[论文解读] Fast and Robust Determination of Power System Emergency Control Actions

Sidhant Misra, Line Roald+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 7被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于电流-电压（IV）功率流动方程的快速、可扩展且鲁棒的优化框架，用于电力系统紧急控制。通过将约束和目标函数表示为电流和电压（利用其线性特性），实现了通过凸优化和线性近似进行高效求解，其中一阶泰勒展开公式在计算速度、可行性及准确性方面优于其他方法，适用于大规模系统中的实时紧急控制应用。

ABSTRACT

This paper outlines an optimization framework for choosing fast and reliable control actions in a transmission grid emergency situation. We consider contractual load shedding and generation re-dispatch as exemplary emergency actions. To achieve computational efficiency and scalability, this novel formulation of the robust corrective action optimization is stated in terms of voltages and currents, as opposed to standard formulation in terms of power flows and voltages. The current-voltage formulation is natural for expressing voltage and thermal transmission line constraints, and its major advantage is in the linearity of the power flow equations. The complexity of the current-voltage formulation, which is mainly related to the transformation of voltages and currents into active and reactive power injections, can be largely avoided by stating the cost function directly in terms of currents and using linearized or robust estimates for load and generation constraints. The paper considers five different optimization problem formulations, including the full current-voltage formulation, as well as two convex and two linear approximation to the problem. In a case study on an illustrative case study for the IEEE RTS96 system, we demonstrate pros and cons of the different formulations based on simulations for both normal and contingency operation.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效且鲁棒的框架，用于在系统发生异常情况时确定输电系统中的紧急控制措施。
• 通过将功率流动约束重新表述为电压和电流，解决实时紧急控制中可扩展性和可靠性方面的挑战。
• 在严重异常情况下确保系统稳定性和可行性的同时，最小化负荷切除非和发电再调度。
• 在真实的IEEE RTS96测试系统上，对多种公式（非凸IV、凸近似和线性化模型）进行评估与比较。
• 识别在紧急情况下计算速度、解的可行性与控制成本之间的最优权衡。

提出的方法

• 采用电流-电压（IV）表示法来表述紧急控制问题，该方法线性化了网络约束，并简化了热极限和电压限值的执行。
• 直接以电流和电压定义目标函数，避免从电流到有功/无功功率的非凸转换，从而提高计算效率。
• 应用两种凸近似：基于预异常状态的鲁棒内近似，以及围绕异常后运行点的一阶泰勒展开。
• 将凸近似线性化，以利用现代线性规划求解器实现快速求解，确保在包含数千个母线的大系统中具有可扩展性。
• 使用异常后的潮流解作为线性化的参考点，以提高解的准确性并避免发电机出力越限。
• 比较五种公式：完整非凸IV、两种凸近似和两种线性化版本，并在IEEE RTS96系统上评估其性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 与基于标准潮流的公式相比，电流-电压公式在紧急控制中如何提升计算可扩展性和可行性？
• RQ2 在紧急控制中，使用凸近似与线性化近似时，解的准确性与计算速度之间的权衡如何？
• RQ3 选择参考点（预异常状态或异常后状态）如何影响线性化紧急控制解的可行性与性能？
• RQ4 鲁棒凸近似是否以更高控制代价为代价保证可行性？在何种场景下其优势最为明显？
• RQ5 基于一阶泰勒展开的线性化公式在负荷切除非和发电再调度方面，与完整非凸IV公式相比性能接近程度如何？

主要发现

• 基于异常后状态的一阶泰勒展开的线性化公式在计算速度、可行性及准确性方面均优于所有其他公式，且负荷切除非和发电再调度量最小。
• 鲁棒凸近似公式可保证可行性，但需要显著更高的负荷切除非和发电再调度，因此适用于系统稳定性为首要目标的极端紧急场景。
• 凸近似与线性化近似的解几乎完全一致，表明当参考点接近真实解时，线性化引入的误差可忽略不计。
• 以预异常状态作为参考点会导致多个母线的发电机出力超过上限100%，违反约束；而以异常后状态作为参考点可避免此类违规。
• 非凸IV公式实现了最低的控制成本，但由于非凸性，其可扩展性差且求解器可靠性低，尤其在大系统中更为明显。
• 线性化公式预计可高效扩展至包含数千个母线的大规模输电系统，适用于实时紧急控制的部署。