[論文レビュー] Fast Resource Scheduling for Distribution Systems Enabled with Discrete Control Devices

Alireza Nouri, Alireza Soroudi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2020

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、連続的（例：インバーター）および離散的制御装置（例：OLTC、SVR）を用いた短時間スケジューリングのための高速でグローバル収束性を有するブランチアンドカットフレームワークを提案する。各ノードで信頼領域法（TRA）を適用する前に簡略化された線形計画問題（LP）を事前に解くことで収束を加速し、計算時間を顕著に短縮するとともに最適性を保証する。

ABSTRACT

This paper proposes a framework for fast short-term scheduling and steady-state voltage control in distribution systems enabled with both continuous control devices, e.g., inverter interfaced DGs and discrete control devices (dcds), e.g., on-load tap changers (oltcs). The voltage-dependent nature of loads is taken into account to further reduce the operating cost by managing the voltage levels. The branch and cut method is applied to handle the integrality constraints associated with the operation of dcds. A globally convergent trust-region algorithm (tra) is applied to solve the integer relaxed problems at each node during the branching process. The tra sub-problems are solved using the interior point method. To reduce the branching burden of the branch and cut algorithm, before applying tra at each node, a simplified optimization problem is first solved. Using the convergence status and value of the objective function of this problem, a faster decision is made on stopping the regarding branch. Solving the simplified problem obviates the application of tra at most nodes. It is shown that the method converges to the optimal solution with a considerable saving in computation time according to the numerical studies.

研究の動機と目的

• 高比率のDER統合を伴うアクティブ配電系統におけるニアリアルタイム最適リソーススケジューリングの課題に対処する。
• 電圧依存性負荷特性と正確なOLTC動作をモデル化することで、効率的な電圧制御を可能にする。
• 配電スケジューリングに生じる混合整数非線形計画問題（MINLP）に対して、高速でグローバル収束性を有する解法を開発する。
• ブランチアンドカットの計算負荷を軽減するため、TR解法の実行を避けるために、ノードの事前スクリーニングとして簡略化されたLP問題を用いる。
• 時間的に制限のある運用要件を満たしつつ、解の最適性と妥当性を保証する。

提案手法

• 連続的および離散的制御装置を統合した混合整数非線形計画問題（MINLP）として配電スケジューリング問題（DSP）を定式化する。
• 離散制御装置（DCD）（例：OLTC、コンデンサバンク）に関連する整数変数を処理するため、ブランチアンドカット（BC）アルゴリズムを適用する。
• 各ノードにおけるMINLPの連続緩和問題を解くために、グローバル収束性を有する信頼領域法（TRA）をサブアルゴリズムとして用いる。
• 内点法を用いてTRAサブ問題を解き、潮流計算により電圧値を更新し、モデル関数を反復的に精緻化する。
• 各ノードでTRAを適用する前に、簡略化されたLP問題を事前に解き、そのノードが刈り込まれる（プルーニングされる）かどうかを迅速に評価する。
• LP問題の解の状態と目的関数値を活用して、ブランチの刈り込みを迅速に決定し、ブランチング作業の負荷を顕著に低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合整数非線形制約を有するアクティブ配電系統における短時間スケジューリングに対して、グローバル収束性を有するとともに計算効率の高い手法を開発可能か？
• RQ2 MINLPに基づく配電スケジューリングにおけるブランチアンドカットの計算負荷を、解の最適性を損なわず低減できるか？
• RQ3 電圧依存性負荷特性をモデル化することで、配電系統における運用コスト削減にどの程度寄与するか？
• RQ4 高価なTRAサブ問題の結果を効果的に予測できる簡略化されたLP問題を用いることで、有望でないブランチの早期刈り込みが可能か？
• RQ5 非平衡かつ実用的な系統条件下で、SOCPベースの手法と比較して、提案手法の解の品質および計算速度はどのように異なるか？

主な発見

• 提案手法は、MINLPに基づく配電スケジューリング問題の最適解へのグローバル収束性を達成する。
• ブランチング意思決定を支援するために事前に解いたLP問題を活用することで、多数のノードで信頼領域法（TRA）の適用を回避し、計算時間の大幅な削減が達成される。
• 解法時間はSOCPベースの手法と同等に保たれ、特に優れた解の品質を考慮すると、実用的かつ競争力のある性能を示す。
• 特に非平衡負荷条件下では、独立相電圧制御と非線形負荷モデルの表現が可能であるため、SOCPを上回る最適性を達成する。
• 正確なOLTCモデルと電圧依存性負荷特性の導入により、重い負荷がかかる相の電圧レベルを低く抑えることができ、運用コストの顕著な削減が可能になる。
• IEEE 33-bus系統を用いた数値実験では、提案手法が高い解の品質を維持しながら、ニアリアルタイム応用に十分な高速性を有していることが示された。