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迁移蜂群优化算法及其在无功优化中的应用

徐茂鑫 张孝顺 余涛

徐茂鑫, 张孝顺, 余涛. 迁移蜂群优化算法及其在无功优化中的应用. 自动化学报, 2017, 43(1): 83-93. doi: 10.16383/j.aas.2017.c150791
引用本文: 徐茂鑫, 张孝顺, 余涛. 迁移蜂群优化算法及其在无功优化中的应用. 自动化学报, 2017, 43(1): 83-93. doi: 10.16383/j.aas.2017.c150791
XU Mao-Xin, ZHANG Xiao-Shun, YU Tao. Transfer Bees Optimizer and Its Application on Reactive Power Optimization. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2017, 43(1): 83-93. doi: 10.16383/j.aas.2017.c150791
Citation: XU Mao-Xin, ZHANG Xiao-Shun, YU Tao. Transfer Bees Optimizer and Its Application on Reactive Power Optimization. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2017, 43(1): 83-93. doi: 10.16383/j.aas.2017.c150791

迁移蜂群优化算法及其在无功优化中的应用

doi: 10.16383/j.aas.2017.c150791
基金项目: 

国家自然科学基金 51177051, 51477055

国家重点基础研究发展计划(973计划) 2013CB228205

详细信息
    作者简介:

    徐茂鑫 华南理工大学电力学院硕士研究生.主要研究方向为电力系统优化运行与控制.E-mail:shuifengderen@163.com

    余涛 华南理工大学电力学院教授.主要研究方向为非线性协同控制理论,人工智能技术在电力系统运行、规划的应用.E-mail:taoyu1@scut.edu.cn

    通讯作者:

    张孝顺 华南理工大学电力学院博士研究生.主要研究方向为协同控制和优化理论,人工智能技术在电力系统运行的应用.本文通信作者. E-mail:xszhang1990@sina.cn.

Transfer Bees Optimizer and Its Application on Reactive Power Optimization

Funds: 

and National Natural Science Foundation of China 51177051, 51477055

Supported by National Key Basic Research Program of China (973 Program) 2013CB228205

More Information
    Author Bio:

    XU Mao-Xin Master student at the School of Electric Power, South China University of Technology. His re- search interest covers power system optimal operation and control.

    YU Tao Professor at the the School of Electric Power, South China University of Technology. His research interest covers nonlinear and coordinated control theory, arti-cial intelligence techniques in planning and operation of power systems.

    Corresponding author: ZHANG Xiao-Shun Ph. D. can-didate at the School of Electric Power, South China University of Technology. His research inter-est covers coordinated control and optimal theory, arti-cial intelligence techniques in operation of power systems. Cor-responding author of this paper. E-mail:xszhang1990@sina.cn.
  • 摘要: 提出了一种全新的迁移蜂群优化算法,并应用到电力系统无功优化问题.利用Q学习的试错与奖励机制构造蜂群的学习模式,并采用强化学习的行为迁移技术实现蜂群的迁移学习.为解决算法求解多变量优化问题遇到的维数灾难,提出了状态-组合动作链的方式将状态-动作空间分解成若干低维空间,明显降低算法的计算难度.仿真结果表明:本文所提算法可以保证最优解质量的同时,寻优速度能提高到传统启发式智能算法的4~67倍左右,非常适用于大规模复杂系统非线性规划问题的快速求解.
  • 图  1  人工蜂群寻优模式

    Fig.  1  Searching mode of ABC

    图  2  TBO 学习模式

    Fig.  2  Learning mode of TBO

    图  3  状态-动作空间分解过程

    Fig.  3  Decomposition of state-action space

    图  4  强化学习的两种迁移方式

    Fig.  4  Two transfer approaches of reinforcement learning

    图  5  TBO 算法流程图

    Fig.  5  Flow diagram of TBO

    图  6  日负荷曲线

    Fig.  6  Daily load curves

    图  7  IEEE 118 节点样本7 学习过程

    Fig.  7  Learning process of sample 7 on IEEE 118-bus case

    图  8  IEEE 300 节点样本8 学习过程

    Fig.  8  Learning process of sample 8 on IEEE 300-bus case

    图  9  96 个负荷断面优化结果

    Fig.  9  Optimization results of 96 load scenarios

    图  10  IEEE 118 节点算例优化结果对比

    Fig.  10  Comparison results on IEEE 118-bus case

    图  11  IEEE 300 节点算例优化结果对比

    Fig.  11  Comparison results on IEEE 300-bus case

    表  1  算例控制变量规模

    Table  1  Control variable scale of the simulation case

    仿真系统控制变量个数总计
    无功补偿 变压器分接头 发电机端电压
    IEEE 118 节点 3 5 17 25
    IEEE 300 节点 11 44 56 111
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    表  2  TBO 算法参数设置

    Table  2  TBO parameter setting

    参数取值范围IEEE 118 节点IEEE 300 节点
    样本学习 迁移学习 样本学习 迁移学习
    $n$ - 14 6 30 10
    $\alpha $ 0<$\alpha$<1 0.99 0.99 0.99 0.99
    $\gamma $ 0<$\gamma$<1 0.9 0.9 0.9 0.9
    $\varepsilon $ 0<$\varepsilon$ <1 0.9 0.98 0.95 0.98
    $\beta $ 0<$\beta$<1 0.99 0.99 0.99 0.99
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    表  3  对比算法主要参数设置

    Table  3  Parameter setting of comparative algorithms

    算法参数取值
    IEEE 118 节点IEEE 300 节点
    ABC蜂群总数 14 40
    采蜜蜂 7 20
    侦查蜂 2 5
    观察蜂 5 15
    限制次数 5 5
    GSO群体规模 100 500
    游荡者比例 20% 20%
    最大搜索角 $\pi/4$ $\pi/4$
    最大搜索转角 $\pi/8$ $\pi/8$
    ACO蚁群总数 50 100
    信息素挥发系数 0.8 0.8
    启发式值权重 1 1
    搜索权重 0.8 0.8
    PSO粒子群总数 50 100
    最小旋转速度 -5 -5
    最大旋转速度 5 5
    加速系数~$c1$/$c2$ 0.5/0.5 1/1
    最小惯性系数 0.4 0.4
    最大惯性系数 0.9 0.9
    GA种群规模 50 100
    变异概率 0.05 0.10
    交叉概率 0.80 0.80
    遗传代沟 0.8 0.8
    进化代数 50 100
    CCGA种群个体数 5 5
    种群数 3 10
    变异概率 0.90 0.90
    交叉概率 0.95 0.95
    最大进化代数 80 80
    QGA种群规模 50 100
    量子旋转门 0.01$\pi $ 0.01$\pi $
    进化代数 50 100
    Ant-Q蚁群总数 50 80
    折扣系数 0.05 0.1
    学习因子 0.5 0.1
    搜索权重因子 0.8 0.8
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    表  4  典型日96 个断面各算法运行10次平均结果统计表

    Table  4  Average results of 96 load sections by each algorithm in 10 runs

    算法IEEE 118 节点算例IEEE 300 节点算例
    计算时间(s) 收敛时间(s) $P_{\rm loss}$ (MW) $U_{\rm d}$ (%) 目标函数值 计算时间(s) 收敛时间(s) $P_{\rm loss}$ (MW) $U_{\rm d}$ (%) 目标函数值
    ABC 1440 15.00 11105.12 1507.13 6306.13 6941.98 72.31 38182.69 8340.91 23261.80
    ACO 2968.27 30.92 11062.35 1437.88 6250.12 21896.02 228.08 38265.31 7359.69 22812.50
    Ant-Q 399.61 4.16 11110.67 1501.25 6305.96 11055.19 115.16 37427.55 7143.07 22285.31
    GSO 3404.48 35.46 11121.77 1486.45 6304.11 6087.55 63.41 38644.40 8867.76 23756.08
    PSO 2792.88 29.09 11103.69 1477.86 6290.77 9822.03 102.31 38098.85 8074.54 23086.70
    GA 1032.95 10.76 11120.38 1504.56 6312.47 4631.66 48.25 37735.38 7779.54 22757.46
    QGA 301.91 3.99 11093.48 1505.05 6299.27 4588.92 47.80 37631.03 7557.90 22594.46
    CCGA 559.20 5.83 11011.74 1482.24 6246.99 2939.77 30.62 37474.88 7507.44 22491.16
    TBO 89.91 0.94 11007.69 1482.84 6245.27 323.35 3.37 37513.53 6942.86 22228.19
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    表  5  典型日96个断面各算法运行10次目标函数值收敛性能统计表

    Table  5  Convergence performance of 96 load sections by each algorithm in 10 runs

    算法IEEE 118 节点算例IEEE 300 节点算例
    最小值 最大值 方差 标准差 相对标准偏差 最小值 最大值 方差 标准差 相对标准偏差
    ABC 6308.20 6302.70 3.62 1.90 3.02E-04 23286.90 23230.48 380.55 19.51 8.39E-04
    ACO 6253.35 6244.85 5.79 2.41 3.85E-04 22824.96 22784.28 227.72 15.09 6.61E-04
    Ant-Q 6310.36 6301.19 7.71 2.78 4.40E-04 22310.62 22263.10 220.97 14.86 6.67E-04
    GSO 6312.36 6298.30 17.35 4.17 6.61E-04 23810.08 23711.90 1293.47 35.96 1.51E-03
    PSO 6296.83 6284.23 14.64 3.83 6.08E-04 23193.06 23020.09 2371.10 48.69 2.11E-03
    GA 6318.80 6308.79 10.80 3.29 5.21E-04 22777.53 22742.54 178.17 13.35 5.87E-04
    QGA 6303.66 6295.88 5.73 2.39 3.80E-04 22613.61 22575.91 193.87 13.92 6.16E-04
    CCGA 6242.94 6254.14 9.56 3.09 4.95E-04 22460.90 22509.55 286.29 16.92 7.52E-04
    TBO 6241.93 6247.39 3.15 1.77 2.84E-04 22217.39 22244.14 84.56 9.20 4.06E-04
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-24
  • 录用日期:  2016-05-23
  • 刊出日期:  2017-01-01

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