[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种用于短期配电系统调度的快速、全局收敛的分支定界-割平面框架，结合了连续控制装置（如逆变器）和离散控制装置（如OLTC、SVR）。通过在每个节点应用信赖域算法（TRA）之前求解一个简化的线性规划（LP）问题，加速了收敛过程，显著减少了计算时间，同时确保了解的最优性。

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.

研究动机与目标

• 解决高分布式能源（DER）渗透率下主动配电系统中近实时最优资源调度的挑战。
• 通过建模电压相关负荷特性及精确的OLTC行为，实现高效的电压控制。
• 为配电调度中出现的混合整数非线性规划（MINLP）问题，开发一种快速且全局收敛的求解方法。
• 通过使用简化的LP问题对节点进行预筛选，避免昂贵的TRA求解，从而减轻分支定界法的计算负担。
• 在满足时间关键运行需求的前提下，确保解的最优性和可行性。

提出的方法

• 将配电系统调度问题（DSP）建模为包含连续与离散控制装置的混合整数非线性规划（MINLP）。
• 应用分支定界-割平面（BC）算法，处理与离散控制装置（DCD）相关的整数变量，如OLTC和电容器组。
• 在每个节点使用全局收敛的信赖域算法（TRA）作为子算法，求解MINLP的连续松弛问题。
• 使用内点法求解TRA子问题，通过潮流计算更新电压值，并迭代地改进模型函数。
• 在每个节点应用TRA之前引入一个预求解的LP问题，以快速评估该分支是否可被剪枝（fathomed），从而避免不必要的TRA计算。
• 利用LP问题的解状态和目标值，快速决定是否剪枝分支，显著减少分支计算量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为具有混合整数非线性约束的主动配电系统短期调度，开发一种全局收敛且计算高效的求解方法？
• RQ2 如何在不牺牲MINLP-based配电调度解的最优性前提下，减轻分支定界法的计算负担？
• RQ3 建模电压相关负荷特性在多大程度上能提升配电系统运行成本的降低效果？
• RQ4 简化的LP问题能否有效预测昂贵TRA子问题的结果，从而实现对非有希望分支的早期剪枝？
• RQ5 在不平衡、实际系统条件下，该方法与SOCP-based方法相比，在解的质量和计算速度方面表现如何？

主要发现

• 所提方法可实现对MINLP-based配电系统调度问题的全局收敛，获得最优解。
• 通过使用预求解的LP问题指导分支决策，该方法避免了在大多数节点上应用信赖域算法（TRA），从而实现显著的计算时间节省。
• 解算时间保持可接受且与SOCP-based方法具有竞争力，尤其考虑到其更优的解质量。
• 在解的最优性方面，该方法优于SOCP，尤其在不平衡负载条件下，因其能够建模相独立的电压控制和非线性负荷模型。
• 采用精确的OLTC模型和电压相关负荷特性，通过允许在重载相上使用更低的电压水平，实现了显著的运行成本降低。
• 在IEEE 33-bus系统上的数值研究显示，所提方法在保持高解质量的同时，具备足够的速度以满足近实时应用需求。