[论文解读] A Framework for Robust Steady-State Voltage Stability of Distribution Systems

Hung D. Nguyen, Krishnamurthy Dvijotham+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于布劳威尔不动点定理的新型内部逼近框架，用于配电网中的长期电压稳定（LTVS）分析。该方法在多维功率注入空间中构造出凸的、可解析处理的区域，从而实现比以往方法更紧致、更不保守的可解区域逼近——尤其在高比例可再生能源渗透下表现更优。通过在仿射注入函数上施加简单的范数条件，该方法实现了快速筛查和经认证的负载增益极限。

ABSTRACT

Power injection uncertainties in distribution power grids, which are mostly induced by aggressive introduction of intermittent renewable sources, may drive the system away from normal operating regimes and potentially lead to the loss of long-term voltage stability (LTVS). Naturally, there is an ever increasing need for a tool for assessing the LTVS of a distribution system. This paper presents a fast and reliable tool for constructing \emph{inner approximations} of LTVS regions in multidimensional injection space such that every point in our constructed region is guaranteed to be solvable. Numerical simulations demonstrate that our approach outperforms all existing inner approximation methods in most cases. Furthermore, the constructed regions are shown to cover substantial fractions of the true voltage stability region. The paper will later discuss a number of important applications of the proposed technique, including fast screening for viable injection changes, constructing an effective solvability index and rigorously certified loadability limits.

研究动机与目标

• 应对由于不确定且间歇性的可再生能源注入所导致的配电网中长期电压不稳定问题日益严峻的挑战。
• 克服现有内部逼近方法（尤其是WBBP）的保守性，后者在某些额定运行条件下会失效。
• 开发一种快速、可靠且可解析处理的方法，用于计算多维注入空间中保证可解性的区域。
• 支持实际应用，如快速筛查、可解性指标以及经认证的负载增益极限。

提出的方法

• 利用布劳威尔不动点定理，推导出在具有PQ母线的单相配电网中，交流潮流方程可解性的充分条件。
• 通过注入功率的仿射函数上的范数约束，将可解区域构造为凸集，从而实现高效计算。
• 将该条件应用于对真实可行性区域（通常为非凸）的内部逼近。
• 采用参数化注入方向与延续法技术，估算沿不同方向的最大负载水平。
• 通过在IEEE测试馈线（123节点与141节点系统）上进行数值仿真，验证区域边界的准确性，覆盖不同负载水平与可再生能源渗透率的情景。
• 通过横截面图与10,000组随机负载情景下的统计分析，将性能与WBBP及真实稳定边界进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 布劳威尔不动点定理能否用于构建比现有方法更不保守的长期电压稳定区域内部逼近？
• RQ2 在可解区域大小与紧致性方面，该方法与WBBP相比表现如何，尤其是在稳定边界附近？
• RQ3 该方法在多大程度上可加速LTVS筛查并计算经认证的负载增益极限？
• RQ4 在高比例可再生能源渗透或非辐射状网络结构下，该方法表现如何？
• RQ5 在哪些运行状态下，基于布劳威尔的方法优于或劣于WBBP？

主要发现

• 在大多数测试场景中，所提方法构建的可解区域显著大于WBBP的区域，尤其当基准点靠近WBBP条件边界时更为明显。
• 在IEEE 123节点系统仿真中，布劳威尔方法在80%的测试负载方向上优于WBBP，其区域覆盖了与真实稳定边界几乎相同比例的范围。
• 对于含可再生能源渗透的改进型IEEE 141节点系统，WBBP的区域仅覆盖了所提布劳威尔方法构建区域的大约80%。
• 当WBBP的可解条件几乎被违反时，基于布劳威尔的方法仍能保持功能有效，展现出在高应力运行区间的鲁棒性。
• 该方法支持快速筛查，并提出一种新型经认证的可接受增益极限指标，可保证沿任意增量负载方向的稳定性。
• 可解区域具有简洁的解析形式——即对注入功率的仿射函数施加范数约束，从而实现高效计算，并可在多个负载方向上重复使用。