CN107579517A - 复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法 - Google Patents

Abstract

复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法，属于配电网规划与优化运行领域，解决了现有复杂配电网的人工智能优化重构存在的效率低和耗时长的问题。所述方法包括采用整数型环网编码方法对配电网中的分段开关和联络开关进行编码的步骤、对于开关编码后的配电网，采用量子粒子群优化算法得到粒子解，并根据整数型环网编码方法对粒子解进行解码的步骤、判断解码后的粒子解是否为环路不可行解的步骤、判断环路可行的粒子解是否为孤岛不可行解的步骤和给出判定结论的步骤。本发明所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法适用于复杂配电网的快速在线重构。

Description

复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断 方法

技术领域

本发明涉及一种配电网重构中所得解是否可行的判断方法，属于配电网规划与优化运行领域。

背景技术

目前，我国配电网通常采用闭环设计、开环运行的供电方式。在配电网中，存在着大量分段开关和少量联络开关。配电网重构即是在满足配电网运行的约束下，通过改变配电网中分段开关和联络开关的开闭组合状态对配电网络拓扑结构进行切换，在不同馈线之间转移负荷，从而实现配电网的优化运行。

按照侧重点的不同，可以将配电网重构分为静态网络优化重构和故障恢复性重构。静态网络优化重构即通过优化配电网络结构使系统网损达到最小，进而提高供电的可靠性。而故障恢复性重构是指在配电网发生故障并且故障被隔离时，为了减少停电面积、尽可能为更多的用户供电而对配电网络结构做出调整，其重在故障后恢复供电，是实现配电网自愈控制的基础。

由于我国电网采用闭环设计、开环运行的供电方式，因此配电网重构涉及到在多个配电网络结构中选择出一个最优解，使其兼具辐射型和连通性，并满足目标函数。现有大规模的配电网重构通常采用人工智能算法来搜索出最优配电网络结构。但是，由于人工智能算法采用随机搜索的方式来寻求最优配电网络结构，在搜索最优解的过程中会产生大量不满足网络辐射状和连通性拓扑约束的不可行解，而关于配电网人工智能优化重构中不可行解的判断，长期以来一直存在着判定效率低和耗时长的问题，使得配电网人工智能优化重构的效率无法得到大幅度提升，进而无法实现实时在线重构。

发明内容

本发明提出了一种复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法，用于解决现有复杂配电网的人工智能优化重构存在的效率低和耗时长的问题。

本发明所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法包括：

步骤1、采用整数型环网编码方法对待重构配电网中的X个分段开关和Y个联络开关进行编码，其具体过程为：

将分段开关和联络开关依次编号为1～X+Y，作为各自的开关号；

对由每个联络开关确定的环网内的分段开关和联络开关依次编号为1～该环网内的开关总数，作为各自的环网内开关编号；

步骤2、对于开关编码后的配电网，采用量子粒子群优化算法得到粒子解，并根据整数型环网编码方法将粒子解包含的环网内开关编号解码为开关号；

步骤3、对每个解码后的粒子解生成开关-环路矩阵，判断该矩阵中是否出现相同的两行元素，当判断结果为是时，判定该粒子解为环路不可行解，执行步骤5，否则，执行步骤4；

步骤4、根据节点分层算法，得到配电网拓扑结构的节点分层矩阵及其对应的上层节点矩阵，并判断上层节点矩阵的非首列元素是否出现0元素，当判断结果为时是，判定该粒子解为孤岛不可行解，执行步骤5，否则，判定该粒子解为可行解，执行步骤5；

步骤5、给出判定结论。

作为选优的是，在步骤4中，根据配电网拓扑结构的支路参数矩阵BranchM＝[支路首节点支路尾节点支路阻抗参数]和节点参数矩阵NodeM＝[节点号节点有功负荷节点无功负荷]确定配电网拓扑结构的节点关联矩阵NodeN：

其中，N为配电网的网络拓扑结构的节点数，i和j为配电网的网络拓扑结构中的任意两个节点；

根据节点关联矩阵NodeN得到所述节点分层矩阵及其对应的上层节点矩阵。

本发明所述的判断方法提出了一种基于整数型环网编码方式下的开关-环路矩阵与节点分层策略的配电网重构所得解是否可行的判断方法。所述判断方法采用整数型环网编码方法对待重构配电网中的分段开关和联络开关进行编码，大幅度降低了配电网量子粒子群优化重构中粒子的维数，大大缩小了其搜索空间，提高了重构寻优的效率。进一步地，所述判断方法只需通过开关-环路矩阵即可判断配电网重构中的所得解是否为环路不可行解，当所得解为环路可行解时，直接利用节点分层矩阵及其对应的上层节点矩阵进行后续节点分层前推回代潮流计算，进而判断该所得解是否为孤岛不可行解，方便简单，节省程序运行时间。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法的流程图；

图2为实施例提及的IEEE33节点配电系统图；

图3为实施例提及的三馈线IEEE16节点原始网络图；

图4为实施例提及的三馈线IEEE16节点简化等效网络图；

图5为实施例提及的IEEE16节点简化等效网络的潮流流向图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法进一步说明。

实施例：下面结合图1至图5详细地说明本实施例。

本实施例所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法包括：

步骤1、采用整数型环网编码方法对待重构配电网中的X个分段开关和Y个联络开关进行编码，其具体过程为：

将分段开关和联络开关依次编号为1～X+Y，作为各自的开关号；

对由每个联络开关确定的环网内的分段开关和联络开关依次编号为1～该环网内的开关总数，作为各自的环网内开关编号；

步骤2、对于开关编码后的配电网，采用量子粒子群优化算法得到粒子解，并根据整数型环网编码方法将粒子解包含的环网内开关编号解码为开关号；

步骤3、对每个解码后的粒子解生成开关-环路矩阵，判断该矩阵中是否出现相同的两行元素，当判断结果为是时，判定该粒子解为环路不可行解，执行步骤5，否则，执行步骤4；

步骤4、根据节点分层算法，得到配电网拓扑结构的节点分层矩阵及其对应的上层节点矩阵，并判断上层节点矩阵的非首列元素是否出现0元素，当判断结果为时是，判定该粒子解为孤岛不可行解，执行步骤5，否则，判定该粒子解为可行解，执行步骤5；

步骤5、给出判定结论。

在步骤4中，根据配电网拓扑结构的支路参数矩阵BranchM＝[支路首节点支路尾节点支路阻抗参数]和节点参数矩阵NodeM＝[节点号节点有功负荷节点无功负荷]确定配电网拓扑结构的节点关联矩阵NodeN：

其中，N为配电网的网络拓扑结构的节点数，i和j为配电网的网络拓扑结构中的任意两个节点；

根据节点关联矩阵NodeN得到所述节点分层矩阵及其对应的上层节点矩阵。

本实施例所述的整数型环网编码方法：

现有配电网重构所采用的寻优方法大致可以分为启发式算法和人工智能算法两大类。其中，人工智能算法因能够实现快速多维度寻优而使得其寻优效果往往优于启发式算法。作为一种常用的配电网重构寻优方法，量子粒子群优化算法(QPSO)对经典的粒子群优化算法(PSO)进行了改进，其认为粒子具有量子的行为。在更新粒子位置时，其重点考虑各个粒子的当前局部最优位置信息和全局最优位置信息，在重构之前需要对粒子进行编码。

解决配电网重构问题的编码方式主要有二进制编码和整数型编码两种。在配电网中，开关只有闭合和断开两种状态。在二进制编码中，0表示开关断开，1表示开关闭合，粒子的维数等于配电网中开关的总数。这种编码方式原理清晰，简单方便，但是其没有充分利用配电网自身的结构特点，导致粒子维数较大，在搜索最优解的过程中，容易产生大量的不可行解，致使重构效率低下。

受配电网络辐射型的限制，配电网中开关的开合不是任意组合的。通过对配电网络拓扑结构进行分析观察可知：闭合一个联络开关，将构成一个小环，必须在此环中打开一个分段开关，才能使配电网保持辐射型。因此，一个联络开关决定一个环网，所有联络开关的开闭组合即构成了配电网的重构方案。

整数型环网编码的规则如下：首先将待重构配电网中的X个分段开关和Y个联络开关依次编号为1～X+Y，作为各自的开关号。然后对由每个联络开关确定的环网内的分段开关和联络开关依次编号为1～该环网内的开关总数，作为各自的环网内开关编号。其中，联络开关的个数代表粒子的维数，每个环网中断开开关的编号为粒子的每一维元素。图2为IEEE33节点配电系统图，本实施例以该配电系统图为例来详细说明整数型环网编码方法。在该系统图中，开关1～开关32均为分段开关，用实线表示，开关33～开关37均为联络开关，用虚线表示。由联络开关33确定的环网由7-6-5-4-3-2-20-19-18-33支路组成，定义为1号环网。对环网内支路由左至右从1开始编号为，1-2-3-4-5-6-7-8-9-10，联络开关是环网内最后编号的支路。IEEE33节点配电系统的整数型环网编码如表1所示：

表1 33节点系统的整数型环网编码

由于开关1不在任何一个环网内，因此开关1在配电网重构中不需要参与编码。对于IEEE33节点配电系统，当采用二进制编码方式时，粒子维数为32，对应的搜索空间大小为232＝4.295×109个，其中不可行解的比例高达98.54％，这将耗费大量计算资源，需花费大量时间得到最优的重构解。然而，本实施例采用的整数型环网编码可使粒子维数降至5，不可行解的比例相比二进制编码下降24.16％，大大提高了重构寻优效率。

本实施例所述的开关-环路矩阵：

对于简单的单环网，本实施例的整数型环网编码方式非常有效，可行解比例可达到100％。但是，对于两个环路间含有公共开关的复杂配电网，例如图2所示的IEEE33节点配电系统，该配电系统存在多重环网，环网①与环网③、④、⑤有共同支路，是三重环网；环网③与环网①、②、④、⑤有共同支路，是四重环网。对于这种复杂配电网，在重构中将会不可避免地产生大量不可行解。因此，对于含有多重环网的配电系统，单纯靠整数型环网编码不能达到100％消除不可行解。

为此，本实施例提出了开关-环路矩阵来快速判断重构所得解是否为环路不可行解：

定义开关-环路矩阵SL：

式中，N为闭合所有联络开关形成的环路数，行表示网络中所形成的环路，列表示粒子的每一维所表示的断开开关编号，矩阵元素为0表示开关不在环路中，为1表示开关在环路中。例如，a₂₃＝1表示粒子第3维表示的开关在2号环路中。

当开关-环路矩阵SL为对角阵时，则表示选择断开的开关均不为环路公共开关，即为简单的单环网情况，解个体必定为可行解。当开关-环路矩阵SL不为对角阵时，则选择断开的开关一定有环路公共开关，需要判定是否出现环网，若出现环网则是不可行解。若粒子个体对应的SL矩阵出现相同的2行，则表示单个开关被断开2次或者2个环路的公共开关被断开2次，此时会出现环路，可以判定此解为不可行解。

本实施例所述的节点分层算法：

若开关-环路矩阵SL中不存在相同的行，但是出现复杂公共开关断开情况，应用开关-环路矩阵SL判定不可行解的方法已经不适用。继而应用节点分层策略NS来快速判定复杂环网下的不可行解。

结合配电网的辐射状特点，应用节点分层算法描述配电网拓扑结构，配电网的原始参数采用以下的数据格式：

支路参数矩阵BranchM＝[支路首节点支路尾节点支路阻抗参数]

节点参数矩阵NodeM＝[节点号节点有功负荷节点无功负荷]

根据矩阵BranchM和NodeM就可以唯一描述任意配电网拓扑结构。由支路参数矩阵BranchM容易求得此配电网拓扑的节点关联矩阵NodeN(N维方阵)为：

其中N为网络节点数，i，j为网络两任意节点。

定义两个节点分层辅助矩阵，节点分层矩阵LayerN及其相应的上层节点矩阵UN。

LayerN大小根据网络具体分层确定。列数代表分层数，每列元素表示该层中含有的节点号。UN为1×N矩阵，其中每列元素表示以此元素的所在列数为节点号对应的上层节点号，若此列元素对应的节点无上层节点，或者形成孤岛，则UN矩阵中此列元素置0。

图3为实施例提及的三馈线IEEE16节点原始网络图，如图3所示，该网络中含有14个节点，13个分段开关，3个联络开关。在正常情况下，分段开关1～13均闭合，联络开关14～16均断开。为了说明节点分层原理，将所述三馈线IEEE16节点原始网络简化为等效网络，如图4所示。

根据配电网拓扑结构的支路参数矩阵BranchM和节点参数矩阵NodeM，得到节点关联矩阵NodeN，节点关联矩阵NodeN为对称矩阵，只需取其上三角矩阵NodeN’就能完全表征网络的拓扑关系，所以在下面的分析中根据NodeN’进行网络节点分层。

第一步：电源节点为1，则令电源节点为第一层，节点分层矩阵的第1列第1行为“1”，LayerN＝[1]，相应的UN＝[00000000000000]；

第二步：搜寻第二层节点。由于第一层中含1号节点，则从NodeN’矩阵的第1行中寻找1元素所在的列数，把相应节点号记入LayerN的第二列，得到

故第二层中含有节点2,3,4，对应的上层节点均为1。由于UN矩阵中除第1列元素，仍有0元素存在，则仍有大部分节点尚未找到上层节点，则应继续搜寻下一层节点。

第三步：搜寻第三层节点。取LayerN的第2列第1行元素“2”，找NodeN’中第2行中为“1”元素所在列为“5”和“6”，把“5”和“6”记入节点分层矩阵LayerN的第3列第1行与第2行。UN的第5列和第6列均记为2；再从NodeN’的第3列中找为“1”元素所在列“8”和“11”，把“8”和“11”顺次记入节点分层矩阵LayerN的第3列第3行与第4行，UN的第5列和第6列均记为3；按照以上方法搜寻得到第三层所有节点，得到

由于UN矩阵中除第1列元素，仍有0元素存在，则仍有7,9,10,14节点尚未找到上层节点，则应继续搜寻下一层节点。

第四步：再搜寻第四层节点。取LayerN第3列第1行元素“5”，找NodeN’中第5行中为“1”元素所在列为“7”，记入LayerN的第4列第1行。依次找NodeN’中第6行，发现无“1”元素，则说明6节点已为末梢节点，没有下一层节点，不改变NodeN’矩阵和UN矩阵。继续找NodeN’的第8列为1元素，将9,10节点记入LayerN的第4列第2行和第3行，相应的UN的第9列与第10列都为8。按照以上方法搜寻得到第四层所有节点，得到

UN矩阵中除第1列元素，其余元素均为非0元素，即所有的节点都找到了上层节点，网络分层到此结束。

则第四步得到最终的节点分层矩阵及其上层节点矩阵。

从LayerN可以清楚看出节点分层情况，并且从UN中也能很快地找到末梢节点以及每个节点所对应的上层节点。在断开联络开关14,15,16的情况下，图4所示的三馈线IEEE16节点简化等效网络可分为四层，第一层为电源节点，第四层为末梢节点7,9,10,14。以上形成的矩阵节点分层矩阵LayerN及对应的上层节点矩阵UN可用于后续的节点分层前推回代潮流计算，且随着节点分层的完成，网络的潮流方向也得到了确定，如附图4所示。

配电网优化重构或故障重构过程中，网络有多种开关开断组合，其拓扑结构也随之变化，所得到的节点分层矩阵LayerN和上层节点矩阵UN也会随着变化。如打开开关[91016]，其余开关全部闭合，根据以上节点分层方法，得到

则末梢节点变成7,10,9,11,14，且相应的网络潮流流向图也会发生变化。

采用节点分层方法能适应网络拓扑结构变化，快速识别变化后拓扑，不需复杂编号，适用于配电网重构相关研究。

本实施例所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法，就是基于这两个矩阵进行判定的。对网络进行节点分层，形成两个矩阵，若是可行解，则网络就是辐射型、无孤岛网络，除首节点外的所有节点都应该有其上层节点，即上层节点矩阵UN的除首列元素外的所有元素都应该是非零元素，否则便出现了某些节点无首节点(无上层供电节点)，出现了孤岛情况，即不可行解情况。据此，可以根据上层节点矩阵UN的元素特性进行复杂环网不可行解的判断。

本实施例所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法正确有效，而且具有通用性，对于指定网络，只要按照程序，按照步骤进行判定，则可以正确判定解的可行性。另外，若判定为可行解，可以直接利用得到的节点分层矩阵LayerN与对应的上层节点矩阵UN进行后续节点分层前推回代潮流计算，方便简单，能节省程序运行时间。

本实施例所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法具有如下优点：

1、该方法基于整数型环网编码方式，体现了配电网辐射状的特点。

2、能快速、高效地判定所有不可行解，使可行解比例达到100％。当只出现单环网不可行解时，可以只求取开关-环路矩阵即可判别解得可行性，不需进行节点分层，可以减少判定时间。

3、可嵌入到节点分层前推回代潮流算法中，在不可行解判定过程中形成的节点分层矩阵LayerN及其对应的上层节点矩阵UN可用于进行后续的潮流计算，减少程序运行时间，提高重构效率。

仿真实例：

以图2所示的IEEE33节点配电系统以实验对象，对本实施例所述的判断方法进行仿真：

该网络中含有5个联络开关，分别是33、34、35、36、37，图中用虚线表示，实线表示分段开关，数字表示开关号。

首先通过整数型环网编码方法对粒子进行编码，然后通过量子粒子群优化算法进行粒子初始化，形成一系列初始化粒子，对粒子进行不可行解判定，判定结果和判定时间如表2所示。程序在Intel Core i5-4590CPU 3.3GHz处理器RAM 8.00GB电脑上运行。

表2不同方案下的不可行解的判定结果和判定时间

对于方案1：

步骤一：整数型环网编码的粒子Swarm＝[6,6,9,21,6]；

步骤二：反编码，得到开关组合[2,9,3,36,26]；

步骤三：开关-环路矩阵SL

该矩阵任意两行均不相同，则网络不存在环路不可行解；

步骤四：为了进一步判断网络是否存在孤岛，则进行节点分层判断，得到

UN＝[0 1 0 5 6 7 8 21 8 11 12 22 12 15 9 15 16 17 2 19 20 21 0 0 0 60 0 0 0 0 0 0]

从LayerN中可以看出该网络分为11层，从UN中看出第3,23,24,25,27,28,29,30,31,32,33列元素均为0，可以判定该网络出现孤岛，该解为不可行解，3,23,24,25,27,28,29,30,31,32,33共计11个节点形成孤岛。所以从UN矩阵就可以简单地辨别出哪些节点是孤岛节点，方面准确。

步骤五：判断该解为孤岛不可行解。

其他判定方案步骤同理，不再赘述。

本实施例所述的判断方法的判定时间为毫秒级，能够达到配电网重构在线应用水平。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法，其特征在于，所述判断方法包括：

步骤1、采用整数型环网编码方法对待重构配电网中的X个分段开关和Y个联络开关进行编码，其具体过程为：

将分段开关和联络开关依次编号为1～X+Y，作为各自的开关号；

对由每个联络开关确定的环网内的分段开关和联络开关依次编号为1～该环网内的开关总数，作为各自的环网内开关编号；

步骤2、对于开关编码后的配电网，采用量子粒子群优化算法得到粒子解，并根据整数型环网编码方法将粒子解包含的环网内开关编号解码为开关号；

步骤3、对每个解码后的粒子解生成开关-环路矩阵，判断该矩阵中是否出现相同的两行元素，当判断结果为是时，判定该粒子解为环路不可行解，执行步骤5，否则，执行步骤4；

步骤4、根据节点分层算法，得到配电网拓扑结构的节点分层矩阵及其对应的上层节点矩阵，并判断上层节点矩阵的非首列元素是否出现0元素，当判断结果为时是，判定该粒子解为孤岛不可行解，执行步骤5，否则，判定该粒子解为可行解，执行步骤5；

步骤5、给出判定结论。

2.如权利要求1所述的复杂配电网的量子粒子群优化重构中所得解是否可行的判断方法，其特征在于，在步骤4中，根据配电网拓扑结构的支路参数矩阵BranchM＝[支路首节点支路尾节点支路阻抗参数]和节点参数矩阵NodeM＝[节点号节点有功负荷节点无功负荷]确定配电网拓扑结构的节点关联矩阵NodeN：

其中，N为配电网的网络拓扑结构的节点数，i和j为配电网的网络拓扑结构中的任意两个节点；

根据节点关联矩阵NodeN得到所述节点分层矩阵及其对应的上层节点矩阵。