保護(hù)的整定，一般采用開環(huán)運(yùn)行方式。配電線路中包含大量常閉的分段開關(guān)及少量常開的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)通過調(diào)整開關(guān)狀態(tài)能夠達(dá)到降低網(wǎng)損、隔離故障、均衡負(fù)荷、提高電壓等目的。目前，配網(wǎng)自動(dòng)化示范工程在全國(guó)各大中城市全面鋪開，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)能夠人工、交互或者自動(dòng)地調(diào)整開關(guān)狀態(tài)，為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。
[0003]配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)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(diǎn)，得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。
[0004]在最初的基于遺傳算法的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中，通常采用二進(jìn)制編碼方法，每個(gè)開關(guān)對(duì)應(yīng)染色體中的一個(gè)基因位，基因?yàn)镺表示開關(guān)打開，為I表示開關(guān)閉合。這種編碼方式容易理解、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但是大量不能打開的開關(guān)也參與了編碼，導(dǎo)致染色體較長(zhǎng)，在交叉、變異過程中會(huì)產(chǎn)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(luò)重構(gòu)遺傳算法也或多或少地產(chǎn)生不可行解，從而使得程序搜索效率大打折扣。

【發(fā)明內(nèi)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(luò)重構(gòu)遺傳算法，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法產(chǎn)生大量不可行解，搜索效率低的弊端。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法，包括以下步驟:
[0008]I)、構(gòu)建配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化圖，采用無向圖所有生成樹的搜索算法搜索出簡(jiǎn)化圖中所有的生成樹和連支，
[0009]所述簡(jiǎn)化圖的構(gòu)建方法為:城市配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖是以配變或線路為支路、負(fù)荷母線為節(jié)點(diǎn)的有環(huán)、無向、連通圖，將配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中不在環(huán)路中的支路去掉、度為2的相鄰節(jié)點(diǎn)所在的支路合并成一條邊，由此構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)化圖；
[0010]所述生成樹是指包含簡(jiǎn)化圖的所有節(jié)點(diǎn)，但不包含簡(jiǎn)化圖的所有邊的簡(jiǎn)化圖的子圖；
[0011]所述連支是指簡(jiǎn)化圖減去生成樹剩下的邊組成的集合；
[0012]2)、計(jì)算所述步驟I)的所有的連支的基向量和連支的候選解個(gè)數(shù)，
[0013]所述連支的基向量是指以連支中每條邊上的開關(guān)數(shù)量為分量組成的向量；
[0014]所述候選解個(gè)數(shù)的計(jì)算方法為將連支基向量的每個(gè)分量作乘積運(yùn)算即為該連支對(duì)應(yīng)的候選解數(shù)目；
[0015]3)、并行產(chǎn)生初始的子種群，所述子種群與連支一一對(duì)應(yīng)，子種群中染色體的長(zhǎng)度等于連支上邊的個(gè)數(shù)，所述染色體每一位的取值等于對(duì)應(yīng)邊上打開開關(guān)的編號(hào)，染色體第i位取0，1,2……N1-1中的某一個(gè)值，Ni為連支第i條邊上的開關(guān)數(shù)目；
[0016]4)、并行計(jì)算子種群中染色體的適應(yīng)度值，具體計(jì)算方法為:對(duì)染色體代表的配電網(wǎng)中打開的開關(guān)采用十進(jìn)制編碼方法進(jìn)行解碼，采用并行前推回代算法計(jì)算網(wǎng)損值，對(duì)子種群中每個(gè)染色體對(duì)應(yīng)的網(wǎng)損值按照從小到大進(jìn)行排序并編號(hào)，對(duì)編號(hào)等間隔線性映射為0-2中實(shí)數(shù)作為每個(gè)染色體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度，并定義網(wǎng)損值最大的染色體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值為O,網(wǎng)損值最小的染色體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值為2，相鄰的染色體適應(yīng)度值間隔相等；
[0017]5)、并行在子種群中進(jìn)行基因操作，具體包括如下步驟:
[0018]5-1)進(jìn)行子種群選擇操作
[0019]對(duì)于每個(gè)子種群，根據(jù)染色體的適應(yīng)度值，采用“賭輪盤”法選擇N個(gè)染色體，所述N為偶數(shù)；
[0020]5-2 )進(jìn)行子種群交叉操作
[0021]按照指定的概率將雙親染色體對(duì)應(yīng)基因位數(shù)值互換；
[0022]5-3 )進(jìn)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(duì)應(yīng)位的非負(fù)整數(shù)值；
[0024]5-4)進(jìn)行子種群重插入操作
[0025]將每個(gè)子種群中選擇的N個(gè)染色體完成了交叉、變異操作的染色體重新插入父代，同時(shí)計(jì)算子種群中染色體的適應(yīng)度值，淘汰掉子種群父代中適應(yīng)度值最小的N個(gè)染色體；
[0026]6)、完成所有子種群的基因操作后，整個(gè)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(guān)組合進(jìn)行配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。
[0027]前述的步驟3)，步驟4)，步驟5)的并行計(jì)算采用MATLAB/PARALLEL COMPUTING工具箱進(jìn)行。
[0028]前述的步驟5-2)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)為:本發(fā)明通過并行計(jì)算子種群中的遺傳操作，得到的子代個(gè)體自動(dòng)滿足配電網(wǎng)輻射狀、無孤島運(yùn)行的約束條件，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法產(chǎn)生大量不可行解，搜索效率低的弊端；并且在計(jì)算過程中子種群之間沒有任何計(jì)算上的耦合關(guān)系，非常適合于并行計(jì)算。本發(fā)明基于MATLAB/PARALLEL COMPUTING工具箱進(jìn)行并行計(jì)算，大大提高了算法的計(jì)算速度。本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對(duì)于配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的理論研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(luò)重構(gòu)遺傳算法的邏輯框圖；
[0032]圖2為IEEE典型的三饋線試驗(yàn)系統(tǒng)；
[0033]圖3為圖2的簡(jiǎn)化圖。【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)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(luò)重構(gòu)遺傳算法，包括以下步驟:
[0036]1、構(gòu)建配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化圖，采用無向圖所有生成樹的搜索算法搜索出簡(jiǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖是以配變或線路為支路、負(fù)荷母線為節(jié)點(diǎn)的有環(huán)、無向、連通圖。將配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖不在環(huán)路中的支路去掉、度為2的相鄰節(jié)點(diǎn)所在的支路合并成一條邊，由此構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)化圖G。生成樹是指包含簡(jiǎn)化圖的所有節(jié)點(diǎn)，但不包含簡(jiǎn)化圖的所有邊的簡(jiǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間有且僅有一條簡(jiǎn)單路徑。簡(jiǎn)化圖G減去生成樹剩下的邊組成的集合稱為連支，一個(gè)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(jiǎn)化圖的所有生成樹及其連支，圖2為IEEE典型的三饋線試驗(yàn)系統(tǒng)，虛線為聯(lián)絡(luò)開關(guān)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(diǎn)所在的支路合并為一條邊，可以簡(jiǎn)化為圖3所示的簡(jiǎn)化圖。由圖3可以清晰地看出，邊(I)、(3)、(4)、(5)構(gòu)成配電網(wǎng)簡(jiǎn)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(gòu)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(duì)應(yīng)的連支分別如表1的第2、3列所示。
[0038]2、計(jì)算所有的連支的基向量和連支的候選解個(gè)數(shù)，
[0039]連支的基向量為以連支中每條邊上的開關(guān)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(guān)數(shù)量為1，邊(2)上的開關(guān)數(shù)量為5，邊(4)上的開關(guān)數(shù)量為1，因此連支I的基向量為(151)，圖3的所有連支對(duì)應(yīng)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(guān)組合對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的一個(gè)可行解，這個(gè)可行解即為候選解。最優(yōu)解只能從候選解中產(chǎn)生。當(dāng)且僅當(dāng)從連支的每條邊中選擇一個(gè)開關(guān)打開，產(chǎn)生一個(gè)候選解。將連支基向量的每個(gè)分量作乘積運(yùn)算即可得到連支對(duì)應(yīng)的候選解數(shù)目。將每個(gè)連支對(duì)應(yīng)的候選解數(shù)量累加即可得到整個(gè)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)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(guān)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(yàn)系統(tǒng)候選解的數(shù)目為190個(gè)。
[0041]表1生成樹、連支及基向量
[0042]
【權(quán)利要求】
1.基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法，其特征在于，包括以下步驟: 1)、構(gòu)建配電網(wǎng)的 簡(jiǎn)化圖，采用無向圖所有生成樹的搜索算法搜索出簡(jiǎn)化圖中所有的生成樹和連支， 所述簡(jiǎn)化圖的構(gòu)建方法為:城市配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖是以配變或線路為支路、負(fù)荷母線為節(jié)點(diǎn)的有環(huán)、無向、連通圖，將配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中不在環(huán)路中的支路去掉、度為2的相鄰節(jié)點(diǎn)所在的支路合并成一條邊，由此構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)化圖； 所述生成樹是指包含簡(jiǎn)化圖的所有節(jié)點(diǎn)，但不包含簡(jiǎn)化圖的所有邊的簡(jiǎn)化圖的子圖； 所述連支是指簡(jiǎn)化圖減去生成樹剩下的邊組成的集合； 2)、計(jì)算所述步驟1)的所有的連支的基向量和連支的候選解個(gè)數(shù)， 所述連支的基向量是指以連支中每條邊上的開關(guān)數(shù)量為分量組成的向量； 所述候選解個(gè)數(shù)的計(jì)算方法為將連支基向量的每個(gè)分量作乘積運(yùn)算即為該連支對(duì)應(yīng)的候選解數(shù)目； 3)、并行產(chǎn)生初始的子種群，所述子種群與連支一一對(duì)應(yīng)，子種群中染色體的長(zhǎng)度等于連支上邊的個(gè)數(shù)，所述染色體每一位的取值等于對(duì)應(yīng)邊上打開開關(guān)的編號(hào)，染色體第i位取0，1，2……N1-1中的某一個(gè)值，Ni為連支第i條邊上的開關(guān)數(shù)目； 4)、并行計(jì)算子種群中染色體的適應(yīng)度值，具體計(jì)算方法為:對(duì)染色體代表的配電網(wǎng)中打開的開關(guān)采用十進(jìn)制編碼方法進(jìn)行解碼，采用并行前推回代算法計(jì)算網(wǎng)損值，對(duì)子種群中每個(gè)染色體對(duì)應(yīng)的網(wǎng)損值按照從小到大進(jìn)行排序并編號(hào)，將編號(hào)等間隔線性映射為0-2中實(shí)數(shù)作為每個(gè)染色體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度，并定義網(wǎng)損值最大的染色體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值為0，網(wǎng)損值最小的染色體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值為2，相鄰的染色體適應(yīng)度值間隔相等； 5)、并行在子種群中進(jìn)行基因操作，具體包括如下步驟: 5-1)進(jìn)行子種群選擇操作 對(duì)于每個(gè)子種群，根據(jù)染色體的適應(yīng)度值，采用“賭輪盤”法選擇N個(gè)染色體，所述N為偶數(shù)； 5-2)進(jìn)行子種群交叉操作 按照指定的概率將雙親染色體對(duì)應(yīng)基因位數(shù)值互換； 5-3)進(jìn)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(duì)應(yīng)位的非負(fù)整數(shù)值； 5-4)進(jìn)行子種群重插入操作 將每個(gè)子種群中選擇的N個(gè)染色體完成了交叉、變異操作的染色體重新插入父代，同時(shí)計(jì)算子種群中染色體的適應(yīng)度值，淘汰掉子種群父代中適應(yīng)度值最小的N個(gè)染色體； 6)、完成所有子種群的基因操作后，整個(gè)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(guān)組合進(jìn)行配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法，其特征在于，所述步驟3)，步驟4)，步驟5)的并行計(jì)算采用MATLAB/ PARALLEL COMPUTING工具箱進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法，其特征在于，所述步驟5-2)進(jìn)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(quán)利要求1所述的基于無向圖所有生成樹的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)遺傳算法，其特征在于，所述步驟5-3)進(jìn)行子種群變異操 作中，指定的變異概率為0.01。
【文檔編號(hào)】G06N3/12GK103903055SQ201410108464
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】張劍, 袁曉冬 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院