[论文解读] Tools for improving resilience of electric distribution systems with networked microgrids

Arthur K. Barnes, Harsha Nagarajan+3 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Optimal Power Flow Distribution参考文献 21被引用 18

一句话总结

本文提出了一种两阶段随机优化框架，用于通过网络化微电网、线路加固和冗余设计具有韧性的配电系统。通过利用线性化的三相潮流模型和基于分解的启发式算法，该工具识别出在极端天气下维持系统韧性的成本效益升级策略，揭示了不同成本与韧性权衡下的典型架构模式——独立微电网、加固网络和混合网络化微电网。

ABSTRACT

In the electrical grid, the distribution system is themost vulnerable to severe weather events. Well-placed and coordinatedupgrades, such as the combination of microgrids, systemhardening and additional line redundancy, can greatly reduce thenumber of electrical outages during extreme events. Indeed, ithas been suggested that resilience is one of the primary benefitsof networked microgrids. We formulate a resilient distributiongrid design problem as a two-stage stochastic program andmake use of decomposition-based heuristic algorithms to scaleto problems of practical size. We demonstrate the feasibilityof a resilient distribution design tool on a model of an actualdistribution network. We vary the study parameters, i.e., thecapital cost of microgrid generation relative to system hardeningand target system resilience metrics, and find regions in thisparametric space corresponding to different distribution systemarchitectures, such as individual microgrids, hardened networks,and a transition region that suggests the benefits of microgridsnetworked via hardened circuit segments.

研究动机与目标

• 解决辐射状配电网络在极端天气事件下的脆弱性问题，此类事件导致80%的停电事故。
• 开发一种可扩展的设计工具，以优化配电系统升级，确保在大范围停电期间达到韧性目标。
• 将实际升级选项——微电网、线路加固和冗余——整合到统一的优化框架中。
• 根据成本与韧性权衡，识别最优系统架构（例如：孤立微电网、加固网络或网络化微电网）。
• 通过使用线性化三相潮流近似模型，并借助OpenDSS进行验证，确保解决方案的物理可行性。

提出的方法

• 将具有韧性的配电网络设计建模为两阶段随机规划，以处理极端天气事件引起的线路停运不确定性。
• 采用不平衡三相潮流的线性化近似，使大规模网络中的非凸潮流方程变得可处理。
• 使用基于割集的公式替代基于潮流的公式来强制实现辐射状网络拓扑，从而提高计算效率。
• 使用可分离表达式（disjunctions）对线路投切和网络重构决策进行建模，以处理优化过程中的拓扑变化。
• 应用基于分解的启发式算法（如Benders或Benders型分解）将求解规模扩展至真实配电网络。
• 通过OpenDSS仿真验证解的最优性和物理可行性，检查电压限值、潮流分布和负荷供电情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实现目标韧性水平的前提下，投资微电网与线路加固及冗余之间的最优权衡是什么？
• RQ2 在不同成本与韧性约束下，不同系统架构（如独立微电网、加固网络或网络化微电网）如何演变？
• RQ3 在大规模、随机优化框架中使用线性化三相潮流模型是否能产生物理上有效的解？
• RQ4 与基于潮流的公式相比，使用基于割集的公式在辐射状配电网络设计中如何提升计算可扩展性？
• RQ5 当应用于真实配电网络模型时，所提出的韧性设计工具（RDT）的性能特征如何？

主要发现

• 该工具成功识别出微电网成本与加固成本参数空间中的不同架构模式，包括孤立微电网、加固网络以及偏好网络化微电网的过渡区域。
• 过渡区域表明，通过加固线路连接的网络化微电网在总成本更低的前提下，可提供比独立微电网或孤立加固更高的韧性。
• 使用线性化三相潮流模型生成的解经OpenDSS验证为物理可行，确认电压限值和潮流约束均得到满足。
• 采用基于割集的公式强制实现辐射状拓扑显著提升了计算效率，相比基于潮流的替代方案，使大规模网络的可扩展性成为可能。
• 基于分解的启发式方法使大规模随机规划在合理时间内求解成为可能，使该工具可应用于真实系统。
• 该方法表明，利用现有基础设施的网络化微电网可在比在每个关键负荷处独立部署微电网更低的资本成本下实现高水平韧性。