（计算机应用技术专业论文）鱼群算法在配电网规划中的应用研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 人工鱼群算法具有良好的克服局部极值、取得全局极值的能力，比较容易找到 满意解的域，但是该算法很难得到精确的最优解，而且算法在收敛性、计算复杂度 等方面还有很大的缺陷。本文系统地论述了人工鱼群算法的基本理论，并针对人工 鱼群算法的不足，提出了改进策略。 论文重点研究了适合配电网网架优化规划和配电网开关优化规划的人工鱼群 算法的改进方案和策略，并且给出了改进人工鱼群算法在配电网网架优化规划和开 关优化规划应用的实现过程，使用v i s u a lc # 开发平台完成了配电网优化规划程序 的编制，对算例进行了计算，计算结果表明改进后的人工鱼群算法在计算效率、解 的精度及算法收敛性等方面均优于基本人工鱼群算法。 通过研究表明改进的人工鱼群算法在配电网优化规划中的应用是有效的、可行 的。 关键词：配电网优化规划，配电网网架规划，开关优化配置，人工鱼群算法，可靠 性 a bs t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h et h e o r yo fa r t i f i c i a lf i s hs w a n n a l g o r i t h m ( a f s a ) t h ea f s ah a ss o m eg o o da b i l i t i e s ，w h i c hc a no v e r c o m et h el o c a l e x t r e m u m ，a n dg e tt h eg e n e r a le x t r e m u m w ec a nf i n ds a t i s 匆i n gd o m a i no fa n s w e ri na i l e a s yw a y ，b u tw ec a n t 矗n dt h ea c c u r a t eo p t i m a la n s w e rb yu s i n gi t c o n s i d e r i n gi t sb i g o b j e c t i o ni na s t r i n g e n c ya n dc o m p u t i n gc o m p l i c a c y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m es c h e m e s ， w h i c hw ec a ni m d r o v eo nt h ea f s ab yu s i n gt h e m f o c u s e so nt h ei m p r o v e m e n tp r o g r 锄o fa f s aw h i c ha d a p tt ot h eo p t i m a lp l a n n i n g o nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks t r u c t u r ea n dd i s t r 二3 u t i o nn e t w o r ks w i t c h a n dt h ed i s s e r t a t i o n a l s oi n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o np r o c e s so fm o d i f i e da f s aa p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o n n e t w o r ks t r u c t u r eo p t i m a lp l a n n i n ga n ds w i t c h i n go p t i m i z a t i o n ，d e s i g n sp r o g r 锄u s i n g v i s u a lc 撑d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dc a l c u i a t e st h ee x a m p l e su s i n ga f s aa n dm o d i f i e d a f s a ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d i f i e da f s ai ss u p e r i o rt h a na f s ai nc a l c u l a t e e f n c i e n c ya n dg l o b a lc o n v e r g e n c e t h er e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h em o d m e da f s ai se m c i e n c ya n df e a s i b l e a p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g z h a n gq i u l i a n g ( c o m p u t e ra p p l i e d i e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f c h e n gx i a o r o n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t r u c t u r e p l a n n i n g ，s w i t c h i n go p t i m i z a t i o n ， a r t i f i c i a l f i s hs c h o o l a l g o r i t h m ， r e l i a b i l i 时 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 人工鱼群算法具有良好的克服局部极值、取得全局极值的能力，比较容易找到 满意解的域，但是该算法很难得到精确的最优解，而且算法在收敛性、计算复杂度 等方面还有很大的缺陷。本文系统地论述了人工鱼群算法的基本理论，并针对人工 鱼群算法的不足，提出了改进策略。 论文重点研究了适合配电网网架优化规划和配电网开关优化规划的人工鱼群 算法的改进方案和策略，并且给出了改进人工鱼群算法在配电网网架优化规划和开 关优化规划应用的实现过程，使用v i s u a lc # 开发平台完成了配电网优化规划程序 的编制，对算例进行了计算，计算结果表明改进后的人工鱼群算法在计算效率、解 的精度及算法收敛性等方面均优于基本人工鱼群算法。 通过研究表明改进的人工鱼群算法在配电网优化规划中的应用是有效的、可行 的。 关键词：配电网优化规划，配电网网架规划，开关优化配置，人工鱼群算法，可靠 性 a bs t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h et h e o r yo fa r t i f i c i a lf i s hs w a n n a l g o r i t h m ( a f s a ) t h ea f s ah a ss o m eg o o da b i l i t i e s ，w h i c hc a no v e r c o m et h el o c a l e x t r e m u m ，a n dg e tt h eg e n e r a le x t r e m u m w ec a nf i n ds a t i s 匆i n gd o m a i no fa n s w e ri na i l e a s yw a y ，b u tw ec a n t 矗n dt h ea c c u r a t eo p t i m a la n s w e rb yu s i n gi t c o n s i d e r i n gi t sb i g o b j e c t i o ni na s t r i n g e n c ya n dc o m p u t i n gc o m p l i c a c y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m es c h e m e s ， w h i c hw ec a ni m p r o v eo nt h ea f s ab yu s i n gt h e m f o c u s e so nt h ei m p r 0 v e m e n tp r o g r 锄o fa f s aw h i c ha d a p tt ot h eo p t i m a lp l a n n i n g o nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks t r u c t u r ea n dd i s t r 二3 u t i o nn e t w o r ks w i t c h a n dt h ed i s s e r t a t i o n a l s oi n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o np r o c e s so fm o d i f i e da f s aa p p l i c a | t i o ni nd i s t r i b u t i o n n e t w o r ks t r u c t u r eo p t i m a lp l a n n i n ga n ds w i t c h i n go p t i m i z a t i o n ，d e s i g n sp r o g r 锄u s i n g v i s u a lc 撑d e v e l o p m e n td l a t f o r ma n dc a l c u i a t e st h ee x a m p l e su s i n ga f s aa n dm o d i f i e d a f s a ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d i f i e da f s ai ss u p e r i o rt h a na f s ai nc a l c u l a t e e f n c i e n c ya n dg l o b a lc o n v e r g e n c e t h er e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h em o d m e da f s ai se m c i e n c va n df e a s i b l e a p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g z h a n gq i u l i a n g ( c o m p u t e ra p p l i e d i e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f c h e n gx i a o r o n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t r u c t u r e p l a n n i n g ，s w i t c h i n go p t i m i z a t i o n ， a r t i f i c i a l f i s hs c h o o l a l g o r i t h m ， r e i i a b i l i 毋 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文鱼群算法在配电网规戈0 中的 j 立用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：狴包日期：姻国司 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：筮狱缸导师签名： 日期：噬! 叠艺建日期：9 嘘垃呈鲎 华北电力大学硕+ 学位论文 1 1 前言 第一章引言 在电力系统中，配电网是从输电网接受电能再分配给各电能用户的电力网。配 电网直接与供电用户相联系，是电力系统的重要组成部分。目前，世界各国的电力 工业正逐步由原来的国家垄断经营向放宽管制、自由竞争的电力市场机制转变。在 竞争激烈的电力市场坏境下，电力公司面临许多新的挑战。其中的一个重要问题就 是如何在提高供电质量和可靠性的同时，尽可能地降低运行、维护和建设费用，取 得可靠性和经济性的统一。 在我国，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对配电网的供电能力、 供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。基于历史的原因，过去我国对发电和输 电环节投入较大，而对配电系统的建设则相对滞后，致使城市电网设备陈旧，网架 结构薄弱，网络供电能力不足，供电质量差，供电可靠性低，运行和维护费用高。 这迫使电力部门不得不寻求提高配电系统供电可靠性的有效途径。因此，如何进行 配电网的规划以及在规划中协调好可靠性和经济性的问题已经成为迫切需要解决 的实际课题。 配电网的网架结构和开关配置是影响其供电可靠性的两个重要方面，为了使规 划方案具有合理的可靠性水平，必须解决好这两者的优化问题。因此，本文主要针 对这两方面内容进行了研究和探讨。 1 2 课题提出的背景及意义 1 2 1 课题提出的背景 近些年，随着我国经济的高速发展，城市发展迅速，用电负荷需求量大而且有 时集中，特别是随着产业结构的调整，第三产业用电负荷、人民生活用电增长很快 ，对供电能力、供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。在这种形势下，全国 普遍出现配电网不能满足需求的情况，几乎所有大中城市夏季负荷高峰年年增长， 原有的配电网网络结构正经受着严峻的考验。这迫使电力部门不得不寻求提高配电 系统供电可靠性的有效途径。于是国家电网公司于2 0 0 3 年6 月发出，关于开展电 网中长期规划工作的通知，通知要求加强电网规划，以缓解我国配电网网架薄弱， 电力供需紧张的局面。 在我国电力需求快速增长、配电网急需建设和改造的同时，随着我国社会主义 市场经济的不断深入和发展，我国f 在进行电力行业“十一五”规划和2 0 2 0 年远 景目标自订期研究。在电力工业引入市场机制，将整个电力生产经营的发电、输电、 l 华北电力大学硕士学位论文 配电、售电环节纳入到市场经济体系中，通过构建竞争性电力市场，实现电力资源 的优化配置，已成为我国电力工业改革与发展的必然。因此在当今丌展配电网优化 规划的研究势在必行。 1 2 2 课题提出的意义 配电网是现代电力系统中的重要组成部分之一，其任务是把从电源或输电网获 得的电能直接分配给不同电压等级的用户。我国配电网大多采用放射状的网状结 构，对单故障比较敏感；而且配电网是电力系统中直接针对用户的环节，整个电力 系统对用户的供电能力和质量都必须通过配电网来体现，导致配电网对用户供电质 量和供电可靠性的影响也最为直接。据统计，大约有9 0 以上的用户停电是由配电 网引起的心1 。因此配电网在电力系统中占有非常重要的地位，是整个电力系统结构 及运行特性的集中反映。对配电网优化规划问题进行研究，大幅度地提高供电质量 和可靠性，对提高电力公司的经济效益与竞争力、降低电网电能损耗、节约能源具 有重大的现实意义。 配电网与输电网比较，配电网电压等级低、供电范围小，但与它直接相连的用 户数量庞大，用电性质千差万别，这使配电网优化规划与其他规划( 如电源规划) 相比优化的模型和算法还远不够成熟，亟待进一步研究。 鱼群算法( a f s a ) 是2 0 0 2 年浙江大学学者李晓磊提出的基于鱼群行为的寻求 全局最优的新型搜索策略，其源于对鱼群群体运动行为的研究。该算法具有较优的 全局收敛能力及较快的寻优速度。鱼群算法是一种模拟鱼群行为的随机搜索优化算 法，主要利用鱼的觅食、聚群和追尾行为，从构造单条鱼的底层行为做起，通过鱼 群中个体的局部寻优达到使全局最优值在群体中突现出来的目的。鱼群算法概念简 单、容易实现、搜索速度快、搜索范围大，和其他相关算法相比，它的优点突出。 它在本质上是一种并行的全局性的随机搜索算法。这种算法对于复杂的配电网规划 优化设计会起到积极作用，对促进配电网规划的研究和发展具有很重要的意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 配电网网架规划的研究现状 配电网网架优化规划的主要任务是在已经确定配电网中供电变电站的布点及 其供电范围、负荷分布及其大小的情况下，求得配电网络的拓扑结构，使所要求的 目标达到最优。传统的配电网规划追求的是投资和运行成本最小化，往往忽略了供 电可靠性的经济价值。但在可靠性越来越受到重视的今天，从规划的角度束为系统 寻求一个合理的可靠性水平显得尤为重要。近年来，国外许多学者对于如何衡量可 靠性的价值进行了深入研究。吲，并且开始在配电网规划中考虑可靠性因素n 叫剀。而 2 华北电力大学硕士学位论文 国内对这一领域的研究很少，应用也处于起步阶段，一般都只考虑规划方案的网损、 投资、折旧及维护管理费用。 配电网网架规划属于大规模非线性组合优化问题，配电网本身拥有大量线路和 负荷，其分布范围广，考虑的因素多。要寻求使目标最优的配电网网架，同时又要 满足各种约束，计算相当复杂。传统的配电网规划方法以方案比较为基础，通过对 几种给定的可行性方案进行技术经济比较选择最优方案。一般情况下，参与比较的 方案是由规划人员根据经验提出的，并不一定包括客观上的最优方案。因此，最终 选择的方案往往包含相当多的主观因素。近年来，计算机技术的发展以及优化理论 的应用一方面使得规划方案的技术经济评价更加精确全面，另一方面也大大减轻了 规划人员的繁琐工作，加快了规划工作的进程。目前，对于配电网网架规划的研究 重点主要在求解方法上，主要有三类：数学优化方法川、支路交换法1 以及智能化 算法m 删。 ( 1 ) 数学优化方法 数学优化方法将配电网规划的要求归纳为运筹学中的数学规划模型，然后通过 一定的优化算法求解，从而获得满足约束条件的最优规划方案。它具有严格的理论 基础，可以得到不依赖于初始结构的全局最优解。但配电网规划变量数目多、约束 条件复杂，现有的优化理论对于求解这样大规模的规划问题存在很大困难。因此数 学优化方法应用于实际配电网时，随着系统复杂程度的增加往往会导致严重的“组 合爆炸”。 ( 2 ) 支路交换法 支路交换法的特点是每次迭代只从一个解移动到另一个解，本质上是一种启发 式算法，只能找到局部最优解，而且最终解随初始解的不同波动较大。 ( 3 ) 智能化算法 主要包括模拟退火算法( s a ) 、遗传算法( g a ) 、禁忌搜索算法( t s ) 以及粒子群 算法( p s 0 ) 等。这类算法属于随即搜索算法，由于加入了人工智能的因素，具有很 强的全局搜索能力，因此近年来在电力系统中得到了广泛应用。 模拟退火算法是基于物理中固体物质退火过程与组合优化问题的相似性。该算 法的一个主要的特点是具有一定跳出局部最优的能力，但随着温度的下降，跳出局 部最优的概率也相应降低。初始温度和降温策略是影响解的质量的关键，要获得好 的解，必须设置足够高的初始温度和足够慢的降温过程，这使得模拟退火算法的计 算速度很慢，因而限制了其在配电网规划中的应用。 遗传算法源于达尔文的进化理论：某特定环境下的一群个体，由于坏境的限制， 只有适应性强的个体爿。能得以生存，将优良性能遗传，而弱者被淘汰。遗传算法正 是模拟生物的这种进化过程，由于其整天搜索策略，使其在自适应控制、组合优化 和模式识别等方面得到了广泛应用。遗传算法由编码、产生祖先、评价、选种、遗 3 华北电力大学硕士学位论文 f 譬操作及浒等步骤纰成，格个：f 优过干l i ! ；i f l ；允分体脱了乍物进化的心心。遗f 算法 从l 洋体发红蚺个伞1 1 i j 。j 优，j i ：进 j ：多极值比较ji 箭个j i l j 是优搜索性。i i i ：| 时该算 法川i | 标函数术身胁小址川j e 导数北以，优汀阳此：小必像f 0 统斤泄：邝样住求饼 复杂m 题i | f 采戈近似的f i 婪定，ml i 也f i 必学虑函数| ，i j 连续悱厢li i j 。导r h j 外，遗f 譬 算法“拨针对编舻 进ij ：搽作丽小址参数小身，使n q 题，i 挎uj ，简化，然l 面，遗l 如钟 土 域i ：篮的算j ，驯交义锊：厂址然能够使优良j 。甜以傈科和遗传f l i 越这也使得 弹；：弈埸i i 热过l 懈1 入j i j 湍域优。且i 然变片强j 二能句彩n ：定袢瞍l ：孵决这i u j 题， f i | 通常变片概；红1 1 i 1 小，此篮跳j i i j 部山量优也”常例难。，j 外，舰眦i u 网i 硼架规 划这j 体0 i j 题m j e 连通性和卵： 射状约求址影1 1 解一j ij ：性的故1 i 喽1 人1 素。j i j ( 趴 的交义傩。r 极埸做蜘：斛的t j fj ：忭批统汁j c 作川五jj ，i ii ，j f j ：解的成j j j 书4 怂t 分之 一【2 0 】o 禁忌搜索卯法址近年水受剑f 乎遍火注的种，：。五效率的午i l i 能优化算法。 厂g 如w ，。丁：1 9 牲6 印h 尤挺这概念瞳，进形成! 享完撼的并泓：，j f ：随? f 计算机 技术的发腱 n j 成功地j 越川j ：符个领域解决j ，人艟复杂的优化n i j 题。近儿年，该算 法傲0 i 入i f ! 力系统分析领域，如输l i 【系统肢优舰划乜引、水火l | i 联介绛济渊度心3 1 以及 i 乜力系统允功优化心”臀，j ：h 戈徘了定矾究成粜。该t ，澎：的j 占小心心址利j l j 种父 最t ；的“也忆”投术，付l 绐进i 州，j 优化过袱进 j ： 止求，川以折导卜步的搜索办向。 为了使搜索能句多跳j i l l j 沛皱优禁忠搜索允i ，l = 将 尘索厅退剑他轴、函数越化最小 的个办向i ：，眼辋ij i ：始搜索。该办法：仃i 个蛾j 小的嘤索：移z 力、禁忌农和释放 准则。移功址实现禁忌搜索的j 。| i 拒搜索优的j w i 一，禁忌搜索选择化约束条 件卜能他i l 杯函数抛- ：矗城人的个移动。如粜f i 仃九这样的移动，毗u j 娃l 叮选择使i i 标幽数巡化域小的个移。扔。鬃忌农川米u 求l 绛艾j j | j i 的移动，防i i ：搜豢；l 脱衙环 以及i j i ；1 入j i j 部皱优。释放准| j ! f j 川水仪护仃价值的移动。防l i ：禁忌农m 【i l ：解的进步 优化。禁忠搜索算法能以较人的嗣蜓；： i 跳_ ，j 沛极f i l cj i i 适合j ：处州够数规划和泓合 整数规划问题。f 1 1 越。陔弹浊从t 川 发沿条线：7 优这电决定了例始f i i 【的盘r 坏 将i i ：接影l l i 4 剑钎法的收敛迷嫂和解i - i 勺质：i 。j s l ：禁忌搜索卯法也址侉尘机搜索纤法， 仆水解眦i l ”j 9h 架j ：见划时tj 能j 托乍地f ! f 迎通h 和辄! j j 状约束的一ii ，nj ：斛。f l l 遗f 钳：法f i i d ，鬃忌搜系的肼址通过“移z 力”水完成晰f i 会脱解之川n ，j 交义。这就 使得- t j 以通过移动f i ，jf 抄l ! 改汁水f 裂“解的l l j i 什l i 。 1 3 2 配电网开关优化的研究现状 n ci ui 叫，i - f 门川：天i 殳箭刈j ：f j ciu 一j 。i # r i ：影i i i 柚f 【 人， 0i j i j 址文j ；圯j 0 i 乡蔓l lz 饥化j 1 1 。 合州j ：也确定眦l l 仆羽ij ：火的数i j 和姨设f t 霄能以较，步的投资米a 疋少俘i l i - 时川，抛 6f j il u - j * ；i r l i 。f 乡丸f i ：j 城1 1 i ci ul 羽为了f 袄i l l i t 挺i ljj l t ，jf j il ! i l j ：蕾f ，i i i i 1 ：采j 舣i t j 路 ! ：! ii l i | 线路供i 【! 。，j j 增j j l ij 变l u 站的乡贬数，j l ! ! 常： ；嘤建ji ：nj i i j i 。这手q t ，延l u 4 华北电力大学硕十学位论文 站一开闭所一用户的供电方式不仅设备利用率低，线路投资大，而且增加了变电站 的出线困难，使得城市电缆和架空线路更加拥挤。而在配电网中合理装设一定数目 的开关设备后，可以通过故障定位、隔离和恢复供电功能来保证供电可靠性，并降 低配电网的维护和检修费用。配电网中的开关设备主要有断路器、隔离开关、切换 开关及熔断器等，由于熔断器价格相对低廉，且从系统供电可靠性考虑，一般都不 对其进行优化，而直接装设于负荷支路。目前对开关优化的研究主要在求解方法上， 文献比副通过穷举开关状态和二分法两种方法来求解丌关优化问题，但由于开关状态 数太大，只适用于系统规模很小的情况。文献心川采用模拟退火算法来求解开关优化， 但只考虑了隔离开关。文献瞳7 1 采用了遗传算法，考虑了隔离开关和切换开关的优化 配置。 1 3 3 鱼群算法的研究现状 鱼群算法晗州是2 0 0 2 年李晓磊提出的基于鱼群行为的寻求全局最优的新型搜索 策略，其源于对鱼群群体运动行为的研究。将人工智能的思想应用于问题的寻优是 一个自然而然的思路，随着计算机设备和软件技术的发展，我们有能力实施一些高 级的计算方法，使得这一思路逐渐变得现实和实用。而应用动物自治体的模式来定 义实体，让他们在问题空间中自主的活动，从而达到解决问题的目的，这就是启发 式算法的主要内容。鱼群算法与蚁群算法、粒子群算法一样都属于启发式算法，它 们均是一种“邻域搜索”框架。算法从一个( 一组) 初始解出发在算法参数的控制 下通过邻域函数产生若干邻域解，按接受准则( 确定性、概率性或混沌方式) 更新 当前状念，然后按参数修改准则调节控制参数，如此重复以上搜索过程直至算法终 止准则满足，最终得到问题的优化解。搜索方式( 并行或串行) 、邻域函数、状态 更新方式、算法参数及其修改方式、算法收敛准则是算法的核心。 人工鱼群算法具有良好的克服局部极值、取得全局极值的能力。并且该算法还 具有对初值、参数选择不敏感、鲁棒性强、简单( 只使用目标函数值) 、易实现等 诸多优点。但是随着优化问题复杂程度和规模的不断扩大，人工鱼群算法在应用中 也存在着不足，主要表现在以下四点：( 1 ) 当寻优的域较大或处于变化平坦的区域 时，收敛于全局的最优解速度减慢、搜索性能劣化：( 2 ) 算法一般在优化初期具有 较快的收敛性，后期却往往收敛较慢；( 3 ) 算法很难得到精确的最优解，只能比较 容易找到满意解的域：( 4 ) 算法在计算复杂度方面还有很大的缺陷。 目自订国内外很多学者正在对鱼群算法的这些缺陷进行改进，从长远发展来看， 它仍处在鱼群算法的初级阶段，有待于进一步对其进行改进研究。 1 4 本文的主要研究工作 本课题研究的内容是鱼群算法在配电网规划中的应用研究问题。根据配电网规 5 华北电力大学硕士学位论文 划的特点和鱼群算法的应用领域，在改进鱼群算法的基础上将其应用于配电网规划 中。使用鱼群算法改进配电网规划的优化设计方法可以从很大程度上降低配电网建 设的投资费用和相关运行费用。设计鱼群算法在配电网规划中应用的模型，并验证 其实际性能。将人工智能的思想应用于问题的寻优是一个自然而然的思路，随着计 算机设备和软件技术的发展，我们有能力实施一些高级的计算方法，使得这一思路 逐渐变得现实和实用。而应用动物自治体的模式来定义实体，让他们在问题空间中 自主的活动，从而达到解决问题的目的，这就是本文研究的核心。 具体如下： 1 人工鱼群算法的研究 ( 1 ) 研究人工鱼群算法的原理、基本步骤、应用步骤和参数设置原则及特性分析。 ( 2 ) 将人工鱼群算法与其它智能优化算法进行比较。 ( 3 ) 在研究基本人工鱼群算法的基础上找到其不足之处，提出改进的方案。使鱼 群算法进一步完善，应用更加广泛。 2 人工鱼群算法在配电网规划中的应用研究 ( 1 ) 根据配电网的实际情况建立相关的数学模型。 ( 2 ) 按照电力系统配电网规划的实际需求结合鱼群算法的特点加以应用。 ( 3 ) 针对实际的需求对相应的参数和算法不足进行改进，并将改进的算法应用于 配电网规划的优化设计中。 1 - 5 本文的组织 本文的组织如下： 第一章引言； 第二章人工鱼群算法； 第三章基本人工鱼群算法的改进； 第四章基于改进人工鱼群算法的配电网网架优化规划： 第五章基于二进制人工鱼群算法的配电网开关优化配置； 第六章配电网开关优化配置中停电损失费用的计算算法； 第七章总结与展望。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章人工鱼群算法 在动物的进化过程中，经过漫长的自然界的优胜劣汰，形成了形形色色的觅食 和生存方式，这些方式为人类解决问题的思路带来了不少启发和鼓舞。动物般不 具备人类所具有的复杂逻辑推理能力和综合判断能力的高级智能，它们的目的是在 个体的简单行为或通过群体的简单行为而达到或突现出来的。 动物行为具有以下几个特点：1 ) 适应性：动物通过感觉器官来感知外界环境， 并应激性的做出各种反应，从而影响环境，表现出与环境交互的能力；2 ) 自治性： 动物有其特有的某些行为，在不同的时刻和不同的环境中能够自主的选取某种行 为，而不是通过外界的控制或指导；3 ) 盲目性：不像传统的基于知识的智能系统， 有着明确的目标；单个个体的行为是独立的，与总目标之间没有直接的关系：4 ) 突 现性：总目标的完成是在个体行为的运动过程中突现出来的；5 ) 并行性：各个体的 行为是实时的、并行进行的。 2 1 引言2 8 1 在一片水域中，鱼生存的数目最多的地方一般就是本水域中富含营养物质最多 的地方，依据这一特点来模仿鱼群的觅食等行为，从而实现全局寻优，这就是鱼群 算法的基本思想。 正如鱼群模式中得到的，鱼类的活癸中觅食行为、聚群行为、追尾行为和随机 行为与我们的寻优命题的解决有着较密切的关系，如何利用简便有效的方式来构造 并实现这些行为将是算法实施的主要问题。 觅食行为主要认为就是循着食物多的方向游动的一种行为，在寻优算法中则是 向较优方向前进的迭代方式，如鱼群模式中的视觉概念。 在聚群行为中，我们可以借鉴r e y n o l d s 的思想，在此我们对每条人工鱼规定了 这样两个规则：( 1 ) 尽量向临近伙伴的中心移动；( 2 ) 避免过分拥挤，这样就能基本实 现人工鱼的聚群能力。 追尾行为就是一种向临近的最活跃者追逐的行为，在寻优算法中可以理解为是 向附近的最优伙伴前进的过程。 2 2 鱼群模式乜8 1 在本论文中，将动物自治体的概念引入优化算法中，采用了自下而上的思路， 应用了基于行为的人工智能方法，形成了一种新的解决问题的模式，因为是从分析 鱼类的活动出发的，所以称为鱼群模式。该模式应用于寻优中，形成了人工鱼群算 法。 2 2 1 视觉 7 华北电力大学硕士学位论文 最原始、最直观的寻优方法我想应该是最优方向法或者叫爬山法，它在实施过 程中仅仅需要比较一下目前状态和目的状态的优劣，然后选择较优的状态，这样一 步步向最优状态迈进。当然，单纯的爬山法存在一些缺陷，如步长的选择过大将造 成算法的振荡而无法收敛，步长选择过小会造成算法收敛速度过慢，且容易陷入局 部极小值中。但它对目标问题的性质要求很低，甚至可以不是显示的数学表达式， 并且实施简单，比较符合生物的行为方式。 生物的视觉是极其复杂的，它能快速感知大量的空间事物，这对于任何仪器和 程序都是难以与之相比的，为了实施的简便和有效，在鱼群模式中我们应用了如下 的方法来实现虚拟人工鱼的视觉： 一虚拟人工鱼实体的当前状态为x ，隐”口，为其视野范围，状态x ，为其在某时 刻视点所在的位置，如果该位置的状态优于当前状态，则考虑向该位置方向前进一 步，即到达状态x 。删；如果状态x ，不比当前状态更优，则继续巡视视野内的其他位 置。巡视的次数越多，则对视野内的状态了解越全面，从而对周围的坏境有一个全 方面立体的认知，这有助于做出相应的判断和决策，当然，对于状态多元或无限状 态的环境也不必全部遍历，允许一定的不确定性对于摆脱局部最优，从而寻找全局 最优是有帮助的。其中，状态彳= ( x ，x ：，x 。) ，状态x ，= ( x ? ，x ；，。，x ：) ，则该过程 可以表示如下： x ? = 工，+ 协“口，幸r 日，z d ( ) ， f = 挖牛r 口”d ( )( 2 - 1 ) yy 以删2 费i 脚馏伽烈) ( 2 。2 ) 式中，r 口门j 函数为产生0 到l 之间的随机数，s 卸为移动步长。 由于环境中同伴的数目是有限的，因此在视野中感知同伴中的状态，并相应的 调整自身状态的方法与上式类似。 2 2 2 鱼群行为分析 鱼类与我们的关系相当密切，也较为我们所熟知，通常我们可以观察到如下的 鱼类行为： 觅食行为：这是生物的一种最基本的行为，也就是趋向食物的一种活动：一般 可以认为它是通过视觉或味觉来感知水中的食物量或浓度来选择趋向的，因此，以 上所述的视觉概念可以应用于该行为。 聚群行为：这是鱼类较常见的一种现象，大量或少量的鱼都能聚集成群，这是 它们在进化过程中形成的一种生存方式，可以进行集体觅食和躲避敌害。 追尾行为：当某一条鱼或几条鱼发现食物时，它们附近的鱼会尾随其后快速游 8 华北电力大学硕十学位论文 过来，进而导致更远处的鱼也尾随过来。 随机行为：鱼在水中悠闲的自由游动；基本上是随机的，其实它们也是为了更 大范围的寻觅食物或同伴。 以上是鱼的几个典型行为，这些行为在不同时刻会相互转换，而这种转换通常 是鱼通过对环境的感知来自主实现的，这些行为与鱼的觅食和生存都有着密切的关 系，并且与我们优化问题的解决也有着密切的关系。 行为评价是我们用来模拟鱼能够自主行为的一种方式。在解决优化问题中，可 以选用两种简单的评价方式：一种是选择最优行为执行，也就是在当前状态下，哪 一种行为向优的方向前进最大，就选择这一行为：另一种是选择较优行为前进，也 就是任选一种行为，只要能向优的方向前进即可。 2 2 3 人工鱼 人工鱼是真实鱼个体的一个虚拟实体：用来进行问题的分析和说明，它可以用 册砌谢的概念来实现。借助于面向对象的分析方法，可以认为人工鱼就是一个封装 了自身数据信息和一系列行为的一个实体，可以通过感官来接收环境的刺激信息， 并通过控制尾鳍来作出相应的应激活动。 人工鱼所在的坏境主要是问题的解空间和其它人工鱼的状态，它在下一时刻的 行为取决于目前自身的状态和目前环境的状态( 包括问题当前解的优劣和其他同伴 的状态) ，并且通过它还通过自身活动的同时来影响环境，进而影响其他同伴的活动。 2 2 4 问题的解决 问题的解决是通过自治体在自主的活动过程中以某种形式表现出来的。在寻优 过程中，通常会有两种方式表现出来：一种形式是通过人工鱼最终的分布情况来确 定最优解的分布，通常随着寻优过程的进展，人工鱼往往会聚集在极值点的周围， 而且，全局最优的极值点周围通常能聚集较多的人工鱼；另一种形式是在人工鱼的 个体状态之中表现出来的，即在寻优的过程中，跟踪记录最优个体的状态，就类似 于遗传算法等的方式。 2 3 人工鱼群算法描述 文献【2 9 采用基于行为的多并行通路结构来构造人工鱼个体的模型，模型封装 了人工鱼的自身状态和行为模式。算法的进行也就是人工鱼个体的自适应行为活 动，个体每活动一次就是算法的一次迭代。 在构造人工鱼的模型时。这罩主要采用了面向对象的技术，并用c + + 语言的伪 代码形式来说明。通常，人工鱼的模型可以用如下的类来描述： c l a s s 彳厂，驴c f 讲一加办 o 华北电力大学硕士学位论文 v a r i o u s ： f l o a ta f x n ： f l o a ta f s t e p ： s t e p f l o a ta fv i s u a l ： f 1o a tt r y n u m b e r ： f l o a td e l t a ： f u n c t i o n s ： a f sp o s i t i o n t h ed is t a n c et h a ta fc a nm o v ef o re a c h ： t h ev i s u a ld i s t a n c eo fa f a t t e m p tt i m ei nt h eb e h a v i o ro fp r e y t h ec o n d i t i o no fj a 舳i n g f l o a ta f f o o dc o n s i s t e n c e ( ) ： t h ef o o dc o n s i s t e n c eo fa f sc u r r e n t p o s i t i o n v o i da f m o v e ( ) ： a fm o v et ot h en e x tp o s i t i o n f l o a ta f f o l l o w ( ) ： t h eb e h a v i o ro ff 0 1 l o w f l o a ta f p r e y ( ) ： t h eb e h a v i o ro fp r e y f l o a ta f s w a r m ( ) ：t h eb e h a v i o ro fs w a r m i n ta f e v a l u a t e ( ) ：e v a l u a t ea n ds e l e c tt h eb e h a v i o r v o i da f i n i t ( ) ： t oi n i t i a li z et h ea f a r t 渗c i m 一扣s h q ； v i r t u a l 一彳r f 莎c 蒯一b ( ) ； ： 这样人工鱼的自身信息和一些行为封装在一个类旱面，并且它的状态可以为其 它同伴所感知到。 2 3 1 一些定义 人工鱼个体的状态可表示为向量x = g 。，x ：，x ，) ，其中一( f = l ，以) 为欲寻优 的变量；人工鱼当前所在位置的食物浓度表示为l ，= 厂似) ，其中】，为目标函数值； 人工鱼个体之问的距离表示为4 = 0 z x 川，即向量( x ，一一，) 的二范数；胁“口，表 示人工鱼的感知距离：研印表示人工鱼移动的步长：o 表示拥挤度因子。 2 3 2 行为描述 2 3 2 1 觅食行为 设人工鱼当日仃状念为x ，在其感知范围内随机选择一个状态x ，如果在求极 大问题中，r y ，因极大和极小问题可以互相转换， 所以以下均以求极大问题讨论) ，则向该方向自 进一步；反之，再重新随机选择状 l o 华北电力大学硕士学位论文 态x ，判断是否满足前进条件；这样反复尝试砂一门”m 6 p ，次后，如果仍不满足前 进条件，则随机移动一步。 觅食行为伪代码描述如下： t 、o a 乞a n l 访c i q l 一l s h ：a f p r e y ：) f o r ( i = 0 ：i 砂一门“聊6 p ，：i + + ) y ，= x jt r 口，l d ( ) 奉胁材口，： i f ( r ) k 置拙坝r 科焉： e 1s e x “= x ，+ r 彻d ( ) 宰s 砖p ： ) r e t u r na f f o o d c o n s i s t e n c e ( x ，i 懈f ) ： ) 2 3 2 2 聚群行为 设人工鱼当前状态为x ，探索当前邻域内( 即4 ， 蟛，表明伙伴中心有较多的食物并且不太拥挤，则朝伙伴的 r i f 中心位置方向前进一步；否则执行觅食行为。 聚群行为伪代码描述如下： f l o a t 么r f f l 矿、c 妇，一s 晟：a f s w 口，m ( ) 玎- 厂= 0 ；x 。= 0 ； f o r ( j = 0 ：j f r i e n d n u m b e r ：j + + ) i f ( d ， ， 础) 一， 华北电力大学顾士学位论文 x 悃“地似， 脚 筠 e 1s e a f p r e y ( ) ： r e t u r na f _ f o o d c o n sis t e n c e ( x j i 胀1 ) ： 2 3 2 3 追尾行为 设人工鱼当前状态为x ，探索当前邻域内( 即z ， 蟛