配網(wǎng)自動化故障定位-遺傳算法

1、0引言隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求也越來越高，傳統(tǒng)的技術(shù)和管理手段無法適應(yīng)新的形勢。實(shí)施配電自動化是進(jìn)一步改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量,提高配電網(wǎng)供電可靠性的關(guān)鍵手段；是提高電力設(shè)備利用率,優(yōu)化資源配置,進(jìn)一步開發(fā)和利用清潔能源的必要措施；是加強(qiáng)和完善配電網(wǎng)管理,提高企業(yè)管理效率的重要途徑。我國的市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力市場改革的逐步深入促進(jìn)了直接與用戶打交道的配電公司越來越重視自身的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)水平,與此同時(shí)電力用戶對供電企業(yè)特別是配電的要求也是越來越高。在這樣一種背景下來進(jìn)行配電網(wǎng)絡(luò)故障定位問題的研究有著十分重要的意義，高效的故障定位方法使得配電公司在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)

2、能夠快速準(zhǔn)確地找到發(fā)生故障的區(qū)間或設(shè)備,隔離故障設(shè)備,及時(shí)派出故障搶修工作人員進(jìn)行現(xiàn)場處理,盡快恢復(fù)供電,縮短停電時(shí)間。1配電網(wǎng)自動化簡介1.1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及接線方式電力系統(tǒng)中，變電、送電、配電設(shè)備以及不同電壓等級的電力線路組成電網(wǎng)。電網(wǎng)又分成配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)，一般把配電網(wǎng)中經(jīng)過降壓后低壓側(cè)直接給用戶供電的網(wǎng)絡(luò)，稱之為配電網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)絡(luò)大致可以分成環(huán)狀、樹狀以及輻射狀，如圖 1.1 所示，將電能分配到各個(gè)用戶終端是配電網(wǎng)的主要作用。就我國而言，配電網(wǎng)所指的是 110kV 以下的電壓等級電網(wǎng)，一般高壓配電網(wǎng)為110kV和 35kV，中壓配電網(wǎng)為 10kV，低壓配電網(wǎng)為0.4kV。（c）環(huán)狀(b)樹

3、狀（a）輻射狀 圖1.1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖配電網(wǎng)具有的特點(diǎn)：（1）與用戶終端關(guān)系密切，施工或者是系統(tǒng)事故造成停電將給社會造成很大的影響；（2）設(shè)備量大，品類眾多，遍及范圍也非常的廣，如街道和生活的各個(gè)場所；（3）經(jīng)常要對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行更新，改造以及變更。電力系統(tǒng)接線方式有多種，我們常用的接地方式一般分為四種：中性點(diǎn)直接接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式、中性點(diǎn)不接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。其中，中性點(diǎn)直接接地方式也稱為大電流接地方式，其余三種稱為小電流接地方式。在配電網(wǎng)中，一般都是采用小電流接地方式。1.2配電網(wǎng)自動化的概念配電自動化(DA)是指以一次網(wǎng)架和設(shè)備為基礎(chǔ),以配電自動化系統(tǒng)為核心

4、,綜合利用多種通信方式,實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)的監(jiān)測與控制,并通過與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成,實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)的科學(xué)管理。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)依靠的就是配電自動化系統(tǒng)(DAS)。配電自動化系統(tǒng)整合了現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并與電力一次設(shè)備相結(jié)合,具備配電SCADA、饋線自動化、故障處 電主站、配電終端、配電子站(不一定有)和通信通道等部分組成。圖1.2為配電自動化的構(gòu)成圖：圖1.2 配電自動化構(gòu)成圖配網(wǎng)自動化發(fā)展至今，其內(nèi)容可大致分為四個(gè)方面：一是饋線自動化（配電線路自動化）；二是用戶自動化（用戶需求側(cè)管理自動化）；三是配電網(wǎng)管理自動化（網(wǎng)絡(luò)分析）；四是變電站的綜合自動化（輸電和配電的接

5、合部）。用戶的供電與故障定位及故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)成為了配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的一項(xiàng)主要功能，它可以顯著地提高供電可靠性。1.3配電網(wǎng)自動化的意義目前，我國配電網(wǎng)的網(wǎng)架普遍較為薄弱，整體規(guī)劃也比較缺乏，大部分都是樹狀網(wǎng)。配電網(wǎng)的主干線界面也比較小，并且多為架空線路，供電的半徑較大，損耗嚴(yán)重，且電能質(zhì)量較差，配電系統(tǒng)設(shè)備陳舊老化，基本上都是手動操作的，較少采用監(jiān)控設(shè)備，采集的信號量不多，自動化故障處理水平較低，故障處理與恢復(fù)的速度慢。在配電網(wǎng)中，單電源供電方式是最為常見的，并且線路分段少，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)會造成大面積的停電，故障定位需要較長的時(shí)間，恢復(fù)供電時(shí)間較。因此，配電自動化的主要意義在于：當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生

6、故障時(shí)，迅速查出故障區(qū)段，快速隔離故障區(qū)段，及時(shí)恢復(fù)非故障區(qū)域客戶的供電，因此縮短了對客戶的停電時(shí)間，減少了停電面積，提高了供電可靠性。在正常運(yùn)行情況下，通過監(jiān)控配網(wǎng)運(yùn)行工況，優(yōu)化配網(wǎng)運(yùn)行方式，使配電網(wǎng)的潛力得以最大限度的利用；根據(jù)配電網(wǎng)電壓合理控制無功負(fù)荷和電壓水平，改善供電質(zhì)量，降低線路損耗，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的；合理控制用電負(fù)荷，從而提高設(shè)備利用率；自動抄表計(jì)費(fèi)，保證了抄表計(jì)費(fèi)的及時(shí)和準(zhǔn)確，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和工作效率，降低勞動強(qiáng)度，達(dá)到減人增效的目的；提高管理現(xiàn)代化水平和服務(wù)質(zhì)量，并可為客戶提供用電信息服務(wù)等。配電自動化系統(tǒng)的主要目的之一在于減少停電面積和縮短停電時(shí)間，為此必須能夠采集配電

7、網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析，從而使調(diào)度員能夠隨時(shí)監(jiān)視網(wǎng)上運(yùn)行情況和作出明確的決策。此外，還要求能夠通過遙控和遙調(diào)在控制中心就能對配電網(wǎng)進(jìn)行必要的操作，從而縮短故障處理時(shí)間和降低勞動強(qiáng)度。1.4總結(jié)從以上所介紹的內(nèi)容可以看出，配網(wǎng)故障的定位、隔離及失電區(qū)域的供電恢復(fù)重構(gòu)是配電自動化的一項(xiàng)核心內(nèi)容，意義深遠(yuǎn)。在配電自動化中擁有一套性能優(yōu)良的配網(wǎng)故障診斷及恢復(fù)算法計(jì)算軟件，將對配電自動化水平起著決定性的作用，本文就是在遺傳算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動化的故障定位。2 配電網(wǎng)故障定位目前配電網(wǎng)故障定位可以分為主動式及被動式兩種檢測方式。2.1主動式檢測主動式故障檢測方法是指配電網(wǎng)出現(xiàn)線路故障并在沒有停

8、電的狀況下，通過將特定信號注入到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)線路故障定位的方法。2.1.1 S注入法S注入法是利用故障時(shí)暫時(shí)閑置的電壓互感器注入交流信號電流,通過檢測故障線路中注入信號的路徑和特征來實(shí)現(xiàn)故障測距和定位。線路發(fā)生接地故障后,經(jīng)三相電壓互感器的中性點(diǎn)向故障線路注入特定頻率的電流信號,注入的信號將沿著故障線路經(jīng)接地點(diǎn)注入大地,然后用信號尋跡原理進(jìn)行故障選線,并確定故障點(diǎn)?？紤]到配電網(wǎng)中最多的故障是單相接地，因此，為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行,在出現(xiàn)單相接地時(shí)選出接地線路后應(yīng)立即停電,在停電狀況下進(jìn)行接地點(diǎn)定位?？紤]到線路停電后絕緣可能恢復(fù),可采用“直流開路,交流尋蹤”的離線故障定位新方法。該方法首先通過外加直流

9、高壓使接地點(diǎn)處于保持擊穿狀態(tài),然后注入交流檢測信號,再通過尋跡原理尋蹤注入的交流信號找出故障的準(zhǔn)確位置。信號注入法適合于線路上只安裝兩相電流互感器的系統(tǒng)。但是，當(dāng)接地電阻較大時(shí)線路上的分布電容會對注入的信號分流,給選線和定點(diǎn)造成干擾。并且如果接地點(diǎn)存在間歇性電弧現(xiàn)象,則注入的信號在線路中將不連續(xù),給檢測帶來困難。該方法尋找故障點(diǎn)時(shí)間較長,在此期間有可能引發(fā)系統(tǒng)的第二點(diǎn)接地,造成線路自動跳閘。2.1.2加信傳遞函數(shù)法加信傳遞函數(shù)法是在故障出線處加方波激勵信號,根據(jù)故障后電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,用頻域分析的方法進(jìn)行定位。該方法是基于頻譜分析的原理和線路的分布參數(shù)模型,在線路首端施加方波激勵信號源,在首

10、端測量時(shí)域的零序電壓和電流數(shù)據(jù),計(jì)算得到頻域傳遞函數(shù),然后根據(jù)各分支端口傳遞函數(shù)頻譜的頻率、相位及波形特征以實(shí)現(xiàn)接地故障的定位。2.1.3 端口故障診斷法端口故障診斷法是將模擬電路故障診斷理論應(yīng)用于分布參數(shù)傳輸網(wǎng)絡(luò)故障診斷的方法。從端口方程出發(fā),利用單相接地后的故障電壓和電流的特點(diǎn)進(jìn)行測距和定位,通過施加正弦信號,比較傳輸網(wǎng)可測端口故障前后測試信號的變化量,實(shí)現(xiàn)故障分支定位。端口故障診斷法的優(yōu)點(diǎn)是故障診斷的工作量小,適用于大型網(wǎng)絡(luò)的故障診斷,缺點(diǎn)是分支上的故障點(diǎn)位置只能歸結(jié)為主支與分支的聯(lián)接點(diǎn),而無法確定具體的故障距離,并且需要采集線路兩側(cè)的信息,實(shí)用性不強(qiáng)。2.2被動式檢測被動式故障檢測就是

11、在配電線路的主要節(jié)點(diǎn)加裝故障探測器(故障指示器或FTU), 利用故障發(fā)生時(shí)所采集的故障信息以及故障前后線路參數(shù)的變化以實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位。2.2.1小電流接地故障檢測我國配電系統(tǒng)中性點(diǎn)多釆用小電流接地方式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),相間電壓保持不變,因此,可以繼續(xù)維持一段時(shí)間的正常供電。根據(jù)規(guī)定,發(fā)生單相接地故障后系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行2小時(shí),但由于單相接地故障可能會發(fā)展成為兩點(diǎn)或多點(diǎn)的接地故障,進(jìn)而引起線路跳閘故障。并且小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)故障電流很小,接地電弧往往能夠自行媳滅,使故障消失。因此,小電流接地故障檢測主要是解決單相接地故障的定位。目前,國內(nèi)建設(shè)的配電自動化系統(tǒng),一般僅能實(shí)現(xiàn)短路故

12、障定位與隔離功能,還不能處理小電流接地故障,因此，這一領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。2.2.2被動式故障定位的算法對于實(shí)現(xiàn)了配電自動化的配電網(wǎng)絡(luò),一般利用線路FTU實(shí)現(xiàn)線路故障信息的檢測,并將檢測結(jié)果通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至SCADA系統(tǒng),SCADA系統(tǒng)根據(jù)一定的故障定位算法就可以自動定位出故障所在區(qū)段。以下為常用的算法：（1）故障定位矩陣算法故障定位矩陣算法是根據(jù)配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)描述矩陣,然后依據(jù)線路的最大負(fù)荷,對配網(wǎng)中各臺FTU進(jìn)行整定。當(dāng)饋線發(fā)生故障時(shí),有故障電流流過的分段開關(guān)上的FTU將檢測到高于其整定值的過電流,此時(shí)該FTU就將這個(gè)故障電流的最大值及其出現(xiàn)的時(shí)刻記錄下來并上報(bào)給配網(wǎng)控制中心的

13、SCADA系統(tǒng), SCADA系統(tǒng)對這些信息進(jìn)行處理獲得一個(gè)故障判斷矩陣,根據(jù)故障判定矩陣就可準(zhǔn)確地判斷和隔離故障區(qū)段。由于基于信息矩陣的算法完全依賴于FTU上報(bào)的信息進(jìn)行故障定位,所以當(dāng)信息誤傳或保護(hù)拒動時(shí),將會影響定位的結(jié)果,容錯性差。（2）專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)(Expert System)是一類包含著知識和推理的智能計(jì)算機(jī)程序,其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R和經(jīng)驗(yàn),能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域的問題,特別擅長于解決難以建立數(shù)學(xué)模型,較多的依賴專家的經(jīng)驗(yàn)知識的問題。這種方式下，根據(jù)專家提供的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),建立模糊診斷的知識庫及相應(yīng)的推理機(jī)制,當(dāng)故障發(fā)生后,SCADA系統(tǒng)

14、發(fā)出的保護(hù)和開關(guān)動作信號激活系統(tǒng),依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成故障信號鏈,啟動推理機(jī)制,進(jìn)行信號識別及故障定位。（3）模糊理論模糊理論(Fuzzy Theory)是將經(jīng)典的集合理論模糊化,并引入語言變量和近似推理的模糊邏輯,具有完整的模糊體系的一種智能技術(shù),可以較好的處理不確定性問題。由于保護(hù)或斷路器的誤動、拒動、信道的傳輸干擾、保護(hù)的時(shí)限偏差等的存在,使得電力系統(tǒng)故障診斷問題存在許多不確定因素,而模糊理論正擅長模擬人類思維中的近似推理,使得它被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的故障診斷。（4）人工網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是一種連接機(jī)制模型,它是由大量人工神經(jīng)元廣泛互聯(lián)而成的網(wǎng)絡(luò),是以工程技術(shù)的手段來模擬人腦神經(jīng)

15、元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和特征的系統(tǒng)。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電力系統(tǒng)報(bào)警處理和故障定位能在保護(hù)裝置誤動、數(shù)據(jù)丟失以及出現(xiàn)其它未考慮的報(bào)警類型時(shí)也能給出較精確的定位結(jié)果。（5）遺傳算法遺傳算法(GA)是一種基于達(dá)爾文進(jìn)化論思想和遺傳學(xué)的新的優(yōu)化算法,通過模擬自然生物進(jìn)化的過程中優(yōu)勝劣汰的機(jī)制來解決科研工作中出現(xiàn)的各種問題。遺傳算法是根據(jù)人類遺傳機(jī)理,通過模擬生物進(jìn)化過程中的繁殖、雜交和突變等現(xiàn)象,提出的一種全局優(yōu)化算法。它具有較強(qiáng)的全局尋優(yōu)能力,擅長于優(yōu)化問題,并具備高容錯性能,在配電網(wǎng)故障定位應(yīng)用中得到重視。這也是本文的重點(diǎn)，在下一章具體闡述。3遺傳算法近年來，以遺傳算法和專家系統(tǒng)為代表的人工智能發(fā)展迅速，并在電

16、力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其以遺傳算法的應(yīng)用最廣。遺傳算法是一種基于自然選擇和群體遺傳機(jī)理的搜索算法，它模擬自然選擇和自然遺傳過程中發(fā)生的繁殖、雜交和突變現(xiàn)象，因此，遺傳操作的三個(gè)基本遺傳算子為：選擇、交叉和變異。選擇和交叉基本完成了遺傳算法的大部分搜索功能，變異增加了遺傳算法找到接近最優(yōu)解的能力。3.1編碼在遺傳算法中，不直接與參數(shù)打交道，而是根據(jù)元件故障與保護(hù)動作和斷路器跳閘之間的關(guān)系,將電力系統(tǒng)的故障診斷問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)0、1整數(shù)規(guī)劃問題, 通過故障診斷的評價(jià)函數(shù),實(shí)現(xiàn)精確的故障診斷。一般來說，“1”表示設(shè)備存在故障，“0”表示設(shè)備工作正常。3.2 評價(jià)函數(shù)3.2.1 單電源供電在遺傳操

17、作中,評價(jià)函數(shù)是評價(jià)解的性能的依據(jù),性能好的解的優(yōu)良性能遺傳給下一代。評價(jià)函數(shù)構(gòu)造為 （1）式中 ， 為第i個(gè)設(shè)備的狀況（正常為0，故障為1）；為第i個(gè)分段開關(guān)的電流越限信號（有故障電流時(shí)為1，否則為0）； 為第j個(gè)分段開關(guān)的函數(shù)（有故障電流時(shí)為1，否則為0）；為可由上傳給主站SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)故障電流信息通過下式得到。 （2）式中為第j個(gè)分段開關(guān)的電流越限信號（有故障電流時(shí)為1，否則為0）； 為采集到的第j個(gè)分段開關(guān)的故障電流； 為第j個(gè)分段開關(guān)的故障電流定值。由上述的分析可見, 僅與采集到的實(shí)時(shí)故障電流有關(guān),與設(shè)備狀態(tài)無關(guān)。式(1)右端的項(xiàng)數(shù)及均由實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果確定。3.2.2

18、多電源供電第 3.2.1 節(jié)分析了單一電源情況下基于遺傳算法的故障定位方法。在多電源情況下，評價(jià)函數(shù)的構(gòu)造將不同于單一電源的情況。因?yàn)榇藭r(shí)某一設(shè)備故障后，故障點(diǎn)和每個(gè)電源點(diǎn)（此時(shí)電源點(diǎn)不止一個(gè)）之間的測控點(diǎn)都會有故障電流流過，若按單一電源情況下的是否經(jīng)歷故障電流的求解方法將不能正確地判定故障區(qū)間。因此對于多電源的情況，需確定故障電流的方向性。先給各饋線來確定一個(gè)正方向：假定該網(wǎng)絡(luò)只由其中某一個(gè)電源供電（該電源可以任意選?。伨€的正方向就是由該假定電源向全網(wǎng)供電的功率流出方向。對于一個(gè)假定了正方向的配電網(wǎng)，就可以利用單一電源情況下的遺傳算法來進(jìn)行故障定位了。考慮了配電網(wǎng)方向性之后，某個(gè)測控點(diǎn)的

19、狀態(tài)值為：表達(dá)式的求解與單一電源情況類似。某個(gè)測控點(diǎn)的期望狀態(tài)值等于某幾個(gè)饋線段狀態(tài)值的或運(yùn)算，參與或運(yùn)算的饋線段的集合就是若其中任一饋線發(fā)生故障，則均有故障電流以正方向流過這一測控點(diǎn)的那些相關(guān)饋線段。其它變量的定義及評價(jià)函數(shù)表達(dá)式與單一電源情況下的完全相同。由此可見，在考慮了正方向之后，多電源配電網(wǎng)的故障定位問題實(shí)際上已轉(zhuǎn)化為了單一電源情況下的故障定位問題。3.3形成初始解群在主站接收到故障信息時(shí),根據(jù)進(jìn)線斷路器的保護(hù)信息(速斷、限時(shí)速斷、過流)的不同形成不同的初始解群。若保護(hù)信息為速斷,則初始解群中進(jìn)線斷路器出口處設(shè)備狀態(tài)為1(設(shè)備故障)的解多一些;若為限時(shí)速斷,則配網(wǎng)中間設(shè)備狀態(tài)為1的初

20、始解多一些;若為過流,則位于配網(wǎng)末端狀態(tài)為1的初始解多一些。這樣可以大大地降低遺傳算法的搜索次數(shù)。初始解群隨機(jī)選取，但群體大小N得控制得當(dāng)。當(dāng)N取值較小時(shí)，可提高遺傳算法的運(yùn)算速度，但卻降低了群體的多樣性；而當(dāng)N 取值較大時(shí)，又會使得遺傳算法的運(yùn)行效率降低。計(jì)算每個(gè)初始解的適應(yīng)值時(shí),從中選出適應(yīng)值較大的解,組成匹配集。3.4遺傳操作遺傳操作包括選擇、交叉和變異操作過程。3.4.1選擇選擇是指從群體中選擇優(yōu)良個(gè)體并淘汰劣質(zhì)個(gè)體的操作。 將父代群體中的每一個(gè)染色體進(jìn)行適應(yīng)度評估，適應(yīng)度越大，表示品種越優(yōu)良，被選中的幾率也越大。目前在遺傳算法中最基本也是最常用的選擇方法是輪盤賭方法，又稱適應(yīng)度比例法

21、。 設(shè)群體的大小為 N，個(gè)體的適應(yīng)度為，則個(gè)體 i 被選擇的概率為: （3）被選中的個(gè)體被放入配對庫中隨機(jī)進(jìn)行配對，以進(jìn)行下面的交叉操作。3.4.2 交叉交叉是指把兩個(gè)父代個(gè)體的部分結(jié)構(gòu)加以替換重組而生成新個(gè)體的操作，交叉的目的是為了能夠在下一代產(chǎn)生新的個(gè)體。 通過交叉操作，遺傳算法的搜索能力得以飛躍性的提高。交叉是 GA 獲取新優(yōu)良個(gè)體的最重要手段。 最簡單的交叉方法是一點(diǎn)交叉， 又稱為簡單交叉。具體操作是：在個(gè)體串中隨機(jī)選定一個(gè)交叉點(diǎn)，兩個(gè)個(gè)體在該點(diǎn)前或后進(jìn)行部分互換，以產(chǎn)生新的個(gè)體。 舉例如下：交叉交叉點(diǎn)X:0000111 X:0000001Y:1111001 Y:1111111交叉操作

22、是按照一定的交叉概率 Pc （也稱交叉率）在配對庫中隨機(jī)選取兩個(gè)個(gè)體進(jìn)行的， Pc 的值一般比較大，在 0.6 0.9 之間。3.4.3 變異變異是隨機(jī)地改變?nèi)后w中個(gè)體的某些基因的值，舉例如下：變異變異點(diǎn)X:0010111 X:0010101變異與選擇、交叉結(jié)合在一起，就能避免因選擇和交叉算子引起某些信息永久性丟失，保證遺傳算法的有效性。 變異率 Pm 通常取很小的值，如 0.001，若 Pm 過大，遺傳算法就退化為隨機(jī)搜索，將失去它的某些重要特性?？傊z傳算法的通用流程框圖見圖 3.1 所示。圖3.1 遺傳算法的通用流程框圖4 編程與實(shí)現(xiàn)在了解了基本原理之后，給出了基于遺傳算法的MATLA

23、B故障定位程序和運(yùn)行結(jié)果。4.1 MATLAB程序根據(jù)第三章闡述的遺傳算法，編寫的程序如下：4.1.1 將二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制%Name: decodechrom.mfunction pop2=decodechrom(pop,spoint,length)pop1=pop(:,spoint:spoint+length-1); %是否為pop1=pop(:,spoint, spoint+length-1) pop2=decodebinary(pop1);4.1.2 計(jì)算行向量并求和%Name: decodebinary.mfunction pop2=decodebinary(pop)px,py=

24、size(pop); %求pop的行和列數(shù)for i=1:py pop1(:,i)=2.(py-1).*pop(:,i); py=py-1;endpop2=sum(pop1,2);%求pop1的每行之和，B=sum(A,dim),只對A中第dim維的元素進(jìn)行計(jì)算，dim=1，計(jì)算A中各列元素之和；dim=2，計(jì)算A中各行元素之和4.1.3 解群初始化%Name: initpop.mfunction pop=initpop(popsize,chromlength)pop=round(rand(popsize,chromlength); %rand隨機(jī)產(chǎn)生單元為（0,1），行數(shù)為popsize,列

25、數(shù)為chromlength的矩陣%round對矩陣的每個(gè)單元進(jìn)行四舍五入的化整，由此形成初始解群4.1.4 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算%Name: calobjvalue.mfunction objvalue=calobjvalue(pop)temp1=decodechrom(pop,1,10); %將pop每行轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)x=temp1*10/1023; %轉(zhuǎn)化成變量域中的數(shù)objvalue=10*sin(5*x)+7*cos(4*x); %計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值4.1.5計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)值%Name:calfitvalue.mfunction fitvalue=calfitvalue(objvalue)g

26、lobal Cmin; %定義Cmin為全局變量Cmin=0;px,py=size(objvalue);for i=1:px if objvalue(i)+Cmin>0 temp=Cmin+objvalue(i); else temp=0.0; end fitvalue(i)=temp;endfitvalue=fitvalue'4.1.6 選擇%Name: selection.mfunction newpop=selection(pop,fitvalue)totalfit=sum(fitvalue);%求適應(yīng)值之和fitvalue=fitvalue/totalfit;%單個(gè)個(gè)體被

27、選擇的概率 fitvalue=cumsum(fitvalue); %累積概率 px,py=size(pop);ms=sort(rand(px,1); %將rand（px,1）產(chǎn)生的一列隨機(jī)數(shù)變成輪盤賭的表示方式，從小到大排列fitin=1; newin=1; while newin<=px if(ms(newin)<fitvalue(fitin) %ms（newin）表示的是第ms列向量中第newin位數(shù)值，fitvalue(fitin)同理 newpop(newin)=pop(fitin); %賦值，將舊種群中第（fitin）個(gè)個(gè)體保留到下一代（newpop）newin=newi

28、n+1; else fitin=fitin+1; endend4.1.7 交叉%Name: crossover.mfunction newpop=crossover(pop,pc)px,py=size(pop);newpop=ones(size(pop); %定義一個(gè)px*py維矩陣or i=1:2:px-1 if(rand<pc) %rand隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)單元（0,1），交叉概率為0.6cpoint=round(rand*py); %以 cpoint為交叉點(diǎn)，交叉后產(chǎn)生新的子個(gè)體newpop(i,:)=pop(i,1:cpoint),pop(i+1,cpoint+1:py);newpop

29、(i+1,:)=pop(i+1,1:cpoint),pop(i,cpoint+1:py);elsenewpop(i,:)=pop(i);newpop(i+1,:)=pop(i+1);endend4.1.8 變異%Name: mutation.mfunction newpop=mutation(pop,pm)px,py=size(pop);newpop=ones(size(pop);for i=1:pxif(rand<pm) %rand隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)單元（0,1），變異的概率pm為0.001 mpoint=round(rand*py); if mpoint<=0 %子循環(huán)，使mpoin

30、t大于等于1 mpoint=1; end newpop(i)=pop(i); if any(newpop(i,mpoint)=0 %子循環(huán)，將i行mpoint列元素變異 newpop(i,mpoint)=1; else newpop(i,mpoint)=0; end else newpop(i)=pop(i); %其余不變異 endend4.1.9求出群體中適應(yīng)值最大的值%Name: best.mfunction bestindividual,bestfit=best(pop,fitvalue)px,py=size(pop);bestindividual=pop(1,:);bestfit=fi

31、tvalue(1);for i=2:px if fitvalue(i)>bestfit bestindividual=pop(i,:); bestfit=fitvalue(i); endend4.1.10 主函數(shù)%Name:genmain05.mclearclfpopsize=20; %群體大小chromlength=10; %字符串長度（個(gè)體大?。﹑c=0.6; %交叉概率pm=0.001; %變異概率pop=initpop(popsize,chromlength); %隨機(jī)產(chǎn)生初始解群 for i=1:20 %迭代次數(shù)20objvalue=calobjvalue(pop); %計(jì)算目

32、標(biāo)函數(shù)fitvalue=calfitvalue(objvalue); %計(jì)算群體中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度 newpop=selection(pop,fitvalue); %選擇newpop=crossover(pop,pc); %交叉newpop=mutation(pop,pm); %變異 bestindividual,bestfit=best(pop,fitvalue); %求出群體中適應(yīng)值最大的個(gè)體及其適應(yīng)值 y(i)=max(bestfit);n(i)=i;pop5=bestindividual;x(i)=decodechrom(pop5,1,chromlength)*10/1023; pop

33、=newpop;endfplot('10*sin(5*x)+7*cos(4*x)',0 10)hold onplot(x,y,'r*')hold offz index=max(y); %計(jì)算最大值及其位置x5=x(index) %計(jì)算最大值的x值y=z其中，主函數(shù)中的很多參數(shù)根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修改，這里給出的是一種可能的值。4.2運(yùn)行結(jié)果在配電網(wǎng)中，有單電源供電方式和多電源供應(yīng)方式。其中多電源供電可以看做是多個(gè)單電源供電的合成，體現(xiàn)在遺傳算法中就是故障電流為正時(shí)函數(shù)值為1，而不留過故障電流或故障電流為負(fù)時(shí)函數(shù)值為0，這里的正負(fù)相對于單電源供電方式而言。

34、4.2.1單電源供電方式的故障定位圖4.1 單電源供電的饋線圖圖4.1是單電源供電的饋線,算例采用隨機(jī)抽取元件作為故障設(shè)備,假設(shè)S3處發(fā)生故障，從配電自動化系統(tǒng)FTU得到的故障電流信息為:k1=1,k2=1,k3=1,k4=0,k5=0,k6=O,Ll=0。利用本文提出的遺傳算法來進(jìn)行故障定位,設(shè)種群大小和評價(jià)函數(shù)中的N的大小為開關(guān)數(shù)的兩倍,即N=14。在此例子中,評價(jià)函數(shù)最大值為14,個(gè)體基因個(gè)數(shù)即為元件的個(gè)數(shù)，這里為6，第一代種群通過隨機(jī)產(chǎn)生如下:表4.1 單電源供電方式下第一代隨機(jī)種群序號個(gè)體適應(yīng)度值01010011111001101021100101030011110840000011

35、35111110086111101087100000128101111079000101111001101109110000111112011000131301001011當(dāng)種群通過遺傳操作到第4代時(shí),出現(xiàn)了最大適應(yīng)度值14的個(gè)體7,滿足約束條件，結(jié)束計(jì)算,個(gè)體7中的基因值為1所對應(yīng)的元件S3即為故障元件。表4.2 操作4次后的結(jié)果序號個(gè)體適應(yīng)度值00000011311111100821000001230110001341100001251001101060111110770010001481001101091111010810101111071110100111120111110713100

36、01011以上經(jīng)算法計(jì)算所得到的結(jié)果與假設(shè)的一致。4.2.2多電源供電方式的故障定位由于在實(shí)際運(yùn)行中,國內(nèi)的配電網(wǎng)都是以樹形結(jié)構(gòu)運(yùn)行的，因此在進(jìn)行多電源供電方式算例分析時(shí),選用了聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合后形成的饋線圖作為算例的模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?如圖4.2所示。首先,設(shè)圖中的S3處發(fā)生故障,根據(jù)文中故障電流方向的定義,可從配電自動化系統(tǒng)中的SCADA監(jiān)控中心得到各開關(guān)的故障電流信息為Kl=l;K2=1;K3=l;K4= 1;Ll=1; K5=O;K6=0;K7=l;K8=l;K9=0;K10=O。此時(shí)算法中的種群大小為22,評價(jià)函數(shù)中的N為22,個(gè)體的基因數(shù)為10。圖4.2 多電源供電的饋線圖第一代種群通過隨機(jī)

37、產(chǎn)生如下:表4.3 多電源供電方式下第一代隨機(jī)種群序號個(gè)體適應(yīng)度值01110010110111001101010113200110010101531100010110124111001110108510011110110761010101001107100011100012810110001001591010000010171011011010001211001101010016120101100010151300110011011314101001000017151001100011121611110100001417111101101107181000100011131900010010101520