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基于量子遗传算法的电网碳排放优化模型

来源:华佗健康网
第28卷第2期 2015年2月 广东电力 GUANGDoNG ELECTRIC pOWER VoL 28 NO.2 Feb.2015 doi:10.3969/j.issn.10()7—290X.2015.02.009 基于量子遗传算法的电网碳排放优化模型 孔灿 ,郑理民 ,黄琳妮 ,张孝顺 ,余涛。 (1深圳供电局有限公司,广东深圳5l8001;2.华南理工大学电力学院,广东广州510640) 摘要:针对电网企业在碳排放评估时忽略电能产生和传输过程的问题,引用比例分享碳排放模型对电网进行碳 排放评估。在考虑经济性和安全性的前提下,引入网损的总碳排放率指标,建立了基于量子遗传算法(quantum genetic algorithm,OGA)的电网碳排放优化模型。该模型将目标函数值作为个体适应度值的评估依据,并通过 量子旋转门对动作进行调整,最终选出最优个体和其相应的目标值。IEEE 39节点仿真实例表明QGA可更好地 解决电网碳排放评估和优化等问题,且与传统遗传算法相比,QGA具有更好的适应性。 关键词:比例分享;碳排放优化;量子遗传算法;遗传算法 中图分类号:TM 714 文献标志码:A 文章编号:1007-290X(2015)02-0045—05 Optimization Model for Power Grid Carbon Emission Based on Quantum Genetic Algorithm KONG Can ,ZHENG Limin2,HUANG Linni ,ZHANG Xiaoshun2,YU Tao2 (1.Shenzheng Power Supply Bureau Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518001,China;2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong 510640,China) Abstract:In allusion to problems of power grid enterprises neglecting electric power generation and transmission in evalua・ ting carbon emission,carbon emission model based on proportional sharing was introduced into evaluation on power grid car- bon emission.On premise of economy and security,index of total carbon emission rate of network loss was introduced to es— tablish the optimization model for power grid carbon emission based on quantum genetic algorithm(QGA).This model re- garded objective function value as evaluation basis for individual fitness and could adjust action by quantum rotating gate.Fi— nally,it was able to select optimal individual and relevant target value.Simulation example of IEEE 39 node indicates that QGA is preferably feasible to solve problems about evaluation and optimization on power grid carbon emission.In addition, OGA is provided with better adaptability compared with traditional genetic algorithm. Key words:proportional share;carbon emission optimization;quantum genetic algorithm;genetic algorithm 化石能源的过度开采和使用已经引起了许多全 球气候问题,而国际上普遍认为以CCh为代表的温 碳交易市场『2]以碳排放权的买卖来控制Co , 交易的基础即基于正确地对企业的碳排放进行评 室气体是引起气候变化的主要原因。电力企业作为 主要的能耗企业_1],是节能减排的主要目标对象, 估。电网企业在电能传输过程中参与其输电环节, 因此其碳排放评估应为电网传输过程中产生的网损 所消耗的碳排放量。而目前电网企业依赖于传统的 简单的碳排放转换系数的方法进行碳排放交易,此 方法忽略了能源的传输过程,无法准确的评估电网 的碳排放情况。文献E3]提出与潮流相对应的碳排 因此有必要在考虑经济的前提下,兼顾环境的因素, 在系统运行过程中引人对032的控制和优化。 收稿日期:2014—09—17 基金项目:国家自然科学基金项目(51177051,51477055) 放流的概念,用于分析co:的实际流向。文献E4] 在此基础上根据Bialek提出的基于比例共享原 广东电力 第28卷 则_5 建立了用户侧的碳排放强度的评估原则与模 型,定量地计算出用户侧实际的碳排放。文献[6] 将发电侧的碳排放作为目标值引入动态潮流中来优 化电网的碳排放。电网碳排放的优化的实质即在满 足特定的系统运行和安全约束下,将碳排放评估值 作为目标值之一,通过调整系统中可利用的控制手 段实现碳排放更少的系统状态,本文将此过程称为 碳排放评估模型的优化。 碳排放优化模型问题与最优潮流[7 均为多目标 的优化问题。对于多目标优化问题的求解,有经典 的数学方法,如简化梯度法,牛顿法,内点法等, 但由于其收敛速度慢等问题,不适合求解实际电网 的优化问题。遗传算法(genetic algorithm,GA) 和神经网络算法等人工智能算法,不需要严格的数 学模型,搜索速度快,但容易陷入局部最优。为此 本文将采用量子遗传算法(quantum genetic algo. rithm,QGA)对碳排放优化模型进行求解。 QGAE ]以量子运算原理为基础,将遗传编码通过 量子的态矢量表达来实现,对个体染色体的更新运 用量子逻辑门来完成,解决了GA因选择、交叉、 变异方式不当而带来的局部收敛问题,被广泛用于 组合优化、机器学习、自适应控制、规划设计和人 工生命等领域。 1碳排放优化模型 1.1碳排放评估模型 电网的碳排放是为评估电网的清洁性而提出的 一种虚拟概念,其中发电厂为碳源l3],碳排放随着 有功潮流而转移,随着电能的消耗产生。因此电网 仅在有网损的情况下产生碳排放,故本文将以网损 的碳排放率的总和C出来评价CO 排放情况。碳排 放率的数值等于电力有功流与相对应电源侧碳排放 强度的乘积。 C出的求解是以潮流追踪为基础_4],按照比例 共享原则_5],来追溯各用户应承担的网损及网损来 源,对于 节点的网络有 Pa=LP , (1) P =L( ,k)×P (k). (2) 式中:Pd为负荷节点应承担的网损,Pd∈R ; 为发电机节点的出力, ∈ ;L为负荷承担的网 损来自相应发电机的比例分布矩阵;P 为节点i 承担的网损来自第k台发电机的份额。 下面将以图1所示的简易电网为例说明碳排放 评估过程。 图1碳排放评估实例 由图1可知,负荷节点3承担线路L12和L13 的网损,负荷节点4承担线路L24的网损。其中 线路L12和L24均由发电机B供电,线路L13则 由发电机A、B共同供电,按比例共享原则可得, 线路L13的网损来自发电机A、B的值分别为: P (13.A)=PL0ss13X1o0/(100+142), PLo (13.B)=P 13×142/(100+142). 则负荷3和负荷4承担的网损来自发电机A 的部分占发电机A出力的比例分别为: L(3,1):P ( Aj/JPGA,L(4,1)=0. 同理,负荷3、负荷4承担的网损来自发电机 B的部分占发电机B出力的比例分别为: L(3,2)=PL0 3,B)/PGB;L(4,2)=P s24/PGB. 其中PGA、PGB分别为发电机A、B的有功出力。 以 酞表示第k台机组的碳排放强度(设有 台机组,且 ∈Rs),则可得 C出=∑∑( P ). (3) i∈ k∈S 1.2 目标函数 本文的碳排放优化模型考虑系统安全性,目标 函数取电网的C出、网损和电压稳定分量的线性叠 加值 的最小值,即 minf1=W1×PLos (X)+w2 X Pd ( )+ (1一w1一w2)×U. (4) 式中:P (X)为电网网损碳排放率总和分量; P出( )为电网的有功网损分量;U为电压稳定分 量E ;w1和w2分别为P ( )和Pd (X)对应的 权重系数,且W1、W2∈[0,1],w1+W2≤1; X={U。,【, ,P ,c,Q ,Qo)分别指发电机的 机端电压值、负荷节点电压、平衡节点的有功出 力、有载调压变压器变比、无功补偿容量、发电机 的无功出力。 1.3约束条件 此碳排放评估模型需满足发电机的无功出力、 第2期 孔灿,等:基于量子遗传算法的电网碳排放优化模型 47 发电机平衡节点有功出力、负荷节点电压的约束。 本文将状态变量约束的越限采用罚函数方式进 行处理 ,其中惩罚因子取值为1,则目标函数的 更新值厂可表示为 minf=l厂1+N. (5) 式中JⅣ为越限的状态变量的个数。 2基于QGA的碳排放优化算法 QGA是量子计算与GA相结合的产物,是一 种基于量子计算原理的概率优化方法l_1 ,具有种 群规模小而不影响算法性能、收敛速度快和全局寻 优能力强的特点。 2.1量子门设置 QGA采用量子位编码来表示染色体,用量子 门作用和量子门更新来完成进化搜索,本文采用一 种通用的、与问题无关的调整策略——量子旋转门 来执行个体的演化,量子旋转门的调整操作为 uR: LSln 叫]. (6cOS -jJ . 6 ) 式中:u 为量子旋转门,0为旋转角。 2.2适应度函数 QGA的适应度函数体现整个系统优化的方 向。因此本文以式(5)为基础,构造QGA的适应 度函数为 f =一f. (7) 2.3计算流程 本文基于QGA的碳排放优化算法的计算步骤 如下E 。 步骤1:初始化种群Q(t。),随机生成n个以 量子比特为编码的染色体; 步骤2:对初始种群Q(t )中的每个个体进行 一次测量,得到对应的确定解P(t。); 步骤3:对各确定解进行适应度评估; 步骤4:记录最优个体和对应的适应度; 步骤5:判断计算过程是否可以结束,若满足 结束条件则退出,否则继续计算; 步骤6:对种群Q(t)中的每个个体实施一次 测量,得到相应的确定解; 步骤7:对各确定解进行适应度评估; 步骤8:利用量子旋转门U(t)对个体实施调 整,得到新的种群Q(t+1); 步骤9:记录最优个体和对应的适应度; 步骤10:将迭代次数加1,返回步骤5。 3算例分析 本文在MATLAB仿真平台上,借助Mat— power软件包中的潮流计算程序实现该算法,并在 1.40 GHz主频、4.00 G内存的计算机上对IEEE 标准算例进行了仿真。以IEEE 39节点系统为例 进行测试,该系统共计包含10台发电机,46条支 路,21个负荷,12条可调变压器支路,3台并联 电容器,接线如图2所示,接线图的具体参数见文 献[13]。计算所有数据取有名值。此外,为验证 QGA的性能,算例中引入GA的仿真结果与之比 较分析[1 。 \ /\ — 0 — 37 水电 菇 一1。_柙23 2 l! 38\l 一J=r_6T —_20 IT l 22 LT一  图2 IEEE 39节点系统 3.1仿真模型 为使算例的求解更具一般性和有效性,本文对 图3所示的某地区电网的日负荷曲线的4个峰谷负 荷值进行仿真。 ≥ j四 枢 {. 时刻 4个负荷点对应的坐标分别为:1一(4:4O,4 185.639),2一(8: 20,6 254.23),3一(14:50,5 027 535),4一(19:10,8 398.865)。 图3某地区电网日负荷曲线 广东电力 第28卷 表1为负荷变化节点在各负荷点下的负荷值。 表1不同负荷点负荷情况统计 不同负荷点下网损碳排放率总和及有功网损的 权重系数见表2。在负荷重时,则增加W ,即凸 显对系统安全性的重视,对电压稳定分量赋予高权 重值;负荷轻时,则减小W ,即凸显对系统经济 性和环保性的重视,其相关系数有较高的权重。在 设定时,W 和W 取相等值。 表2不同负荷点权重设定值统计表 由于在电力系统运行中,有功、无功呈现弱耦 合关系,因而本文在选择动作时,只选取关键节 点、线路的控制装置作为控制变量,而不再考虑发 电机的有功出力的变化。此文分别选取了线路6— 31,10—32,20—34,29—38的有载调压变压器 的分接头,电压变化范围为0.97~1.03(标幺值), 每一档为0.03(标幺值);节点18、28、29处的无 功变化范围为:10 ̄35 Mvar,每一档为5 Mvar, 则动作空间为:3 ×6。=17 496。而不等式约束的 个数为:1()+1+29=40,分别代表发电机的无功 出力,发电机平衡节点的有功出力和负荷节点的电 压。参照《2006年IPCC国家温室气体清单指南》, 每台发电机的碳排放相关属性见表3。 3.2算例分析 本文QGA参数设置如下:种群规模为5O,最 大迭达次数为40。分别采用QGA和GA对系统进 行15次优化计算,表4给出了各个负荷点下,两 种算法的15次优化结果的平均值。可以看出,GA 跟QGA的收敛结果接近,表明两种算法在求解此 模型的合理性。其中QGA在目标函数值,网损, 碳排放率,电压稳定值的最终收敛值均优于GA, 表明QGA在优化该模型时具有更好的效果。 表3 IEEE 39节点机组碳排放相关属性 表4不同负荷点下收敛结果统计表 各个算法的运行收敛性能比较统计见表5,其 中统计结果是指各种算法运行15次的目标函数的 统计值,包括15次计算中目标函数值的最大值, 最小值,目标函数值的方差及标准差。 表5各个算法的运行收敛性能统计表 第2期 孔灿,等:基于量子遗传算法的电网碳排放优化模型 可以看出,在各个负荷点下,虽然QGA收敛 速度比GA稍慢,但其收敛时间的方差和标准差具 有明显优势,计算相对稳定,具有更高可靠性,能 更好地满足电网在线滚动优化的需要。 4结束语 电网对清洁性的重视令如何在保证安全性 的前提下兼顾到电网经济性和环保性成为一个 重要课题。本文分析了基于QGA碳排放优化模 型,提出了用网损的碳排放率来评估电网的碳 排放的理念,并用罚函数的方法将越限的约束 加入目标函数中,用线性加权的方式来设计模 型的目标函数,采用QGA有效地解决了该模 型。仿真结果表明QGA在复杂混合的非线性规 划问题解决方面具有较快的收敛速度和较好的 全局搜索能力。 参考文献: [1]李现忠,蔡兴国,付春梅.碳交易机制下考虑节能减排的竞价 交易模式_J].电力系统自动化,2011,35(1()):48—52. 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