[论文解读] Methodology for Multi-stage, Operations- and Uncertainty-Aware Placement and Sizing of FACTS Devices in a Large Power Transmission System

Vladimir Frolov, Michael Chertkov|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 24被引用 3

一句话总结

本文提出了一种多阶段、不确定性感知的优化框架，用于在大型电力系统中战略性地配置和规划FACTS装置（串联与并联）的安装位置与容量，以推迟昂贵的输电线路扩建。该方法结合了交替的交流潮流求解与混合整数线性/二次规划的启发式算法，最小化在多个负荷增长情景和时间框架下的总成本——包括投资与运行费用，实现在2736节点波兰系统上的可扩展、运行可行且稀疏的FACTS装置部署。

ABSTRACT

We develop new optimization methodology for planning installation of Flexible Alternating Current Transmission System (FACTS) devices of the parallel and shunt types into large power transmission systems, which allows to delay or avoid installations of generally much more expensive power lines. Methodology takes as an input projected economic development, expressed through a paced growth of the system loads, as well as uncertainties, expressed through multiple scenarios of the growth. We price new devices according to their capacities. Installation cost contributes to the optimization objective in combination with the cost of operations integrated over time and averaged over the scenarios. The multi-stage (-time-frame) optimization aims to achieve a gradual distribution of new resources in space and time. Constraints on the investment budget, or equivalently constraint on building capacity, is introduced at each time frame. Our approach adjusts operationally not only newly installed FACTS devices but also other already existing flexible degrees of freedom. This complex optimization problem is stated using the most general AC Power Flows. Non-linear, non-convex, multiple-scenario and multi-time-frame optimization is resolved via efficient heuristics, consisting of a sequence of alternating Linear Programmings or Quadratic Programmings (depending on the generation cost) and AC-PF solution steps designed to maintain operational feasibility for all scenarios. Computational scalability and application of the newly developed approach is illustrated on the example of the 2736-nodes large Polish system. One most important advantage of the framework is that the optimal capacity of FACTS is build up gradually at each time frame in a limited number of locations, thus allowing to prepare the system better for possible congestion due to future economic and other uncertainties.

研究动机与目标

• 开发一种计算可扩展的方法，用于在大型输电网络中实现FACTS装置的最优配置与容量规划。
• 应对长期输电扩展规划中负荷增长与经济发展不确定性的挑战。
• 在多个时间框架和负荷情景下，最小化总成本——包括投资与运行费用。
• 通过协调装置控制，确保所有情景下均满足电压与线路潮流限制，实现运行可行性。
• 实现渐进式、稀疏且战略时序的FACTS装置部署，以推迟昂贵的输电线路扩建。

提出的方法

• 该框架采用多阶段、多情景的优化模型，时间框架代表规划时间跨度，情景代表负荷增长的不确定性。
• 其公式化为一个非凸、非线性的交流最优潮流问题，其中包含用于FACTS装置投资决策的混合整数变量。
• 采用启发式方法交替求解线性或二次规划（用于运行成本最小化）与完整的交流潮流求解，以确保所有情景下的可行性。
• 情景生成通过基于基准负荷增长曲线的分段常数负荷曲线实现，结合零均值高斯噪声进行随机扰动。
• 该方法在每个时间框架内施加预算约束，并确保所有运行极限（电压、线路潮流）在每个情景下均被满足。
• 初始发电轮廓通过松弛热极限的交流最优潮流（ACOPF）获得，随后通过按比例调整发电与负荷以匹配基准工况的负载水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不确定的负荷增长条件下，如何在大型电力系统中实现FACTS装置的最优配置与容量规划，以推迟昂贵的输电线路投资？
• RQ2 多阶段、基于情景的规划对FACTS部署的成本效益与运行可行性有何影响？
• RQ3 如何高效求解大规模的非凸、多情景、多时间框架交流最优潮流问题？
• RQ4 FACTS装置部署在不违反运行约束的前提下，能在多大程度上缓解阻塞并提升系统负载能力？
• RQ5 与传统的线路扩建或基于启发式的FACTS配置方法相比，该方法在成本与可扩展性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的方法通过在2736节点波兰系统中实现最优、渐进式的FACTS装置部署，成功降低了总成本，推迟了输电线路投资。
• 该框架在每个时间框架的6个情景下均实现了运行可行性，高负荷条件下阻塞价格显著降低。
• 该方法实现了稀疏、位置特定的FACTS装置部署——仅少数母线与线路被配置，展示了实际可扩展性。
• 通过交替求解LP/QP与AC-PF步骤，既保持了可行性，又在合理时间内实现了大规模系统的收敛。
• 该方法扩展了系统在重载条件下的运行域，使系统在超过基准工况不可行阈值后仍能保持可行。
• 采用在重标定基准负荷上施加高斯扰动的情景采样方案，有效建模了负荷分布的不确定性，同时保持了ACOPF的可行性。