[论文解读] Resilient Transmission Grid Design: AC Relaxation vs. DC approximation

Harsha Nagarajan, Russell Bent+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Optimal Power Flow Distribution参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文評估了在韌性輸電網絡設計中，交流潮流放鬆與直流近似之間的權衡，使用混合整數二次錐規劃來最小化在N-1安全約束下的負荷切離。研究發現，與直流近似相比，交流放鬆顯著降低了升級成本並提高了可行性，特別是在高負載和電壓角限制度下。

ABSTRACT

As illustrated in recent years (Superstorm Sandy, the Northeast Ice Storm of 1998, etc.), extreme weather events pose an enormous threat to the electric power transmission systems and the associated socio-economic systems that depend on reliable delivery of electric power. Besides inevitable malfunction of power grid components, deliberate malicious attacks can cause high risks to the service. These threats motivate the need for approaches and methods that improve the resilience of power systems. In this paper, we develop a model and tractable methods for optimizing the upgrade of transmission systems through a combination of hardening existing components, adding redundant lines, switches, generators, and FACTS and phase-shifting devices. While many of these controllable components are included in traditional design (expansion planning) problems, we uniquely assess their benefits from a resiliency point of view. More importantly, perhaps, we evaluate the suitability of using state-of-the-art AC power flow relaxations versus the common DC approximation in resilience improvement studies. The resiliency model and algorithms are tested on a modified version of the RTS-96 (single area) system.

研究动机与目标

• 評估交流潮流放鬆與直流近似對輸電網絡韌性與升級成本的影響。
• 量化在不同負載與電壓角約束下，確保交流潮流可行性所需的最小負荷切離量。
• 評估柔性交流輸電系統（FACTS）裝置在降低網絡升級成本方面的成本效益。
• 比較直流近似與交流放鬆在不同負載規模與電壓角限制下的表現。
• 確定交流放鬆相較於直流近似在哪些條件下能提供更優越的韌性與成本效率。

提出的方法

• 建立混合整數二次錐規劃模型，以最小化總負荷切離（有功與無功）並滿足交流潮流約束。
• 採用雙層優化架構：首先確定最佳網絡拓撲與裝置佈設（x*, τ*, t*, u*, zp*, zq*），然後在固定參數下評估交流可行性。
• 透過固定 zp* 並設定 zq* 的邊界為 ±zp*/2，應用直流近似，將交流約束簡化為線性化等價形式。
• 引入負荷切離最小化問題，使用四個鬆弛變數（λp_cr, λq_cr, λp_ncr, λq_ncr）來表示關鍵與非關鍵的有功與無功功率切離。
• 利用切離有功與無功功率的歐幾里得範數相對於總需求的比值，計算明顯負荷切離比例。
• 透過比較配置無功補償裝置與不配置時的升級成本，評估FACTS裝置的影響，並以基準成本的百分比計算節省金額。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同負載與電壓角約束下，交流放鬆與直流近似在所需網絡升級成本方面有何差異？
• RQ2 在N-1系統事故條件下，為確保交流潮流可行性，必須切離的最小有功與無功功率量是多少？
• RQ3 FACTS裝置的引入如何影響韌性輸電網絡設計的成本與可行性？
• RQ4 在何種負載規模與電壓角限制下，直流近似會顯著低估系統韌性，相較於交流放鬆？
• RQ5 在不同負載情境下，使用FACTS裝置在輸電網絡升級中可實現的最大成本節省是多少？

主要发现

• 在負載係數為1.30且 θᵘ = 45° 時，直流近似所需的升級成本顯著高於交流放鬆，當使用FACTS裝置時，節省最高可達30%。
• 在 p = 0.5 且 θᵘ = 45° 時，交流放鬆方法的升級成本約為 1.5·10⁷ 美元，而直流近似在相同條件下則超過 2.0·10⁷ 美元。
• 使用FACTS裝置可使總升級成本相較於無此裝置的設計降低最多25%，特別是在高負載與高電壓角條件下。
• 在 θᵘ = 15° 且 p = 0.1 時，直流近似低估了所需的網絡強化程度，導致即使直流解看似可行，交流潮流仍不可行。
• 明顯負荷切離比例隨負載規模與電壓角限制增加而上升，且在所有測試情境中，交流放鬆所需的負荷切離始終低於直流近似。
• FACTS裝置可實現的最大成本節省出現在高負載規模（例如1.25倍基準負載）下，當電抗降低係數為0.5時，節省超過20%。