[论文解读] Enabling Distributed Optimization in Large-Scale Power Systems

Junyao Guo, Gabriela Hug+1 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2016

Optimal Power Flow Distribution参考文献 25被引用 3

一句话总结

该论文首次证明，通过谱聚类分区技术，基于ADMM的分布式优化可高效求解大规模实际输电网中的非凸AC最优潮流（OPF）问题——即2383节点的波兰系统。该方法实现了快速收敛和近似最优解，且无需预设系统分区，证明了分布式OPF在实际大规模电力系统中的可行性。

ABSTRACT

Distributed optimization for solving non-convex Optimal Power Flow (OPF) problems in power systems has attracted tremendous attention in the last decade. Most studies are based on the geographical decomposition of IEEE test systems for verifying the feasibility of the proposed approaches. However, it is not clear if one can extrapolate from these studies that those approaches can be applied to very large-scale real-world systems. In this paper, we show, for the first time, that distributed optimization can be effectively applied to a large-scale real transmission network, namely, the Polish 2383-bus system for which no pre-defined partitions exist, by using a recently developed partitioning technique. More specifically, the problem solved is the AC OPF problem with geographical decomposition of the network using the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) method in conjunction with the partitioning technique. Through extensive experimental results and analytical studies, we show that with the presented partitioning technique the convergence performance of ADMM can be improved substantially, which enables the application of distributed approaches on very large-scale systems.

研究动机与目标

• 探究分布式优化是否可实际应用于大规模真实电力系统，特别是针对非凸AC OPF问题。
• 评估基于谱聚类的分区技术在实现真实输电网高效分布式优化方面的有效性。
• 证明ADMM——一种先进的分布式方法——在结合该分区方法时，可实现快速收敛和近似最优解。
• 表明该分区技术不仅适用于OCD，还可推广至其他分布式优化方法。
• 确立分布式优化是无预设分区的真实系统中集中式方法的可行替代方案。

提出的方法

• 本文采用交替方向乘子法（ADMM）以分布式方式求解非凸AC最优潮流（OPF）问题。
• 采用基于谱聚类的网络分区技术，将波兰2383节点系统分解为子区域，且不依赖预设的地理或运行边界。
• 该分区方法基于电力系统耦合性定义亲和度度量，将网络分解问题映射为图划分问题。
• 每个子区域通过ADMM求解本地OPF子问题，通过交替更新原变量和对偶变量来施加对偶变量与一致性约束。
• 该方法同时处理等式与不等式约束，包括热稳定线路限额，并在ADMM框架内采用拉格朗日松弛。
• 分析了不同区域数量下的收敛行为，并评估了分区对计算效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无预设分区的情况下，基于ADMM的分布式优化是否可有效应用于大规模真实电力系统？
• RQ2 基于谱聚类的分区技术如何影响ADMM在求解非凸AC OPF问题时的收敛速度与解的质量？
• RQ3 所提出的分区方法是否可推广至OCD以外的其他分布式优化算法？
• RQ4 在真实电力系统中，ADMM的区域数量与计算效率之间存在何种权衡？
• RQ5 解的质量对ADMM参数和初始条件的变化是否具有鲁棒性？

主要发现

• 所提出的基于ADMM的分布式方法在2383节点波兰系统中成功求解了非凸AC OPF问题，解接近局部最优。
• 基于谱聚类的分区技术显著提升了ADMM的收敛速度，实现了大规模问题的高效求解。
• 在约40个区域时存在一个拐点，此时分布式方法的估计计算时间已快于集中式方法。
• 解的质量对ADMM参数和初始条件的变化具有鲁棒性，即使在包含热稳定线路约束时也保持稳定。
• 该分区方法不仅适用于OCD，也适用于ADMM，表明其在分布式优化框架中具有广泛适用性。
• 该方法证明了分布式优化在真实大规模电力系统中具有实际可行性，标志着可扩展电力系统运行领域的一项里程碑。