基于改進社會認知算法的電力系統(tǒng)多目標無功優(yōu)化

白 云，徐剛剛，宋 陽

(1.河南省電力公司洛陽供電公司，河南洛陽 471029;2.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林 132012;3.吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林長春 130021)

基于改進社會認知算法的電力系統(tǒng)多目標無功優(yōu)化

白 云1，徐剛剛2，宋 陽3

(1.河南省電力公司洛陽供電公司，河南洛陽 471029;2.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林 132012;3.吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林長春 130021)

針對電力系統(tǒng)無功優(yōu)化傳統(tǒng)算法的局限性，結合當前智能算法的特點，提出采用模擬農(nóng)夫捕魚算法改進社會認知算法(ISCO)，將其運用到電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中，并在構建無功優(yōu)化的數(shù)學模型時，充分考慮如何降低網(wǎng)損和綜合考慮減少電壓偏差及提高系統(tǒng)運行的電壓穩(wěn)定裕度。經(jīng)對標準IEEE14和IEEE30節(jié)點系統(tǒng)進行仿真計算，結果表明該算法具有很好的全局尋優(yōu)能力和較快的收斂速度，能有效提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和安全性。

社會認知算法;收縮搜索;多目標無功優(yōu)化

0 引言

電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化是指在網(wǎng)絡結構參數(shù)及負荷給定的情況下，在滿足各種約束條件的前提下，通過調節(jié)控制變量(發(fā)電機的端電壓、有載調壓變壓器變比、無功補償裝置的檔位)充分利用電力系統(tǒng)的無功電源，改善電壓質量，減小網(wǎng)絡損耗。傳統(tǒng)的無功優(yōu)化算法有:線性規(guī)劃法(LP)、非線性規(guī)劃法(NLP)、動態(tài)規(guī)劃法(DP)等，但是傳統(tǒng)的算法具有很大的局限性，對離散變量的處理也有些不當，所以近年來出現(xiàn)了很多智能算法，如模擬退火算法(SA)［1］、免疫算法(IA)［2］、混沌優(yōu)化理論［3］、遺傳算法(GA)［4］、粒子群優(yōu)化算法(PSO)［5］等。

社會認知優(yōu)化算法(SCO)是基于社會認知理論而發(fā)展起來的一種智能算法，它于2002年由清華大學的謝曉峰［6］首次提出，目前廣泛應用于計算機和數(shù)學領域。社會認知理論把人的行為定義為個人自身的因素、個人的行為和環(huán)境的相互混合作用的結果［7］，非常重視認知和環(huán)境的作用，強調社會學習的重要性。社會認知優(yōu)化算法通過競爭選擇和領域搜索來模擬社會認知理論中的社會學習能力，用代理來表示社會中的人，用知識庫來表示社會中的知識，通過代理和知識庫之間的相互作用和交互來模擬人類的社會學習過程，從而實現(xiàn)優(yōu)化學習的目的。

本文用模擬農(nóng)夫捕魚算法［8］(SFOA)中的收縮搜索對SCO算法進行改進，提出了改進社會認知算法(ISCO)，并把它用于多目標無功優(yōu)化，取得了比較好的效果。

1 多目標無功優(yōu)化的數(shù)學模型

1.1 目標函數(shù)

多目標無功優(yōu)化數(shù)學模型構建時，應考慮降低網(wǎng)損和綜合考慮減少電壓偏移及提高系統(tǒng)運行的電壓穩(wěn)定裕度。針對多目標無功優(yōu)化問題，為避免直接加權導致結果欠妥，本文采用一種在個人偏好約束條件下的權值分配方法，對各個子目標進行權值分配。

系統(tǒng)網(wǎng)損最小值為

式中:Ui、Uj為節(jié)點 i和節(jié)點 j的電壓幅值;Gk(i，j)為支路k的電導;θi為節(jié)點i與節(jié)點j之間的電壓相角差;NK為支路集合。

電壓平均偏移最小值為

式中:N為電網(wǎng)總的節(jié)點數(shù);Ui為節(jié)點的實際電壓;為節(jié)點的額定電壓。

當電力系統(tǒng)運行方式由正常工作點向穩(wěn)定極限過渡時，雅克比矩陣J向奇異的方向變化，當系統(tǒng)電壓達到靜態(tài)穩(wěn)定極限時，J奇異。因此，可以用雅克比矩陣的最小奇異值來作為靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標。本文將雅克比矩陣的最小奇異值的最大化作為系統(tǒng)無功優(yōu)化的目標之一，即

式中:Jacobi為雅克比矩陣;δsvd(Jacobi)表示雅克比矩陣的所有奇異值。

由于目標函數(shù)適應值是求最小值，將式(3)求導，即

1.2 約束條件

等式約束條件為

不等式約束條件如下:

控制變量約束有

1.3 目標函數(shù)的轉換

假設變量規(guī)模為n，待優(yōu)化問題包含k個性能指標，則每次搜索結束后的性能指標矩陣A為

式中fij為第個體i的第j個指標。采用式(8)方法對各性能指標歸一化處理以消除量綱的影響，即

經(jīng)處理后，綜合適應值可以表示為

不同的權值分配會對綜合適應值向量B產(chǎn)生影響，按照統(tǒng)計學原理，向量各元素之間的差異可以用向量方差來區(qū)別，向量B方差計算公式為

其中H=A'TA'，根據(jù)矩陣論知識可知，要求式(10)的最大值，只要求矩陣H最大特征值對應的特征向量即可。

為了使目標權值的分配能滿足個人偏好要求，就必須解決如下約束優(yōu)化問題，即

式中P為個人偏好矩陣。根據(jù)個人偏好可以對矩陣P任意設置，假設ω1＞ω2＞ω3＞0，則偏好矩陣為

由式(11)可以求出個人偏好的權值分配，則多目標轉化為單目標的函數(shù)可表示為

在不等式約束中，狀態(tài)變量不等式約束以懲罰項形式處理，最終多目標的綜合優(yōu)化目標函數(shù)可表示為

2 社會認知算法

2.1 社會認知算法的基本概念

庫:庫是包含有一系列知識點的表，這個表是有大小的。

學習代理:學習代理是一個行為個體，支配庫中的一個知識點。

2.2 社會認知算法的實現(xiàn)過程

假設庫中知識點的個數(shù)是Npop，學習代理的數(shù)量是Nc，一般選擇Npop=3Nc。具體算法步驟如下:

Step 1:初始化過程。

1)在庫中隨機生成所有的Npop個知識點(包括生成每個知識點的位置→—x和其水平)。

2)給每個學習代理隨機分配庫中的一個知識點，但不能把知識點重復分配。

Step 2:替代學習過程。

對每個學習代理:

1)模仿學習。從庫中選擇兩個或者多個知識點(一般選擇兩個就可以了)，這些選出的知識點不能和學習代理自身的知識點重復，基于競爭選擇的原則在這幾個知識點之間選出一個好的知識點。

2)觀察學習。比較選擇出來的知識點和代理自身的知識點的水平，選擇一個水平較好的那個點作為中心點，用較差的那個點作為參考點，學習代理基于領域搜索的原則，按照式(16)生成一個新的知識點，并將新的知識點儲存在庫中。

Step 3:庫更新過程。從庫中移去Nc個具有最差水平的知識點。

Step 4:重復Step 2到Step 3的步驟，直到滿足迭代停止條件(例如達到預先設定的迭代次數(shù)或者結果達到預先設定的精度)。

2.3 社會認知算法的行動規(guī)則

社會認知優(yōu)化的基本實體是代理，每個代理都包含一個自身的記憶MD和行動規(guī)則RA，代理在學習循環(huán)中工作，假設T是最大學習循環(huán)，那在第t個學習循環(huán)中，MD保存了最近產(chǎn)生的知識點x→—t，那么行動規(guī)則RA包括:

3 改進社會認知算法

3.1 收縮搜索

3.2 改進社會認知算法的流程圖

用收縮搜索去改進社會認知算法，從而提出了改進社會認知算法(ISCO)，其流程圖如圖1所示。

圖1 改進社會認知算法的流程圖

4 算例分析

算法程序應用MATLAB7.1編制，參數(shù)設置如下:庫中知識點個數(shù)Npop=210，學習代理的數(shù)量Nc=70，最大迭代次數(shù)max iter=200。本節(jié)所有數(shù)據(jù)均為標幺值(p.u.)，基準功率為100 MVA。

IEEE－14節(jié)點系統(tǒng)有5臺發(fā)電機(節(jié)點1為平衡節(jié)點，節(jié)點2、3、6、8 為 PV 節(jié)點)，22 條支路(包含3條變壓器支路)，11個負荷節(jié)點，IEEE－14節(jié)點系統(tǒng)初始網(wǎng)損為Ploss=0.148。

IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)有6臺發(fā)電機(節(jié)點1為平衡節(jié)點，節(jié)點2、5、8、11、13 為 PV 節(jié)點)，41 條支路(其中4條為變壓器支路)，21個負荷節(jié)點。IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)的初始網(wǎng)損為Ploss=0.057 2，初始的電壓平均偏離為Uav=0.247，靜態(tài)電壓安全穩(wěn)定欲度為δ=62.058 8。

在相同條件下分別在IEEE－14和IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)運行標準粒子群算法(PSO)、社會認知優(yōu)化算法(SCO)和改進社會認知優(yōu)化算法(ISCO)，目標函數(shù)適應值的優(yōu)化曲線如圖2和圖3所示，電壓曲線比較圖如圖4和圖5所示。

分別對PSO，SCO和ISCO算法在IEEE－14和IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)中運行10次，目標函數(shù)的適應值F、網(wǎng)損Ploss、電壓平均偏移Uav、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度δ的平均值如表1、表2所示。

表1 IEEE－14節(jié)點系統(tǒng)計算結果統(tǒng)計

表2 IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)計算結果統(tǒng)計

由圖5—圖8、表1、表2可以看出，IEEE－14和IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)用改進社會認知算法進行優(yōu)化后，系統(tǒng)網(wǎng)損和電壓平均偏移都比PSO和SCO算法有了明顯減小，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度則有了提高，電壓曲線更趨合理，沒有電壓越限。

3種算法取得最優(yōu)結果時的控制變量如表3和表4所示，其中括號中的數(shù)字的絕對值為有載調壓變壓器和無功補償裝置動作次數(shù)。

表3 IEEE－14節(jié)點系統(tǒng)最優(yōu)優(yōu)化結果時的控制變量

表4 IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)最優(yōu)優(yōu)化結果時的控制變量

從表3和表4可以看出，無論是在IEEE－14還是在IEEE－30節(jié)點系統(tǒng)中，相對于粒子群算法和社會認知優(yōu)化算法，改進社會認知算法得到最優(yōu)優(yōu)化結果時，有載調壓變壓器和無功補償裝置動作次數(shù)最少，可以增加設備壽命，提高經(jīng)濟效益。

5 結論

1)以系統(tǒng)網(wǎng)損、電壓平均偏移和靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度3個指標作為無功優(yōu)化的目標函數(shù)，可以提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和安全性，滿足實際工程的需求。

2)提出了改進社會認知算法(ISCO)，并把它運用到了無功優(yōu)化問題中，IEEE－14和IEEE－30節(jié)電系統(tǒng)的仿真結果表明了該算法的可行性和有效性。

［1］賈德香，唐國慶，韓凈.基于改進模擬退火算法的電網(wǎng)無功優(yōu)化［J］.繼電器，2004，32(4):32 －35.

［2］王秀云，鄒磊，張迎新，等.基于改進免疫遺傳算法的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(1):1 －5.

［3］趙濤，熊信銀，吳耀武.基于混沌優(yōu)化算法的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化［J］.繼電器，2003，31(3):20 －25.

［4］周曉娟，蔣煒華，馬麗麗.基于改進遺傳算法的電力系統(tǒng)無功優(yōu)［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(7):37 －41.

［5］丁玉鳳，文勁宇.基于改進PSO算法的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化研究［J］.繼電器，2005，33(6):20 －24.

［6］Xie X F，Zhang W J，Yang Z L.Social cognitive optimization for nonlinear programming problems［C］//Int.Conf.on Machine Learning and Cybernetics.Beijing，2002:779 －783.

［7］Bandura A.Social Foundations of Thought and Action:A Social Cognitive Theory［M］.Prentice － Hall，NJ，1986.

［8］陳建榮.群智能優(yōu)化算法研究及其應用［D］.南寧:廣西民族學院，2009:4－8.

Multi－objective reactive power optimization based on modified society cognitive optimization for electric power system

BAI Yun1，XU Ganggang2，SONG Yang3
(1.Luoyang Power Supply Company of Henan Electric Power Corporation，Luoyang 471029，China;2.Electrical Engineering School of Northeast Dianli University，Jilin 132012，China;3.Changchun Power Supply Company of Jilin Electric Power Corporation，Changchun 130021，China)

According to the limitation of traditional reactive power optimization for electric power system and the characteristics of intelligent algorithm，this paper simulates fisher fishing for improving society cognitive optimization，which is applied in reactive power optimization for electric power system.The paper also takes how to reduce network loss and voltage deviation and enhance voltage stability margin into consideration when establishing mathematical model of reactive power optimization.The result of simulation of standard IEEE14 and IEEE30 node system proves that this algorithm enjoys high speed of global optimization and convergence and enhances the economy and security of system running.

society cognitive optimization;contracting search;multi－objective reactive power optimization

TM713

A

1002－1663(2012)02－0120－05

2011－08－30

白 云(1963－)，男，1986年畢業(yè)于鄭州工學院電力系統(tǒng)及自動化專業(yè)，高級工程師，研究方向為電力安全運行。

(責任編輯 侯世春)