[论文解读] Distributed primal dual methods for economic dispatch in power networks

Thinh T. Doan, Carolyn L. Beck|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2016

Smart Grid Energy Management被引用 2

一句话总结

本文提出了一种用于电力网络经济调度的分布式原始-对偶算法，仅依赖本地计算与通信，其收敛速率取决于网络拓扑。该方法在IEEE-14和IEEE-118母线系统上得到验证，理论收敛界与网络规模和结构相关。

ABSTRACT

Motivated by a variety of applications in control engineering and information sciences, we study network resource allocation problems where the goal is to optimally allocate a fixed amount of resource over a network of nodes. In these problems, due to the large scale of the network and complicated inter-connections between nodes, any solution must be implemented in parallel and based only on local data resulting in a need for distributed algorithms. In this paper, we propose a novel distributed Lagrangian method, which requires only local computation and communication. Our focus is to understand the performance of this algorithm on the underlying network topology. Specifically, we obtain an upper bound on the rate of convergence of the algorithm as a function of the size and the topology of the underlying network. The effectiveness and applicability of the proposed method is demonstrated by its use in solving the important economic dispatch problem in power systems, specifically on the benchmark IEEE-14 and IEEE-118 bus systems.

研究动机与目标

• 解决电力系统中需要分布式、本地计算与通信的大规模网络资源分配问题。
• 开发一种无需集中协调的分布式拉格朗日方法。
• 分析算法收敛速率与网络规模和拓扑的关系。
• 在基准电力系统模型（特别是IEEE-14和IEEE-118母线系统）上应用并验证该方法。

提出的方法

• 该方法基于拉格朗日松弛，采用分布式原始-对偶优化框架，以求解经济调度问题。
• 网络中的每个母线（节点）仅使用自身数据和邻近节点的消息执行本地计算。
• 算法以去中心化方式迭代更新原始变量（发电出力）和对偶变量（功率平衡约束的拉格朗日乘子）。
• 收敛由网络图上的本地更新和信息交换决定，无需全局协调。
• 理论分析推导出收敛速率的上界，其表达式依赖于网络的谱特性与拓扑结构。
• 通过建模网络中各节点的发电成本和功率平衡约束，将该方法应用于经济调度问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式原始-对偶算法的收敛速率如何随电力网络规模和拓扑结构变化？
• RQ2 是否可仅通过完全本地化、分布式的算法实现最优经济调度而无需集中协调？
• RQ3 网络连通性与结构对电力系统中分布式优化收敛性能有何影响？
• RQ4 在真实系统中，该方法与现有方法相比，在收敛速度和可扩展性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的分布式原始-对偶方法在收敛速率上具有上界，其值取决于网络的谱隙和拓扑结构。
• 该算法在IEEE-14和IEEE-118母线系统上表现出实际性能，证实其适用于真实电力网络。
• 在仅使用本地信息和邻近通信的分布式更新规则下，收敛性可得到保证。
• 该方法通过在满足功率平衡和发电限值约束的前提下最小化总发电成本，有效解决了经济调度问题。
• 理论分析表明，网络结构（尤其是连通性和扩展性质）直接影响收敛速度。
• 该方法实现了可扩展的去中心化优化，适用于通信和每母线计算能力有限的大规模电力系统。