[论文解读] Real-Time Feedback-Based Optimization of Distribution Grids: A Unified Approach

Andrey Bernstein, Emiliano Dall’Anese|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2017

Optimal Power Flow Distribution被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于反馈的在线优化框架，用于实时控制配电网层级的分布式能源资源（DERs），采用带测量反馈的投影原始-对偶梯度法，以追踪时变的最优设定点。该方法在遵守电压、载流量和潮流约束的前提下，实现了对单个及聚合DERs的实时协调，确保收敛性与对建模误差的鲁棒性，且无需广泛部署计量装置。

ABSTRACT

This paper develops an algorithmic framework for real-time optimization of distribution-level distributed energy resources (DERs). The proposed framework optimizes the operation of both DERs that are individually controllable and groups of DERs (i.e., aggregations) at an electrical point of connection that are jointly controlled. From an electrical standpoint, wye and delta single- and multi-phase connections are accounted for. The algorithm enables (groups of) DERs to pursue given performance objectives, while adjusting their (aggregate) powers to respond to services requested by grid operators and to maintain electrical quantities within engineering limits. The design of the algorithm leverages a time-varying bi-level problem formulation capturing various performance objectives and engineering constraints, and an online implementation of primal-dual projected-gradient methods. The gradient steps are suitably modified to accommodate appropriate measurements from the distribution network and the DERs. By virtue of this approach, the resultant algorithm can cope with inaccuracies in the distribution-system modeling, it avoids pervasive metering to gather the state of non-controllable resources, and it naturally lends itself to a distributed implementation. Analytical stability and convergence claims are established in terms of tracking of the solution of the formulated time-varying optimization problem. The proposed method is tested in a realistic distribution system with real data.

研究动机与目标

• 解决在时变条件和系统状态不确定下，配电网层级DERs实时最优运行的挑战。
• 克服传统开环优化的局限性，包括计算延迟、建模误差以及对不可控资源广泛计量的依赖。
• 在遵守多相交流潮流约束的前提下，实现实时协调单个DERs与聚合组（例如共用接入点后的组）的运行。
• 开发一种分布式、可扩展的算法，仅使用本地测量数据，追踪时变双层优化问题的最优解。

提出的方法

• 构建一个时变双层凸优化问题，以捕捉DERs的性能目标与工程约束，包括电压限值、载流量和并网潮流目标。
• 实施在线原始-对偶投影梯度法，其中梯度步长通过配电网和DERs的实时电压、有功/无功功率及电流测量值进行修正。
• 利用多相交流潮流方程的固定点线性化方法，将星形与三角形连接统一于单一数学框架下，实现一致建模。
• 使用Minkowski和的内逼近方法表示聚合DERs的可行运行区域，并推导基于梯度的功率指令分解规则，以分配至各台设备。
• 将反馈机制集成至梯度计算中，以校正建模误差与测量不确定性，确保鲁棒性与可行性。
• 通过在DERs与聚合器之间分解优化任务，避免集中式全系统状态估计，实现分布式实施。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于反馈的在线优化框架是否能在时变系统条件与建模误差下，实现对最优DER设定点的实时追踪？
• RQ2 如何在遵守单个设备约束与系统限值的前提下，对聚合DERs（如共用电表后的组）实现最优协调？
• RQ3 所提方法在不牺牲解可行性的情况下，能在多大程度上减少对不可控资源广泛计量的依赖？
• RQ4 在存在测量噪声与模型误差的情况下，该在线算法的收敛性与稳定性可建立何种理论保证？
• RQ5 在包含异构单相与三相DERs的真实配电网系统中，基于真实数据，该算法的性能如何？

主要发现

• 所提出的基于反馈的在线算法确保了对时变双层优化问题最优解的渐近追踪，具备理论上的收敛性与稳定性保证。
• 通过在梯度计算中引入实时测量数据，该方法对交流潮流模型表示中的建模误差表现出鲁棒性。
• 无需对不可控资源进行广泛计量，因为该算法仅依赖于DERs与配电网的本地测量数据。
• 该框架支持单个与聚合DERs的控制，并通过Minkowski和逼近方法系统性地计算了群体可行运行区域。
• 该算法支持分布式实施，可在无需全系统状态信息的情况下，实现多个DERs与聚合器之间的协调。
• 在包含真实光伏与电池数据的典型配电网馈线上的仿真结果表明，该方法有效实现了电压调节、损耗最小化，并满足了运行约束。