[论文解读] Distributed Optimal Voltage Control with Asynchronous and Delayed Communication

Sindri Magnússon, Guannan Qu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2019

Optimal Power Flow Distribution参考文献 37被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种用于配电网的分布式最优电压控制算法，使每个母线能够仅通过本地电压测量和与邻近节点的异步、延迟通信来调节电压。该方法在硬性功率极限下联合优化有功和无功功率注入，在线性潮流模型下证明了收敛到最优电压分布，并在存在通信延迟和异步性的实际非线性AC系统中表现出稳健性能。

ABSTRACT

The increased penetration of volatile renewable energy into distribution networks necessities more efficient distributed voltage control. In this paper, we design distributed feedback control algorithms where each bus can inject \emph{both active and reactive} power into the grid to regulate the voltages. The control law on each bus is only based on local voltage measurements and communication to its physical neighbors. Moreover, the buses can perform their updates \emph{asynchronously} without receiving information from their neighbors for periods of time. The algorithm enforces \emph{hard upper and lower limits} on the active and reactive powers at every iteration. We prove that the algorithm converges to the optimal feasible voltage profile, assuming linear power flows. This provable convergence is maintained under bounded communication delays and asynchronous communications. We further numerically test the performance of the algorithm using the full \emph{nonlinear AC power flow} model. Our simulations show the effectiveness of our algorithm on realistic networks with both static and fluctuating loads, even in the presence of communication delays.

研究动机与目标

• 设计一种在高比例可再生能源渗透的配电网中，能够在异步和延迟通信条件下高效运行的分布式电压控制算法。
• 使每个母线仅通过本地测量和与邻居的通信实现电压调节，而无需集中协调。
• 在每次迭代中对每个母线的有功和无功功率注入施加严格的上下限约束。
• 证明在存在有界延迟和异步更新的情况下，该算法仍能收敛至线性化潮流模型下的最优可行电压分布。
• 通过完整的非线性AC潮流模型，在真实网络上评估该算法的性能，包括静态和波动负荷。

提出的方法

• 每个母线基于本地电压测量和与物理邻居的通信，实现分布式反馈控制律。
• 该算法采用对偶分解方法，通过本地估计对偶变量（Rλ 和 Xλ）来处理电压约束。
• 通信延迟被建模为有界、时变延迟 τ_ij(t) ≤ τ_max，且在这些条件下算法仍能保证收敛。
• 更新规则通过投影操作设计，以尊重有功和无功功率注入的硬性限制。
• 该算法的扩展版本通过修改更新步骤，引入了视在功率约束（p_i² + q_i² ≤ s̄_i²）。
• 该方法以分布式、异步方式实现，允许母线独立更新，无需等待邻居。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在有界通信延迟和异步更新的配电网中，分布式电压控制算法能否收敛至最优电压分布？
• RQ2 在非线性AC潮流模型下，仅使用有功功率或仅使用无功功率控制时，与联合有功-无功控制相比，该算法的性能退化程度如何？
• RQ3 通信延迟和异步性对分布式电压控制的收敛性和电压调节性能有何影响？
• RQ4 在实际非线性AC潮流动力学下，该算法能否在遵守有功和无功功率限制的同时维持电压约束？
• RQ5 引入视在功率约束对分布式控制算法的收敛性和可行性有何影响？

主要发现

• 所提出的算法即使在存在有界通信延迟和异步更新的情况下，也能在线性化潮流模型下收敛至最优电压分布。
• 在非线性AC潮流模型下，当仅使用有功功率或仅使用无功功率控制时，该算法实现了接近最优的性能，平均相对绝对误差分别为2.7%和4.3%。
• 在采用联合有功-无功功率控制时，该算法的平均相对绝对误差为59.92%，表明由于线性模型未能捕捉到的非线性耦合，收敛性能次优。
• 与同步算法相比，该算法将通信负载降低了高达80%，同时在电压调节方面保持了相似的性能。
• 扩展后的算法成功实施了视在功率约束，且未违反电压或有功/无功功率限制，仿真轨迹已证实这一点。
• 仿真结果表明，该算法对动态负荷和真实网络条件具有鲁棒性，尽管在联合控制场景下存在理论局限，仍确认了其实际可行性。