主动配电网全分布式无功优化与电压控制技术

　　1.研究背景

　　1分布式资源(DER)给配电网集中式控制带来的挑战

　　传统的配电网优化是在配电网管理系统(DMS)处集中式求解。然而, 未来会有越来越多的分布式资源(包括分布式发电、分布式储能、可控负荷等)并入配电网, 形成主动配电网。由于这些网络元件的分散特性, 集中式调控将面临巨大的技术挑战:

　　信息隐私: 不同利于主体的电网运行参与方由于隐私以及安全方面的考虑, 集中式DMS可能无法获取其详细信息。

　　海量数据: 大规模DER的海量数据导致沉重的通信和数据处理负担。

　　控制敏捷: 可再生能源发电波动较大, 集中式控制时延大, 本地快速控制可以抑制波动。

　　系统可靠性: 从信息和物理两个角度而言, 集中式DMS存在单点失效问题。DMS一旦崩溃, 则整个系统都有失效的风险。

　　2主动配电网无功优化与电压控制问题特性

　　无功优化问题本质上是非凸、NP难的问题。而且, 直接用分布式算法来求解非凸问题, 一般情况下, 不存在严格的收敛性证明。因此, 许多凸化或线性化技巧可以被用来降低问题复杂度。基于支路潮流模型, 二阶锥规划(SOCP)松弛是一种非常有前景的凸化方法。它于2006年由Jabr首先提出, 并且随后被进一步拓展到辐射状网络以及含环的网络。

　　如果非凸问题被转换为凸问题, 采用分布式求解, 会相对简单, 而且有严格的收敛性证明。因此本文采用这种思路实现了全分布式的电压控制技术。

　　2.主动配电网无功优化与电压控制问题

　　考虑一个含有N个节点的主动配电网, 在中国, 变电站内的变压器是电压调节的关键设施(通过改变档位)。含有电压调节的无功优化流程如下图所示, 由两步组成: 馈线侧的无功优化, 以及变电站侧的电压调节。这两步可以独立或协调执行。

　　(1) 馈线侧的无功优化模型: 目标是通过对无功补偿装置(包含SVC、DG或电容器)的调度, 使得无功网络有功损耗最小化。约束包括二阶锥形式的Distflow潮流约束、PCC的参考电压约束、线路运行安全约束、DG及无功补偿装置的运行约束等。

　　(2) 变电站侧的电压调节: 电压是通过变电站侧的变压器来调节的。基于馈线侧的无功优化结果, 我们可以获得第u次调节的各节点电压的最大值与最小值, 并根据预先设定的极限以及电压质量的要求, 各节点的电压运行上限和下限, 计算出电压间隙, 从而对变电站分接头档位进行调整。

　　3.分布式无功优化与电压控制方法

　　直接应用交替方向乘子法(ADMM) 并不能带来全分布式的算法。尽管本地的原始变量的更新可以各区域并行执行, 全局变量需要控制中心来存储以及进行全局的更新。这里的主要改进是消去了全局变量 以及全局更新步, 大大简化了ADMM算法, 提高效率。最终D-SOCP算法流程如下(以两个区域a, b为例):

　　虽然D-SOCP的收敛性在理论上得到满足, 但如果罚因子选值不恰当, 会使得D-SOCP收敛得很慢。对基于ADMM的算法, 一种可能的拓展是根据每轮迭代实时的情况, 动态改变罚因子的取值。这里, 我们提出一种全分布式罚因子调制策略(VPP), 来改善基于ADMM的D-SOCP算法。

　　算法细节可参阅原文。