基于小种群差分进化算法的电力系统优化运行研究

摘要

电力系统优化运行是降低电力系统发电成本、提高供电可靠性、电能质量、安全供电的有效手段。电力系统优化调度在数学模型上是具有大量非线性约束条件以及包含连续和离散变量的大规模非线性优化问题。传统优化方法大多依赖于优化问题数学模型的可导性与可微性，其在电力系统优化运行应用中具有较大的局限性;由于启发式进化算法编制相对简单，处理速度快，具备卓越的约束处理能力，被广泛应用于电力系统优化运行问题求解;然而，多数启发式算法往往通过增加种群规模来获得较优的全局搜索能力，但是大种群所带来的运算时间是电力系统优化运行所不能接受的。
　　针对该问题，本文提出一种基于MPI并行程序设计的小种群差分进化算法，该算法结合MPI并行程序特点，将原先单一进程大规模种群差分进化算法分割成多进程小种群并行差分进化算法;该方法充分利用计算机CPU性能，让多个进程小种群差分进化算法同时进行差分操作，提高了计算速度。此外，为了避免由于人为给定差分进化控制参数的不合适造成的早熟收敛等问题，本文采用一种具有自学习能力的参数自适应法来设置差分进化算法的缩放因子和交叉因子。考虑到各进程种群规模较小可能陷入局部最优陷阱，影响算法的搜索性能;本文在算法搜索中引入迁徙操作，当种群的聚集程度达到容忍度上限时，则在当前最优解附近重新生成符合随机均匀分布的新种群，这有利于提高算法后期的局部搜索能力。
　　通过对三个经典水火电力系统测试算例进行仿真，并将仿真结果与现有研究成果进行比较，验证本文所提算法的有效性。同时，本文还构建了考虑潮流约束的水火电力系统短期优化调度数学模型以及微电网系统多时段优化调度数学模型，并分别为模型的求解设计了小种群差分进化算法;将模型和算法分别用于求解基于IEEE9节点系统和IEEE39节点系统所构建的算例，并求得了相应的优化调度方案。
　　最后，本文基于上述构建的水火电力系统优化调度模型和算法，以及微电网系统优化调度模型和算法分别构建了电力系统优化调度管理系统，通过该系统，能够实现对负荷的经济分配，实现系统发电运行成本最小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 启发式算法

1．1．2 传统大电网优化运行

1．1．3 微电网优化运行

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电力系统优化调度算法研究概述

1．2．2 传统大电网优化运行问题求解算法

1．2．3 微电网优化运行问题求解算法

1．2．4 研究现状总结分析

1．3 本文的主要工作和内容安排

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文章节安排

第二章 小种群差分进化算法

2．1 差分进化算法

2．1．1 基本差分进化算法

2．1．2 差分进化算法其他变形

2．2 改进差分进化算法

2．2．1 控制参数的改进

2．2．2 选择策略的改进

2．2．3 种群重构

2．2．4 多种群差分进化算法

2．3 基于MPI并行设计的小种群差分进化算法

2．3．1 MPI并行设计分析

2．3．2 差分进化算法的并行设计

2．3．3 并行差分进化算法的性能参数

第三章 基于小种群差分进化算法的水火电力系统优化运行

3．1 水电站运行特性与发电模型

3．1．1 水电站运行特性

3．1．2 水电站发电模型

3．2 火电站运行特性

3．2．1 火电站燃耗特性

3．2．2 火电站机组反应特性

3．3 水火电力系统优化调度数学模型

3．3．1 水火电力系统短期优化调度目标

3．3．2 系统需要满足的等式约束

3．3．3 系统需要满足的不等式约束

3．3．4 约束处理办法

3．4 水火电力系统优化调度小种群DE算法

3．4．1 各进程分配变量内存

3．4．2 确定集合操作与发散操作的频率与时机

3．4．3 水火电力系统优化调度小种群DE算法流程

3．5 水火电力系统优化调度仿真

3．5．1 经典水火电力系统仿真

3．5．2 考虑潮流约束的水火电力系统仿真

第四章 基于小种群差分进化算法的微电网多时段优化

4．1 微电网中各部件发电原理

4．1．1 蓄电池部件

4．1．2 微型燃气轮机部件

4．1．3 光伏发电单元部件

4．1．4 风力发电单元部件

4．2 微电网优化调度数学模型

4．2．1 微电网优化调度目标函数

4．2．2 微电网优化调度约束条件

4．2．3 约束处理办法

4．3 微电网优化调度小种群DE算法

4．3．1 子进程与根进程分配变量内存

4．3．2 确定集合操作与发散操作的频率与时机

4．3．3 微电网优化调度小种群DE算法流程

4．4 考虑潮流约束的微电网系统仿真

4．4．1 IEEE 9节点微电网系统优化调度算例

4．4．2 IEEE 9节点微电网系统仿真结果

第五章 电力系统优化调度管理系统

5．1 优化调度管理系统

5．1．1 构建优化调度管理系统

5．1．2 优化调度管理系统工作原理

5．2 优化调度管理系统构成

5．2．1 客户端

5．2．2 系统调度器

5．2．3 服务端

5．2．4 系统数据库

5．3 构建微电网优化调度管理系统

5．3．1 微电网管理系统客户端

5．3．2 微电网系统数据库构建

第六章 结论与展望

6．1 本文总结

6．2 存在问题

6．3 未来展望

参考文献

硕士阶段发表成果

致谢

附录