2022年改进多目标蚁群算法在电网规划中应用.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 第 33 卷 第 18 期电网技术Vol. 33 No. 18 Oct. 20222022 年 10 月Power System Technology文章编号: 1000-3673(2022)18-0057-06中图分类号: TM715文献标志码: A学科代码: 4704051改进多目标蚁群算法在电网规划中的应用符杨 1,孟令合 2,胡荣 1,曹家麟 1(1上海电力学院 电力工程系,上海市 杨浦区 200090;2上海高校 机电工程与自动化学院,上海市 闸北区 200072)Application of Improved Multi-Objec
2、tive Ant Colony Algorithm in Power Network PlanningFU Yang1,MENG Ling-he2,HU Rong1,CAO Jia-lin1(1Department of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Yangpu District,Shanghai 200090,China;2School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,Zhabei District,Sha
3、nghai 200072,China)ABSTRACT: For the reason that both economy and reliability should be considered during power network planning, an improved multi-objective ant colony algorithm IMACA is proposed. In the proposed algorithm, the modified quick sort加匀称,同时收敛性和快速性也得到了提高;关键词:多目标蚁群算法;聚类分析;Pareto 最优;电网规划0
4、 引言method is adopted to construct Pareto optimal solution set, thus the slow-chain is shortened and the time complexity of thisalgorithm is mitigated; the clustering algorithm is adopted to modify non-dominated solution, thus the obtained solution can possess good diversity and distributivity in who
5、le Pareto solution space; the sociohormone is adopted to update variable parameter control, thus the global convergence is speeded up the sociohormone volatilization coefficient is used to dynamic adaptive regulation mechanism, thus the global search ability of the proposed algorithm is improved. Th
6、e calculation results of an 18-bus power network planning show that more Pareto optimal solutions can be obtained by the proposed algorithm than by basic multi-objective ant colony algorithm, and the Pareto frontier distribution is more uniform, meanwhile, the convergence and rapidity are improved.K
7、EY WORDS: multi-objective ant colony algorithm ;clustering analysis;Pareto optimal;power network planning电网规划是一个多目标的优化问题,传统的规 划方法主要侧重于经济性目标;2022 年南方雪灾和 汶川地震导致电力受灾严峻的缘由就是电网抗灾 才能不够,而要提高电网的抗灾才能,工程造价也 将相应增加;如何综合考虑经济性和牢靠性的关 系,进行多目标电网规划具有重要的现实意义;近年来,一些新兴的用于解决多目标优化问题 的智能优化方法逐步应用于电力系统中,如非支配遗传算法1、多目标进化算法2及多智
8、能体方法3等;这些方法取得了肯定的成效,但仍存在一些问 题,如收敛性较差和运算速度较慢等;相对于其它多目标智能算法,多目标蚁群算法 的讨论起步较晚;文献 4 提出一种多目标蚁群搜寻 算法用于优化配电系统战略规划,该算法采纳多种 群策略,种群数和目标数相同,引入遗传算法中的 共享机制来和谐各种群,算法复杂度较高,且对各 目标函数的和谐不是很完善;文献 5 提出一种用于 多目标资产挑选问题的 Pareto 蚁群算法,该算法引 入信息素向量的概念,每个信息素向量的元素数和摘要:针对电网规划需综合考虑经济性和牢靠性的问题,提目标数相同,在寻优的初始阶段随机取各目标的权6,系数,从而很好地和谐了各目标之
9、间的关系;出一种改进的多目标蚁群算法;该算法采纳改进的快速排序Pareto 蚁群算法简洁有用,算法流程类似于基方法构造 Pareto 最优解集,缩短了 “慢速链 ”,降低了算法但缺少优秀的 Pareto 最优解集构造方本蚁群算法的时间复杂度;采纳聚类算法裁剪非支配解,使所得解在整法,没有考虑解的多样性和分布性,与基本蚁群算个 Pareto 解空间具有良好的多样性和分布性;采纳信息素法一样存在收敛速度慢和易陷入局优的问题;本文更新变参数掌握,加快算法的全局收敛速度;采纳挥发系数将针对基本多目标蚁群算法的上述缺陷加以改进,动态自适应调剂机制,提高算法全局搜寻才能;通过 18 节点电网规划算例证明,
10、提出的改进算法与基本多目标蚁群算法相比,所得的 Pareto 最优解数量更多, Pareto 前沿分布更名师归纳总结 基金工程:上海市重点攻关方案工程071605123 ;上海市教委科第 1 页,共 6 页研创新工程 08ZZ92 ;上海市教委重点学科建设资助工程J51301 ;- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 58符杨等:改进多目标蚁群算法在电网规划中的应用Vol. 33 No. 18用于实现综合考虑电网投资和运行成本及缺电缺失 经济性目标赋一大值;成本的电网规划,并对算法的有效性进行验证;1.3 多目标优化问题的解1 电网规划问题的数学描述 目标函
11、数 传统电网规划问题的数学模型主要考虑经济 性目标,其目标函数一般为 7多目标优化问题需要同时优化多个目标函数,这些目标往往是相互冲突的,很难存在一个最优解 使得全部目标同时达到最优,而是存在一组非支配 解,称为 Pareto 最优解集 11;电网规划问题的经济min f 1 = k c x +k rP1性目标和牢靠性目标是冲突的,这也就意味着多目标电网规划问题的解同样是一组 Pareto 最优解;式中:第一部分为设备投资成本,k1 为资金回收系数,k1=r1+rn/r1+rn- 1,cj 为支路 j 中扩展 1 回新建线路的投资费用,xj 为支路 j 中新建线路回数,.1 为待选新建线路集合
12、;其次部分为网损费用,k2为年网损费用系数, k2=Cost /u 2,Cost 为网损电价,为最大负荷损耗时间,u 为系统额定电压; rj 为支路 j 的电阻, Pj 为正常情形下支路 j 输送的有功功率,. 为网络中已有线路和新建线路的集合;电网规划的牢靠性目标通常转化为经济形式,以缺电成本为代表的牢靠性目标函数为 8-10传统的单目标优化方法得到的解只是 Pareto 最优解集中的一个非支配解,甚至无法保证所得解是全局非支配解,这样多目标规划就需要一种新的多目标智能优化方法来求得 Pareto 最优解集;2 基于改进多目标蚁群算法的电网规划 Pareto 蚁群算法Pareto 蚁群算法本
13、质上是一种多目标单种群蚁群算法,与单目标蚁群算法最大的不同就是各条路径上对应经济性目标和牢靠性目标分别有一个信L min f 2 = PTl I IEAR EEENSllS i =12息素,用信息素向量 i1 、 i2 表示;在每只蚂蚁构造解的开头阶段随机确定经济性目标的权重 p1,0pk1,牢靠性目标的权重 p2=1-p1;式中: S LD 为系统的负荷水平集合;Pl 、Tl 为第 l 种Pareto 蚁群算法的核心思想是用信息素加权和负荷水平的概率和负荷连续时间; Ln 为负荷节点3p1 i1 + p2 i2 代替单目标蚁群算法中的单一信息素向数; I IEAR 为节点 i 的缺电缺失评判
14、率; EEENS为第量 i ;p1 的随机性使信息素向量 i1 、 i2 在寻优过l 种负荷水平下节点 i 的电量不足期望值;程中概率相同,确保了二者所代表的经济性目标和EEENS= Lq ,l Pqs 1 - Pqt qF shtH牢靠性目标位置相同;寻优过程中,针对各个目标式中: F 为系统故障大事集合;H、h 分别为发生故障 q 时正常设备和故障设备集合;Pqs、Pqt 为故障 q状态下设备 s、t 的故障停运率; Lq,l 为发生故障 q时系统的切负荷量;1.2 约束条件分别进行信息素局部更新和全局更新,使蚂蚁朝着 经济性和牢靠性目标各自的最优方向优化,每一次 迭代得到的非支配解储存到
15、 Pareto 最优解集中,从 而使算法尽可能达到二者同时最优;0 x j x j max , x j N, j .142.2用改进的快速排序方法构造Pareto 最优解集多目标蚁群算法是通过构造优化问题的非支Vi min Vi Vi max , i N5配集并使非支配集不断靠近真正的 Pareto 最优边界来实现的;算法的收敛过程,就是通过在每一次迭Pj P j6代时构造当前蚁群的非支配集,并通过最优个体保PjP j 7留机制 构造并保留当前非支配解,使非支配集一步一步地靠近真正的 Pareto 最优边界;算法的每一式中: xjmax 为架线回数最大值; N 为非负整数集;次迭代都要构造一次
16、非支配集,因而构造非支配集Vi 为节点电压; Pj 、 Pj 为正常运行和 N-1 校验时支路 j 潮流相量; Pj 为支路 j 潮流容量限值相量;式67是网络运行的约束条件,包括正常运行 时和 N-1 校验时不过负荷;为防止算法在初始阶段 陷入瘫痪,本文采纳罚函数的方法处理潮流约束,即在违反正常运行和 N-1 校验潮流约束时分别为的效率将直接影响算法的运行效率;传统方法时间复杂度较高,且简洁显现“慢速链 ”现象,改进的快速排序方法 12 可以有效提高效率并削减“慢速链” 带来的问题;Pareto 最优解集中的解之间是相互不被支配名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精
17、选学习资料 - - - - - - - - - 第 33 卷 第 18 期电网技术59的,这个关系称为不相关,快速排序方法引入了一 个新的关系:假如解 x y 或者 x 和 y 是不相关的,就称 x dy ;改进快速排序的思路是将非支配解集从原始解集中分类出来;每次先选第一个解 x 作为 比较对象,依据关系 d ” “与其它解进行比较判定,以第一个支配 x 或者和 x 不相关的解 y 作为其次个提高算法的全局收敛速度,参考单目标蚁群算法的 一些改进思路15-16,结合电网规划问题的实际特点,本文对 Pareto 蚁群算法的参数设置做了一些改进;2.4.2 信息素更新变参数掌握 在电网规划中,每
18、当一只蚂蚁完成一次搜寻 时,按式 9进行信息素强度的局部更新:比较对象,经一轮排序后,比 x 和 y “小”的解全 k i, j = 1 - 0 . k i, j + 0 . . k i, j 9部排除掉,假如 x 和 y 不被全部这些解所支配,就式中: 0 为常数, 001; . 1 i, j = l 1/f 1 m ,并入 Pareto 最优解集,否就一起排除掉;如此进行下一轮排序,直至原始解集为空集;2.3 用聚类分析保持 Pareto 最优解集的分布性多目标蚁群算法本质上是一种仿生学方法,与大自然需要生态平稳一样,也需要制定合适的生存规章来保护种群的多样性和分布性,而文献 13 提出的
19、 Pareto 最优解集的量化评判标准之一就是分散. 2 i, j = l2 /f 2 m ,1、2 为常数, f1 m 、 f 2 m 分ll 别为第 m 只蚂蚁挑选的规划方案按式 12所得的 目标函数值;全部蚂蚁均完成一次检索时,对于当前最优方 案上的线路,按式 10进行全局信息素更新;对其 它线路,按式 11进行全局信息素更新;性;保持解分布性的方法许多,如小生境技术、信息 k i, j = 1 - 1 . k i, j + 1 . . k i, j 10熵、网格以及聚类分析等;依据多目标电网规划解的 特点,本文采纳基于层次凝结距离的聚类算法 14 实 现 Pareto 前沿的匀称分布;
20、凝结的层次聚类方法是一种依据自底向上的 策略来聚类个体的方法,初始时把 N 个解分别当作 k i, j = 1 - 1 . k i, j 11式中: 1 为常数, 011; . 1 i, j = g1 / min f1 ,. 2 i, j = g 2 / min f 2 ,g1、g2 为常数, min f1 、min f 2 分别为当前 Pareto 前沿中目标函数 f1、f2一个子类,然后通过运算解之间的相像度,逐步将 的最小值;Pareto 蚁群算法采纳固定的参数掌握蚂蚁信息具有最大相像度的个体集合到同一类中,直至满意8素的局部更新和全局更新,但由于这些参数打算着12终止条件;算法的实现过
21、程为:信息素浓度增长的速度,l 和 g 的值过大,信息素1)初始化聚类 C,使 C 中每个子集包含非支浓度会增长过快,算法简洁陷入局部非支配解;l配集 S 的一个解: C = i i , i S ;和 g 的值过小,信息素浓度会增长过慢,算法可能2)运算任意 2 个聚类之间解的平均距离:难以收敛;设置抱负的参数值是很有必要的,较为d c1 , c2 = 1 m1m2xc, yc| x - y | , c1 、 c2 C合理的方法是分阶段设置不同的数值;在算法初期,参数值设置小一些,使蚂蚁的搜寻空间扩大;式中: m1、m2 为聚类 c1、c2 的大小, |x-y|表示解 x算法后期,参数值设置大
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- 2022 改进 多目标 算法 电网 规划 应用
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