基于改进烟花算法的矿用配电网重构.pdf

第44卷 第 “ 期 2018年9月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 9 Sep. 2018 文章编号671-251X 201809-0032-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018030051 基 于 改 进 烟 花 算 法 的 矿 用 配 电 网 重 构 徐嘉斌1 张鑫2 张玉振3 张晶4 1.山东科技大学电气与自动化工程学院，山 东 青 岛 266590; 2.扬州大学水利与能源动力工程学院， 江 苏 扬 州 225127 4.国网江苏省电力有限公司仪征市供电公司， 江 苏 仪 征 211400 摘要 针对启发式方法和智能优化方法在求解配电网重构问题时存在难以获得全局最优解、 效率较低的 问题，以及矿用配电网重构快速性、 稳定性的要求， 提出了一种改进烟花算法用于求解矿用配电网重构。以 配电网的网络损耗最小为目标函数，通过引入自适应系数对爆炸算子和终止策略进行改进，以减少迭代次 数 ， 提高算法的搜索效率； 同时结合最优烟花微调策略，避免最优烟花爆炸产生大量相同火花，有效提高火花 的多样性。实验结果表明，改进烟花算法具有较高的稳定性和可重复性、 较快的搜索速度及良好的全局搜索 能力，利用该算法对配电网重构问题进行求解后，网络损耗明显降低。 关键词矿用配电网；配电网重构；烟花算法；自适应系数；爆炸算子 中图分类号TD611 文献标志码A 网络出版地址 Lttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20180822. 1 339. 002. html Mine-used distribution network reconfiguration based on improved fireworks algorithm XU Jiabin1 v ZHANG Xin2 v ZHANG Yuzhen3 , ZHANG Jing4 1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. School of Hydraulic Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China; 3.Dongying Power Supply Company, State Grid Shandong Electric Power Company, Dongying 257000, China; 4.Yizheng Power Supply Company, State Grid Jiangsu Electric Power Co. , Ltd. , Yizheng 211400, China Abstract For problems of difficulty in obtaining global optimal solution and low efficiency when heuristic and intelligent optimization were used to solve problem of distribution network reconfiguration, and requirements of rapidity and stability of mine-used distribution network reconfiguration, an improved fireworks algorithm was proposed to solve mine-used distribution network reconfiguration. Taking the minimum distribution network loss as objective function, explosion operator and termination strategy are improved by introducing seladaptive coefficient, so as to reduce iterations and improve search efficiency. Combing with the optimal fireworks fine-tuning strategy, a large number of identical sparks can be avoid during the optimal fireworks explosion, which effectively improves sparks diversity. The experimental results show that the improved fireworks algorithm has higher stability and repeatability, faster search speed and good global search ability, and network loss is obviously reduced by use of the algorithm to solve problem of distribution network reconfiguration. 收稿日期2018-03-15;修回日期2018-08-11;责任编辑 盛男。 基金项目 山东省高等学校科技计划项目（J17KA074;山东科技大学科技创新项目（SDKDYC170232。 作者筒介 徐嘉斌“992 ，男，山东临折人，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化，E-mail24323141qq. com。 引用格式 徐嘉斌，张 鑫，张玉振， 等.基 于 改 进 烟 花 算 法 的 矿 用 配 电 网 重 构 工 矿 自 动 化，2018，4492-36. XU Jiabin, ZHANG Xin, ZHANG Yuzhen, et al. Mine-used distribution network reconfiguration based on improved fireworks algorithm]. Industry and Mine Automation,2018,449 ； 32-36. 2 0 1 8 年 第 9 期 徐 嘉 斌 等 基 于 改 进 烟 花 算 法 的 矿 用 配 电 网 重 构 33 Key words mine-used distribution network; distribution network reconfiguration; fireworks algorithm; self-adaptive coefficient; explosion operator 〇 引言 配电网重构是重要的配电网优化手段之一， 通 过改变开关组合来提高配电网的运营能力。由于配 电网的开关数目较多， 可形成的开关组合呈几何倍 数增长， 配电网重构的本质是一个非线性组合优化 问题[1] 求解配电网重构的方法主要分为启发式方法和 智能优化方法。文献[2-3]使用启发式方法对配电 网重构进行求解， 根据启发式规则可快速对配电网 进行优化， 但结果易受配电网初始状态或重构过程 的影响， 无法保证寻找到最优的重构方案。因此， 众 多学者采用智能优化方法求解配电网重构。文献 [4]将配电网的网络损耗和最低节点电压作为适应 度函数， 将配电网重构描述为混合整数规划问题， 并 采用遗传算法（GeneticAlgorithm, G A对其进行求 解 ； 文献[5-6]利用和声搜索算法（HarmonySearch Algorithm, H S A对配电网重构进行求解，具有编 程简单、 可调参数少、 容易实现的特点。但以上智能 优化方法求解配电网重构时均存在收敛速度慢、 效 率较低的问题。 烟花算法（FireworksAlgorithm，F W A由 Tan Y和Zhu Y在 2010年提出[]， 并受到广泛关注[]。 文献[9]将F W A应用于配电网重构求解， 并以网络 损耗和电压偏差最小为目标函数。文献[10]考虑各 类用户负荷日需求模式， 以经济效益最大化为目标 函数， 构建了配电网动态重构和各类分布式电源快 速调控策略模型， 最 后 使 用F W A求解所提出的模 型 ， 可高效、 快速地获得最优解。 在矿用配电网中， 负载集中且大功率设备频繁 启停， 对供电可靠性要求较高， 因此矿用配电网重构 既要保证快速性， 又要保证稳定性。本文在前人研 究 基 础 上 ， 提 出 了 一 种 改 进 烟 花 算 法 （Improved FireworksAlgorithm，I F W A应用于矿用配电网重 构 。该算法利用自适应系数对爆炸算子及终止策略 进行改进， 并引人最优烟花微调策略， 可有效减少迭 代次数， 提高搜索效率， 稳定获得全局最优解。 1矿用配电网重构数学模型 网 网络 耗 小作 网重构 化目标[11] ■ j- P2 Q2 “ 、 m n/ 2s v “ 、 式中（ 为配电 网 的 网 络 损 耗S为 支 路R“ 1 ， 2, ，T的电阻，T为配电网支路总数； P,，Q,分别 为支路R末端有功功率和无功功率;认 为 支 路r末 端节点电压。 节点电压约朿条件 VR min VR VR，max 2 式 中VR , min，VR , max分 别 为 支 路R末端节点电压最小 值 、 最大值。 支路潮流约朿条件 S, S, ，max “ 式中 相 邻 2 次迭代的最 优适应度相等时， 令V V 1 。因此V可用来表示 在当前迭代次数下最优烟花的存活代数。 2.2 改进爆炸算子 爆炸算子（ 即烟花爆炸产生新火花的操作） 是 F W A的重要组成部分， 主要包括爆炸半径、 爆炸强 度[]。当爆炸半径较小时， 烟花具有较大的爆炸强 度 ； 当爆炸半径较大时， 烟花具有较小的爆炸强度。 爆炸半径改变时， 爆炸强度会相应发生改变， 从而改 变爆炸算子[1 2]。因此， 本文主要针对爆炸半径进行 合。 34 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 首先使用自适应系数V对每次迭代中的最优 烟花和非最优烟花的爆炸半径进行改进 Anti A„ M M V An M V M 7 式中A。 , ；；分别为改进前后的最优烟花爆炸半 径 ； 。L-分别为改进前后的非最优烟花爆炸 半径;M为常数。 式（ 7描述 在当前迭代次数下， 最优烟花已连 续存活V代 ， 此时应降低最优烟花爆炸半径， 提高 最优烟花的局部搜索能力， 以期获得在最优烟花附 近的最优解； 同时增大非最优烟花爆炸半径， 提高非 最优烟花的全局搜索能力， 以期寻找到更好的解， 跳 出局部最优解。 但当爆炸半径降低到一个很小的值时， 取整后 的解与原始解相同， 即进行了无效变异[13]。为避免 该情况发生， 对通过式（ 7改进后的爆炸半径进行调 整 ， 将爆炸半径设定为不小于1 的整数。 „ nuncKA7 ； 4 〇 -5 ； 〃 2 “ “ |l A’ V rV r为常数，VrC 时启动该策略。 2. 5 I F W A 流程 I F W A流程如图1 所示。 3实验分析 经多次实验， 设 置I F W A参 数 C 10, Vr 3, 是 5 50， 其他基本参数见文献）]。 使 用IEEE33节点系统进行仿真。该系统含有 37条支路， 其 中 5 条为联络支路， 形 成 5 个基本环 网， 即在I F W A中有5 个维度。网络首端基准电压 为 12. 66 k V， 三相功率基准值为10 M V A， 总有功 负荷为3 715 k W,总无功负荷为2 300 kvar,详细参 数见文献）5]。 利 用I F W A对IEEE33节点系统进行配电网重 构求解， 配电网重构前后的节点电压分布如图2 所 示 ， 可看出重构后节点电压得到显著提高。 为 验 证I F W A的性能， 与G A，H S A，F W A进 行对比， 每种算法分别进行200次重复实验，结果见 表1 。 从 表 1 可看出， 采 用I F W A和G A均搜索到全 局最优解， 即{67， 614， 89， 837， 832}， 此时网络损 耗最小， 为 139. 55 k W;在I F W A求解的配电网重 构方案下， 网络损耗最大值和标准差均小于其他算 法 ， 同时网络损耗平均值较其他算法更接近网络损 耗 最 小 值 ， 表 明I F W A具 有 显 著 的 稳 定 性； I F W A 2 0 1 8 年 第 9 期 徐 嘉 斌 等 基 于 改 进 烟 花 算 法 的 矿 用 配 电 网 重 构 35 使用改进爆炸算子进 行爆炸操作， 产生火花 10 15 20 25 30 35 节点 0 510 15 20 25 30 35 40 45 迭代次数 图3收 敛 曲 线 Fig. 3 Convergence curve 图1 IFW A流程 F g 1 Flow of IFWA 图2配 电 网 重 构 前 后 的 节 点 电 压 分 布 Fig. 2 Node voltage distribution before and after distribution network reconfiguration 求 得 全 局 最 优 解 次 数 明 显 多 于 其 他 算 法 ， 表明 I F W A具有较好的可重复性；I F W A平均运行时间 远 低 于 其 他 算 法 ， 表 明I F W A具 有 较 快 的 搜 索 速度。 为 更 加 直 观 地 反 映I F W A性能的优越性， 取 200次重复实验中迭代次数最少和最多的2 次实 验 ， 收敛曲线如图3 所示。可 看 出I F W A最快可在 第 7 次迭代达到全局最优， 在 第 16次迭代后算法终 止 ， 节省了大量时间； 在迭代次数最多的收敛曲线 中，I F W A分别在第9 次和第21次迭代陷入局部最 优 ， 并分别在第12次和第25次迭代跳出局部最优， 表 明I F W A具有良好的全局搜索能力。 表1基 于 不 同 算 法 的 配 电 网 重 构 结 果 对 比 Table 1 Comparison of distribution network reconfiguration results based on different algorithms 对比项重构前 重构后 GAHSAFWAIFWA 断开开关 B33,B34,B35， B36，B37 B7 B14 B9 B37，B32 B7，B14，B10， B37，B32 B7，B14，B9， B32，B28 B7，B14，B9， B37，B32 网络损耗最小值/kW202. 67139.55145.11139.98139.55 网络损耗最大值/kW202. 67202.67195.10155.75141.88 网络损耗平均值/kW202. 67166.20152.33145.63139.56 网络损耗标准差/kW202. 6714.5311.285.490.29 求得全局最优解次数102125134196 平均运行时间/s 19.107.206.402.73 4结语 应用于矿用配电网重构的I F W A， 以配电网的 网络损耗最小为目标函数， 通过引入自适应系数对 爆炸算子和终止策略进行改进， 提高了算法的搜索 能力和搜索速度； 同时结合最优烟花微调策略， 避免 产生大量相同火花， 提高了火花多样性。实验结果 表明，I F W A在求解配电网重构问题时， 可快速搜索 0987654321 099990999 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2 3 2 1 o o o C 1 9 7 1 5 r M V跋顆涂匿 36 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 出全局最优解， 且不易陷人局部最优， 减少了迭代次 数 ， 降 低 了 网 络 损 耗 ， 具 有 较高的稳定性和可重 复性。 参考文献（References 1 *郭松梅.煤矿电能质量综合治理研究[b].工矿自动 化， 2016,42960-64. 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