基于開源軟件的配網重構遺傳算法程序開發研究

楊建偉

（廣東電網公司佛山供電局，廣東 佛山 528200）

0 引言

配網重構一直是電力系統分析研究領域的熱門話題。一般來說，配網重構指的是在保證配電網絡樹狀結構及相關運行條件等前提下，通過改變分段開關、聯絡開關的位置來改變配電網絡的拓撲結構，以實現對某預定目標的最優化[1]。最典型的配網重構問題的優化目標常為正常運行的配電網絡所消耗網損最小，隨著智能電網理念逐漸深入人心，人們越來越關注不同目標的配網重構策略，如改善供電質量、提高配網運行可靠性等。

由于配電網絡中聯絡開關和分段開關的數目巨大，導致配網重構優化問題的可行解域巨大。同時，開關的動作是典型的離散行為，很難用解析表達式來進行描述。因此，常見的配網重構算法多為所謂啟發式優化算法，如模擬退火算法[2]、粒子群優化算法[3]、蟻群算法[4]以及遺傳算法[5]等。

事實上，相對成熟的啟發式優化算法的實施框架已基本固定不變，通常針對不同的優化問題僅需設計和計算相應的目標函數即可，可以充分利用互聯網上的現有資源，沒有必要重復編寫所有程序代碼。具體到電力系統的優化問題（如配網重構）來說，所涉及的基本計算任務（如本文中的配網潮流計算）也可交由通用的電力系統分析程序來完成。程序開發者僅需對已有的程序資源進行整合，并針對具體的問題做少量的修改和開發工作即可。

本文仍以對配網運行的網損進行優化為例，介紹了如何利用互聯網上已有的開放源代碼程序庫設計和開發配網重構的遺傳算法程序。本文首先探討了配網重構程序的通用框架，隨后介紹了可供使用的相關開源軟件，同時對不同開源軟件的整合加以描述。最后以IEEE70節點算例系統的配網重構為例驗證了本文所開發軟件的有效性。

1 配網重構程序數學模型

1.1 配網重構問題描述

本文重在介紹利用開源軟件進行配網重構遺傳算法開發的策略，具有一定的通用性，因此仍以最典型的配網運行所消耗網損最小作為優化目標，其他優化目標僅需對本文所提框架中的目標函數部分進行修改。網損最小的數學描述為：

其中nb為配電網中所有支路數，ri為第i條支路的電阻，Ii為流過第i條支路的電流，ki為表征第i條支路運行狀態的布爾量，0表示退出運行，1表示投入運行。

本文優化的目標即為尋找某種特殊的支路運行狀態組合，使得由該組合決定的配網拓撲運行條件下所消耗的網損最小。

1.2 相關遺傳算法編碼策略

在典型的遺傳算法實施過程中，最核心的問題包括適應度函數計算、染色體基因編碼、譯碼、遺傳、突變、自然選擇、雜交等，其中遺傳、突變、自然選擇、雜交等操作具有相對的通用性，而適應度函數計算、編譯碼等操作則因不同的優化問題而異。本文的適應度函數計算即為前述配網的網損計算，此處主要介紹相關的編碼策略。

由于配電網絡在運行時常需保持樹狀結構，故應對遺傳算法中所產生的不同個體進行校驗。事實上，由圖論的理論可知，對于一個連通的圖，若支路數恰比節點數少一個，則此圖必為樹狀結構。因此，判斷樹狀網絡的條件常為兩個：

（1）判斷圖的連通性；

（2）判斷節點與支路的個數關系是否符合。通常配電網絡中回路的形成常為存在聯絡開關支路連接不同饋線所致，如圖1所示[6]。

為保證圖的連通性，同時圖中不能出現環網，在對聯絡開關進行操作時，必須同時考慮與之相鄰的分段開關的狀態。例如，圖1中的虛線框部分形成一個三開關組，如圖2（a）所示。若圖1中聯絡開關閉合，則其左端或右端分段開關之一必須斷開，而另一分段開關必須閉合；若聯絡開關斷開，則其左端及右端分段開關均須閉合。換言之，若網絡中存在l個回路，則應對應有相同數目的三開關組參與動作，其中任一時刻每一三開關組必須有且只有一個開關斷開，則可保證圖的連通性及樹狀結構。

圖1 聯絡開關示意圖

對圖2（a）所示的三開關組需進行三狀態編碼，即染色體基因的取值不是通常的布爾值（0/1或true/false），而應是有三種可能值。在本例中可規定基因值0對應聯絡開關斷開，基因值1對應左分段開關斷開，基因值2對應右分段開關斷開，如圖2（b）～（d）所示。

圖2 某聯絡開關對應的三開關組及相應狀態

按照這樣的編碼策略，最終形成的染色體長度應為聯絡開關的個數，而染色體中的基因將在0-1-2三值中取值。

2 相關開源軟件及其應用

基于前述數學模型的分析，本文開發了相應的程序。在程序開發的時候試圖使開發的工作量最小化，因此充分利用了互聯網上已有的開源軟件資源，主要為InterPSS和Jenetics，簡述如下。

2.1 InterPSS[7]

InterPSS是一個基于互聯網的、源代碼公開的電力系統仿真軟件，它主要基于現代的網絡和計算機技術，例如Java，Xml、Eclipse平臺和其他的一些開源軟件系統，例如Spring Framework、JGraph和Apache Commons等，旨在為電力系統的設計、運行分析和仿真提供一個新的開源仿真軟件平臺。

InterPSS是一種柔性的、可擴展的、易于維護的軟件系統，其最大特點是具有源代碼公開、組成松散的結構，用戶可以根據各自的需求，通過插件（plug－in）的形式增加相應的模塊功能或替換相應的模塊來實現。目前，InterPSS已經實現了交流、直流潮流計算、短路計算和暫態穩定計算的仿真功能，并且用戶可以輕易地在此基礎上將其功能拓展到協調保護、諧波分析、電力市場、可靠性分析等等領域。

本文中的配網潮流計算即是直接調用InterPSS提供的API函數來完成，其計算結果也可直接通過API來讀取并用來進行全網的網損計算。事實上，本文所需的網損計算功能是通過面向對象編程的技術繼承InterPSS的潮流計算類來生成自己的自定義類，在自定義類的擴展功能中實現的，如圖3所示。

圖3 有功網損計算類與InterPSS潮流計算類的繼承關系

2.2 Jenetics[8]

Jenetics是用JAVA編寫的通用遺傳算法程序庫。與InterPSS相同，Jenetics也可以直接從Inter?net上免費下載并不受限制使用。Jenetics中遺傳算法的執行是基于一個相當完備的底層數據模型，如圖4所示。

圖4 Jenetics的底層數據模型

Jenetics已對2.2節所提到的遺傳算法所有通用操作進行了封裝，程序開發者可以不必關注其細節，僅需繼承圖4所示的FitnessFunction接口實現自己的特定適應度函數計算類，即可執行遺傳算法。

例如，本文中即可將Jenetics遺傳算法執行過程中生成的染色體三狀態編碼進行譯碼，以得到當前研究的配網中所有聯絡開關的開斷狀態，進而形成InterPSS電網對象，調用圖3所示的有功網損計算類計算出當前的網損值，即為所需的適應度函數值。

2.3 各種開源軟件的整合

圖5示出了為實現配網重構計算而對本文涉及的各種開源軟件進行整合的邏輯關系圖。

3 算例分析

基于圖5所示的程序邏輯關系圖和JAVA語言編寫了相應的配網重構遺傳算法程序，利用IEEE70節點算例系統進行驗證，相應配網拓撲結構見圖6，圖中節點1為電源點，實線為常規支路，虛線為聯絡開關支路。

假設配網重構優化前所有聯絡開關支路斷開，則此時配網運行結構如圖7所示，相應有功網損為21.83kW。

經過本文所開發程序的優化計算，得到最終優化解的染色體編碼為[01202]，對應圖8所示的配網運行結構，此時的有功網損為13.57 kW，下降了38%。

完成前述優化計算在某單核CPU的PC機上共需368.05秒，已初步滿足在線應用的要求。事實上，由于遺傳算法具有內稟的并行性，即任一個體的適應度函數計算完全不依賴于其他任何個體的計算結果，若能利用最新版本的JAVA7中所推出的全新并行計算機制——Fork/Join機制，可輕易在多核多線程CPU上自動實

現近似線性的并行加速。例如，若在當前主流CPU——酷睿i5系列上執行這種遺傳算法計算，由于該CPU為雙核雙線程，則可望在100秒之內完成遺傳算法計算，完全符合配網重構在線應用的要求，具有很好的應用前景。

圖5 程序邏輯關系圖

4 結論

目前我國電力工業界和學術界都在大力研發智能電網的相關技術，其中配網重構優化技術不需新增一次設備，可充分利用現有的軟硬件條件，具有獨特的經濟和技術優勢。

配網重構優化技術的核心是優化算法的實現。配網重構是對配網的拓撲結構進行操作和選擇，是典型的離散問題。同時，配網重構優化問題的可行解域隨聯絡開關數目的增加呈指數性增長。這些特征決定了配網重構優化非常適用典型的啟發式優化算法，本文采用的是經典的遺傳算法。

本文配網重構優化算法涉及配網潮流計算和遺傳算法的各種計算，二者均有成熟的JAVA開源程序庫可資利用，即用于電力系統仿真的In?terPSS和用于遺傳算法的Jenetics。通過對這兩種開源程序庫進行合理整合，可設計出完備的配網重構優化程序。若能對執行優化程序的硬件做合理升級，并充分利用最新JAVA版本的并行計算機制，還可進一步大大加速遺傳算法計算的時間，甚至達到在線應用的要求。

圖6 IEEE70節點算例系統

圖7 初始配網結構

圖8 優化后的配網結構

事實上，本文所提出的利用開源程序庫執行遺傳算法優化的技術具有一定的通用性，因此不僅適用于配網重構優化，而是具有更廣闊的應用前景。直接利用開源程序庫可大大降低軟件開發的風險和成本，顯著縮短開發周期，同時可使開發者把精力集中在所關心的優化問題本身，值得推廣和借鑒。

［1］歐陽帆.網格計算環境下配電網網絡重構算法的研究［D］.上海：上海交通大學，2008.

［2］胡敏，陳元.配電系統最優網絡重構的模擬退火算法［J］.電力系統自動化，1994，18（2）：24-28.

［3］許立雄，呂林，劉俊勇.基于改進粒子群優化算法的配電網絡重構［J］.電力系統自動化，2006，30（7）：27-30.

［4］黃健，張堯.蟻群算法在配電網重構的應用［J］.電力系統及其自動 化 學 報 ， 2007， 19 （4）：59-64.

［5］Mendoza J.， Lopez R.， Morales D.，etc.，Minimal loss reconfigura?tion using genetic algorithms with re?stricted population and addressed op?erations:real application ［J］.Pow?er Systems，IEEE Transactions on，2006，21（2）：948-954.

［6］李海鋒.配電網網絡重構算法的研究［D］.廣州：華南理工大學，2000.

［7］Michael Zhou， Shizhao Zhou.Internet， Open-source and Power System Simulation［A］.IEEE PES General Meeting［C］.Tampa Florida USA：2007，June.

［8］Franz Wilhelmst?tter.Jenetics-Java Genetic Algorithm［EB/OL］.http://jenetics.sourceforge.net/.