盛四清,劉 夢,李亮亮
(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定071003)
在能源危機(jī)和環(huán)境污染的背景下,分布式電源(distributed generation,DG)因其大多為可再生能源發(fā)電、能源利用率高、對環(huán)境友好等特點(diǎn),得到廣泛關(guān)注,其在配電網(wǎng)中的滲透率不斷增大成為一種發(fā)展趨勢[1-3]。為了使配電網(wǎng)可以兼容及應(yīng)用大規(guī)模間歇式可再生能源,提升綠色能源利用率,優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)問題,主動配電網(wǎng)(Active Distributed Net,ADN)[4]應(yīng)運(yùn)而生。在2012年的CIGRE年會上,鑒于大量分布式能源(distributed energy resource,DER)接入配電網(wǎng),CIGRE C6 將ADN 改稱為主動配電系統(tǒng)(active distribution system,ADS)[5]。
國內(nèi)外學(xué)者對主動配電系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化問題做了大量研究。文獻(xiàn)[6]為提高對ADN 的優(yōu)化效率,基于供蓄能力指標(biāo)建立了以降低ADN 總負(fù)荷波動為目標(biāo)的優(yōu)化運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[7]建立了基于三相Distflow 潮流的ADN 有功-無功協(xié)調(diào)動態(tài)優(yōu)化模型,采用二階錐松弛技術(shù)將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[8]通過控制DG 輸出和無功補(bǔ)償設(shè)備等可控資源對ADN 運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[9]提出了基于多代理控制器含DG 的ADN 的孤島運(yùn)行模型,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,可使ADN 從系統(tǒng)分離作為應(yīng)急措施,以穩(wěn)定ADN的電壓和頻率。主動配電系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化問題本質(zhì)上是一個多目標(biāo)、多約束條件、非線性的優(yōu)化問題,但是上述研究建立的目標(biāo)函數(shù)都比較單一,略顯簡單,使優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果具有一定的局限性。
基于上述背景,綜合考慮主動配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和削峰能力的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行模型將更為全面。通過引入潮流平衡、燃?xì)廨啓C(jī)爬坡、蓄電池充放電效率等相關(guān)約束,建立了以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本和凈負(fù)荷方差兩個運(yùn)行指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù),綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和削峰能力的主動配電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型。針對傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法種群多樣性保持性差和易陷入局部最優(yōu)解的缺點(diǎn),采用反向?qū)W習(xí)機(jī)制及引入改進(jìn)的算術(shù)交叉算子,對傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行了改進(jìn),提出了基于改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法的主動配電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法,并利用逼近理想解排序法(technique for order performance by similarity to ideal solution,TOPSIS)[10]對帕累托最優(yōu)解集中的個體進(jìn)行排序,篩選出最優(yōu)方案。
主動配電系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力由自然條件決定,具有隨機(jī)性和波動性的特點(diǎn),為了充分利用這些綠色可再生能源,其發(fā)電方式采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模式[11-12],不對其進(jìn)行出力優(yōu)化。主動配電系統(tǒng)的優(yōu)化變量為可控DG 單元—燃?xì)廨啓C(jī)和儲能單元[13](選用蓄電池)。本文假設(shè)在單位時間段內(nèi)負(fù)荷、DG 和蓄電池輸出功率大小不變。
1.1.1 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本
主動配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電最大化利用的前提下,使其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本最低,燃?xì)廨啓C(jī)和儲能單元作為優(yōu)化變量,當(dāng)儲能單元充電時看作用電負(fù)荷,放電時看作電源。以每天購電成本最低為目標(biāo)函數(shù),表示如下:
式中:ΔT 為單位時間段;T 為完整運(yùn)行周期可以劃分的單位時間階段數(shù);n 為主動配電系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的個數(shù);m 為儲能單元的個數(shù);a 為DG 的個數(shù);Ce(t)為t 時刻單位購電費(fèi)用;Ck(t)和Pmt,k(t)為第k 個燃?xì)廨啓C(jī)在t 時刻的發(fā)電成本和輸出功率;Pdg,i(t)為第i 個DG 在t 時刻的輸出功率;Pess,j(t)為第j 個儲能單元在t 時刻的輸出功率;Pld(t)為主動配電系統(tǒng)在t 時刻的總負(fù)荷;Pnl(t)為主動配電系統(tǒng)在t 時刻的凈負(fù)荷。
1.1.2 凈負(fù)荷方差
儲能單元可以緩解間歇性能源發(fā)電的功率波動性、平滑功率輸出。DG 與儲能單元相結(jié)合,可以有效削減峰值負(fù)荷,平滑凈負(fù)荷曲線。凈負(fù)荷方差越小說明系統(tǒng)的削峰效果越好。
式中:Pnl,av(t)為主動配電系統(tǒng)在t 時刻的凈負(fù)荷平均值。
(1)潮流平衡約束
(2)節(jié)點(diǎn)電壓約束
(3)DG 輸出功率約束
(4)燃?xì)廨啓C(jī)爬坡率約束
(5)儲能單元(本文僅考慮蓄電池)約束
當(dāng)Pbat,j(t)≥0 時,蓄電池放電,t 時刻剩余容量為
當(dāng)Pbat,j(t)≤0 時,蓄電池充電,t 時刻剩余容量為
式中:Pi、Qi節(jié)點(diǎn)i 注入的有功、無功功率;Ui、Uj為節(jié)點(diǎn)i、j 的電壓幅值;Gij、Bij節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的實部、虛部;δij節(jié)點(diǎn)i 和j 之間的相角差;、為節(jié)點(diǎn)i 最大、最小節(jié)點(diǎn)電壓;為第i 個DG 輸出功率的上、下限;Pmt,i(t)、Pmt,i(t-1)為燃?xì)廨啓C(jī)i 在t、t-1 時刻的輸出功率;γi為燃?xì)廨啓C(jī)i 的最大爬坡速率;Δt 為一個時間段的時長;Pbat,j(t)為第j 個蓄電池在t 時刻的輸出功率。
NSGA-Ⅱ算法將所有個體分層,并計算每個個體分配擁擠距離,擁擠距離越大表明個體所處區(qū)域越“稀疏”。在比較個體優(yōu)劣時,層數(shù)越小的個體將被視為更優(yōu),同層個體擁擠距離大的為更優(yōu)[14]。本文為提高傳統(tǒng)NSGA-Ⅱ算法的全局搜索能力和種群多樣性,避免種群陷入局部帕累托最優(yōu)解集,對算法進(jìn)行了改進(jìn)。
2.1.1 對初始種群的改進(jìn)
傳統(tǒng)NSGA-Ⅱ算法的初始種群是隨機(jī)產(chǎn)生的,易使種群陷入局部帕累托最優(yōu)解集,出現(xiàn)早熟現(xiàn)象,使種群很難得到全局的帕累托最優(yōu)解集。為了解決初始種群分布問題,Tizhoosh 提出了反向?qū)W習(xí)機(jī)制(opposition-based learning,OBL),并用數(shù)學(xué)證明,在一般情況下,相反數(shù)比單純隨機(jī)數(shù)更有可能更接近最優(yōu)解[15]。
隨機(jī)初始化,得到初始種群P,根據(jù)式(12)將初始種群P 中的N 個個體(N 為種群數(shù))反向產(chǎn)生N 個反向個體,得到反向群體OP,計算P∪OP中所有個體的適應(yīng)度值并進(jìn)行排序篩選出N 個適應(yīng)度值好的個體作為新的初始種群。由此,可以提高找到更好初始種群的概率,從而抑制算法的早熟現(xiàn)象。
2.1.2 交叉算子的改進(jìn)
傳統(tǒng)NSGA-Ⅱ算法的交叉算子為模擬二進(jìn)制交叉算子(Simulated Binary Crossover,SBX),其全局搜索能力較差,不能很好地保持種群的多樣性。為了改善這一缺點(diǎn),引入算術(shù)交叉算子[16]。算術(shù)交叉操作如下:
為了使種群中等級優(yōu)、分布度好的個體的基因,在后代個體基因中占據(jù)的較大的比例,算術(shù)交叉算子系數(shù)結(jié)合了種群帕累托非支配排序等級和擁擠距離信息[17]。
式中:irank、jrank為當(dāng)代個體i、j 的非支配排序等級;idist、jdist表示當(dāng)代個體i、j 的擁擠距離。這樣,在算法前期,使較優(yōu)個體的基因得到保留,加快了算法的運(yùn)算速度;在算法后期,使分布較好的個體基因得到保留,提高了算法的多樣性,從而使算法具有很強(qiáng)的全局搜索能力。
行政事業(yè)單位本身具有特殊性,官本位的思想長期存在,對審計、監(jiān)督上的工作不夠重視。因此,發(fā)揮外部審計具有十分關(guān)鍵的作用。但是發(fā)揮外部審計的時候,需要注意以下問題,一是要進(jìn)行抽檢,抽檢時間不定,一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)大搜查范圍,讓搜查更加具有隨機(jī)性,對內(nèi)部控制的審計,可以并入到其他審計工作中去。第二,要對政府審計與注冊會計師審計的范圍進(jìn)行明確的劃分,以政府審計為主,其他審計為輔。
本文所提的改進(jìn)NSGA-II 算法步驟如下:
(1)初始化。輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù),隨機(jī)產(chǎn)生種群規(guī)模為N 的初始種群W0,利用反向?qū)W習(xí)方法,得到反向群體OW0,計算W0∪OW0中所有個體的適應(yīng)度值并進(jìn)行排序,篩選出N 個適應(yīng)度值好的個體作為新的初始種群。
(2)快速非支配排序。根據(jù)快速非支配排序策略,比較W′0中各個體的目標(biāo)函數(shù)值,將各個體進(jìn)行分級排序,計算各層級中各個體的擁擠距離。
(3)錦標(biāo)賽選擇。通過錦標(biāo)賽準(zhǔn)則在種群Wg隨機(jī)選出N/2 個個體進(jìn)行比較,從中選出最優(yōu)個體,重復(fù)N 次,形成父代種群Pg。
(4)生成子代種群。利用算術(shù)交叉算子和多項式變異算子對父代種群Pg進(jìn)行交叉、變異操作,生成子代種群Qg。
(5)種群混合。將父代種群Pg和子代種群Qg混合成種群規(guī)模為2N 的中間種群Mg,對中間種群Mg進(jìn)行快速非支配排序。
(6)種群更新。在一個種群規(guī)模為N 的空種群中依次填加層級1,2…的非支配個體集合,直到進(jìn)一步填加層級i 后種群規(guī)模將超過N,對層級i中個體按擁擠距離由大到小逐個填充直到種群規(guī)模等于N,形成了新種群Wg+1。
最終得到的新種群Wg+1即為優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解集。
多目標(biāo)優(yōu)化問題的最優(yōu)解與各子目標(biāo)最優(yōu)解密切相關(guān),但各子目標(biāo)之間彼此相互矛盾很難同時達(dá)到最優(yōu)。因此,如何從帕累托最優(yōu)解集中選出全局最優(yōu)解是一個需要解決的問題。本文利用TOPSIS 法對優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解集中的個體進(jìn)行排序,篩選出最優(yōu)解。基于TOPSIS 法的多目標(biāo)處理決策過程如下。
(1)將各方案對應(yīng)的兩個子目標(biāo)函數(shù)值統(tǒng)一作歸一化處理。將帕累托最優(yōu)解集中的N 個方案對應(yīng)的各個目標(biāo)函數(shù)值歸一化處理過程如下:
式中:fmn為第n 個方案對應(yīng)的第m 個目標(biāo)函數(shù)的值;f′mn為第個n 方案對應(yīng)第個m 目標(biāo)函數(shù)的歸一化值。
(2)篩選出最優(yōu)方案。分別計算各方案與虛擬最優(yōu)方案的相對距離Ln,Ln的值越小說明此備選方案越接近“虛擬最優(yōu)解”越遠(yuǎn)離“虛擬最劣解”。通過比較Ln的大小對N 個方案進(jìn)行排序,篩選出Ln值最小的方案,即為最優(yōu)方案。
方案n 與虛擬最優(yōu)方案的相對距離Ln計算過程如下:
本文采用的主動配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)包含兩電源點(diǎn),3 條饋線,44 個節(jié)點(diǎn),分布式發(fā)電單元及儲能單元共15 個,其類型及配置參數(shù)如文獻(xiàn)[18]所示。系統(tǒng)其它參數(shù)為:用電高峰期(18:00-24:00)Ce(t)= 0.743 元/kW·h,用電低谷(3:00-10:00)Ce(t)= 0.305 元/kW·h,用電平穩(wěn)期Ce(t)=0.500 元/kW·h;Ci(t)=0.580元/kW·h;節(jié)點(diǎn)電壓允許偏差為±5%;ηd和ηc為90%;μ 為5%。算法參數(shù)為:最大迭代次數(shù)為100;種群規(guī)模為50;交叉概率為pc= 0.9 ;變異概率為pm= 0.1 。
圖1 主動配電系統(tǒng)示范算例Fig.1 The demonstration example of ADN
圖2 為某天24 h 內(nèi)主動配電系統(tǒng)的總負(fù)荷預(yù)測曲線、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電功率預(yù)測曲線。從圖2 中可以看出風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電具有波動性,而且具有明顯的反調(diào)峰特性。當(dāng)無風(fēng)電光伏接入系統(tǒng)時,負(fù)荷方差為644 510,當(dāng)其接入系統(tǒng)后,凈負(fù)荷方差增大到701 010,凈負(fù)荷峰谷差明顯被拉大。
圖2 總負(fù)荷、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電輸出功率預(yù)測曲線Fig.2 The output power prediction curve of the total load,wind power and photovoltaic power
主動配電系統(tǒng)在該天的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本為33 453.60 元,未優(yōu)化之前的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本為35 829.03元,經(jīng)濟(jì)效益提升了6.63%。蓄電池和燃?xì)廨啓C(jī)全天的最優(yōu)出力曲線、DG 和蓄電池聯(lián)合出力曲線以及凈負(fù)荷曲線如圖3所示,每個時段燃?xì)廨啓C(jī)和蓄電池的輸出功率見表1。
由圖3 可以看出:(1)DG 和蓄電池的聯(lián)合出力曲線與負(fù)荷預(yù)測曲線基本保持一致,當(dāng)負(fù)荷較大時DG 和蓄電池的聯(lián)合出力就越大,而負(fù)荷較小時則其總出力較小,符合實際情況。(2)主動配電系統(tǒng)的負(fù)荷方差為644 510,經(jīng)過DG 和蓄電池聯(lián)合出力凈負(fù)荷方差變?yōu)?97 340,大大降低了峰谷差,減少能耗。
表1 主動配電系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果Tab.1 The optimal result of ADN
由圖3 和表1 的結(jié)果可以看出:(1)經(jīng)過優(yōu)化運(yùn)行計算,蓄電池的充放電策略得到了合理分配,在負(fù)荷高峰時放電,在負(fù)荷低谷時充電,在負(fù)荷平穩(wěn)期充放電功率基本為0,體現(xiàn)了其削峰填谷、平抑波動的價值。同時,這樣的分配策略也有效防止了蓄電池由于頻繁充放電導(dǎo)致蓄電池壽命減短。
(2)燃?xì)廨啓C(jī)主要在負(fù)荷高峰時運(yùn)行,負(fù)荷的平穩(wěn)期和低谷時出力為0,從而達(dá)到削峰的目的。
為了驗證改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法的在主動配電網(wǎng)運(yùn)行中的優(yōu)勢,將其與傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行比較。將兩種算法在相同條件下獨(dú)立運(yùn)行60次,統(tǒng)計每次運(yùn)行所得最優(yōu)方案的兩個子目標(biāo)函數(shù)值以及算法收斂迭代次數(shù),求其平均值,得到兩種算法的最優(yōu)方案以及收斂迭代次數(shù)的對比結(jié)果,如表2所示。同時,各個子目標(biāo)函數(shù)在算法運(yùn)行過程中,每代都會產(chǎn)生一個對應(yīng)的外部解[10],算法獨(dú)立運(yùn)行60 次則每個子目標(biāo)函數(shù)每代共產(chǎn)生60 個外部解,求取這些外部解的平均值,得到不同目標(biāo)函數(shù)外部解的收斂曲線,如圖4所示。外部解是指在每代的帕累托最優(yōu)解集中,各個子目標(biāo)函數(shù)值最優(yōu)時的解。對于以最小值為最優(yōu)解的目標(biāo)函數(shù),其對應(yīng)的外部解越小,說明解集內(nèi)個體分布越廣泛,算法搜索能力越強(qiáng)。
圖3 DG 和蓄電池聯(lián)合的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果Fig.3 The optimal operation result of DG and battery
表2 算法比較結(jié)果Tab.2 The comparative results of the algorithms
對表2 的數(shù)據(jù)比較可知:由改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法得到的最優(yōu)方案的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本均值比由傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法得到的值少2.07%,其凈方差均值比傳統(tǒng)的 NSGA-Ⅱ算法少11.98%,并且其取得最優(yōu)方案的迭代次數(shù)更少。分析圖4 可知:改進(jìn)NSGA-Ⅱ算法使兩個目標(biāo)函數(shù)都取得了較小的外部解,并且其收斂速度也明顯高于傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法。通過對表1 和圖4 的結(jié)果對比分析,證明了改進(jìn)NSGA-Ⅱ算法可以使解的分布性更廣泛,收斂性更好,全局搜素能力更強(qiáng)??傊?,改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法具有更強(qiáng)的尋優(yōu)能力,可更好的應(yīng)用在主動配電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行中。
圖4 不同目標(biāo)函數(shù)外部解的收斂曲線Fig.4 Convergence curves of outer solutions for differentobjective functions
本文針對主動配電系統(tǒng)中DG 和儲能系統(tǒng)的特點(diǎn),為了充分利用綠色可再生能源,減小峰谷差,提高發(fā)電效率,降低能耗,重點(diǎn)研究了主動配電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型及其求解方法。綜合考慮潮流平衡,燃?xì)廨啓C(jī)爬坡,蓄電池容量等約束條件,建立了主動配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本和凈負(fù)荷方差兩個運(yùn)行指標(biāo)的優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型,所建模型兼顧經(jīng)濟(jì)性和削峰能力雙重要求。為實現(xiàn)對多目標(biāo)多約束的主動配電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行問題的求解,在傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法中引入反向?qū)W習(xí)機(jī)制和改進(jìn)的算術(shù)交叉算子,提高了算法的全局搜索能力,保持了種群多樣性。對算例結(jié)果進(jìn)行分析,證明了改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法可以更好地應(yīng)用在主動配電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行問題的求解中,使主動配電系統(tǒng)獲得更佳的經(jīng)濟(jì)性和削峰能力。
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