[论文解读] Communication-Constrained Expansion Planning for Resilient Distribution Systems

Geunyeong Byeon, Pascal Van Hentenryck+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2018

Optimal Power Flow Distribution参考文献 22被引用 9

一句话总结

本文提出了一种用于配电网与通信系统的最优弹性设计问题（ORDPDC），这是一个两阶段随机混合整数规划模型，旨在通过联合规划配电网及其通信网络的加固与现代化改造，确保在极端天气情景下的负荷供电。该研究提出了一种带有对偶稳定化与加速机制的分支定价算法，相较于基线方法将计算时间减少了26.35倍。

ABSTRACT

Distributed generation and remotely controlled switches have emerged as important technologies to improve the resiliency of distribution grids against extreme weather-related disturbances. Therefore it becomes impor- tant to study how best to place them on the grid in order to meet a resiliency criteria, while minimizing costs and capturing their dependencies on the associated communication systems that sustains their distributed operations. This paper introduces the Optimal Resilient Design Problem for Distribution and Communi- cation Systems (ORDPDC) to address this need. The ORDPDC is formulated as a two-stage stochastic mixed-integer program that captures the physical laws of distribution systems, the communication connec- tivity of the smart grid components, and a set of scenarios which specifies which components are affected by potential disasters. The paper proposes an exact branch-and-price algorithm for the ORDPDC which features a strong lower bound and a variety of acceleration schemes to address degeneracy. The ORDPDC model and branch-and-price algorithm were evaluated on a variety of test cases with varying disaster inten- sities and network topologies. The results demonstrate the significant impact of the network topologies on the expansion plans and costs, as well as the computational benefits of the proposed approach.

研究动机与目标

• 应对日益频繁的极端天气事件对配电网造成的重大影响，过去十年中美国90%的重大停电事件均源于此类事件。
• 建模配电系统与其通信网络之间的相互依赖关系，二者易受相同灾害影响，且对远程控制开关与分布式发电单元至关重要。
• 制定一个综合的扩展规划问题，涵盖现有线路加固、新增线路、开关、分布式发电单元以及通信路径的配置，同时考虑多种灾害情景。
• 在每个情景下确保满足最低弹性标准（如98%负荷供电），同时最小化总投资成本。
• 开发一种精确求解方法，能够有效处理潮流物理特性、辐射状网络结构以及通信连通性约束之间的复杂耦合关系。

提出的方法

• 将ORDPDC建模为两阶段随机混合整数规划：第一阶段选择基础设施升级方案（加固与新增设备），第二阶段针对每种灾害情景确定最优恢复策略。
• 采用完整的交流潮流方程对三相不平衡交流潮流进行建模，并通过特定约束保持辐射状网络拓扑结构。
• 采用单商品流模型表示通信连通性，确保每个孤岛型微电网均与控制中心保持连接。
• 实施一种分支定价算法，其定价子问题可为每种灾害情景生成新的扩展方案，充分利用块对角结构。
• 引入三种关键加速技术：修正的减少成本定价、用于稳定主问题的最优性割线，以及用于促进稀疏且高质量解的字典序目标函数。
• 应用对偶稳定化技术，以改善列生成过程中的收敛性并减少退化现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 配电网络的拓扑结构如何影响不同灾害强度下的最优扩展规划及其相关成本？
• RQ2 通信网络弹性的纳入在多大程度上影响弹性配电系统的设计与成本？
• RQ3 带有加速机制的分支定价算法能否有效求解标准分解方法难以处理的大规模ORDPDC实例？
• RQ4 不同加速技术（如最优性割线、字典序定价）在ORDPDC场景下对收敛速度与解质量的影响如何？
• RQ5 在农村与城市配电网中，弹性性能（如负荷供电率）与投资成本之间的权衡关系如何？

主要发现

• 所提出的带加速机制的分支定价算法，相较于基线分支定价方法，平均计算时间减少了26.35倍。
• 仅使用对偶稳定化虽能提升性能，但不足以满足实际部署需求，超过三分之一的实例超出10,000秒的时间限制。
• 最优性割线显著稳定了下界，并防止列生成过程中的性能退化，尤其在重用前期迭代生成的列时效果明显。
• 修正的减少成本定价与字典序目标函数各自对加快收敛起到关键作用，其中后者在减少迭代次数方面尤为有效。
• 结果表明，最优扩展规划对网络拓扑高度敏感，分布式发电在依赖可靠通信基础设施的农村网络中起着关键作用。
• 模型表明，通信网络的可靠性是决定弹性的关键因素，尤其在偏远地区，微电网运行高度依赖远程控制。