KR20080047755A - The optimal power flow algorithm by nonlinear interior point method - Google Patents

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KR20080047755A
KR20080047755A KR1020060117613A KR20060117613A KR20080047755A KR 20080047755 A KR20080047755 A KR 20080047755A KR 1020060117613 A KR1020060117613 A KR 1020060117613A KR 20060117613 A KR20060117613 A KR 20060117613A KR 20080047755 A KR20080047755 A KR 20080047755A
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Abstract

An optimal power flow algorithm by a nonlinear interior point method is provided to calculate optimal values for parameters of a dynamic model of a system element. An optimal power flow algorithm by a nonlinear interior point method includes the steps of: calculating an initial power flow to determine internal parameters of a dynamic model(S100); initializing variables through primal-dual variables for equilibrium optimization(S110); checking whether the initialized variables are converged to the equilibrium optimization and directly outputting the initialized variables when the initialized variables are converged to the equilibrium optimization(S120); selecting a barrier parameter when the initialized variables are not converged to the equilibrium optimization and indirectly calculating an optimal solution through a KKT(Karush-Kuhn-Tucker) first-order optimal necessary condition(S130); transforming the last two equations of the KKT condition into a Hessian matrix(S140); and calculating an optimal power flow of a power system through correction of the primal-dual variables by applying a Newton's method to calculate a solution satisfying the KKT first-order optimal necessary condition equation and the Hessian matrix equation of the last two equations of the KKT condition(S150).

Description

비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘{THE OPTIMAL POWER FLOW ALGORITHM BY NONLINEAR INTERIOR POINT METHOD}Power System Equilibrium Point Optimization Algorithm using Non-Linearized Point Method {THE OPTIMAL POWER FLOW ALGORITHM BY NONLINEAR INTERIOR POINT METHOD}

도 1은 본 발명에 따른 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘의 순서도,1 is a flow chart of a power system balance point optimization algorithm using a nonlinear visiting method according to the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘을 적용한 IEEE DC Type-I 여자기 모델을 도시한 블록구성도,2 is a block diagram showing an IEEE DC Type-I exciter model to which a power system equilibrium point optimization algorithm using a nonlinear visiting method according to the present invention is applied;

도 3은 본 발명에 따른 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘을 적용한 간략화된 조속기 모델을 도시한 블록구성도.3 is a block diagram illustrating a simplified governor model to which a power system balance point optimization algorithm using a nonlinear branching method according to the present invention is applied.

도 4는 본 발명에 따른 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘을 적용한 6 모선 시험 계통을 도시한 일실시예도.4 is an exemplary diagram illustrating a six bus test system to which a power system balance point optimization algorithm using a nonlinear point method according to the present invention is applied.

본 발명은 전력계통에 포함된 기기들은 동적인 응동 특성을 가지고 있는 모델로 표현되며, 이러한 동적모델에 대한 평형점 방정식을 송전망 제약 및 운전 제 약과 함께 해당 목적함수를 갖는 최적화 정식의 해를 구하는 것으로 각 기기의 제어 및 운용의 해를 결정할 때 계통요소의 동적모델의 상태변수에 대한 평형점이 함께 고려됨으로 좀 더 물리적인 현상에 가까운 해를 구할 수 있는 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘에 관한 것이다. In the present invention, the devices included in the power system are represented by a model having dynamic response characteristics. The equilibrium point equation for the dynamic model is solved by an optimization formula having a corresponding objective function along with transmission network constraints and operational constraints. In determining the solution of each device, the equilibrium points for the state variables of the dynamic model of the system elements are considered together. It is about.

최근 전력산업에 경쟁원리의 도입에 따라, 발전, 송전, 배전을 모두 한 전력회사가 담당하는 과거의 독점적인 산업으로부터, 현재 우리나라 전력산업은 1차적인 구조개편으로서 발전사업의 사유화가 진행되고 경쟁원리에 따라 전력공급이 이루어지고 있으며, 향후 도입될 것으로 예상되는 양방향 입찰까지 전력산업은 큰 변화를 경험하게 된다. With the introduction of the principle of competition in the electric power industry, the Korean electric power industry is now undergoing a privatization of the power generation business as a primary restructuring. Electricity is being supplied according to the principle, and the power industry will experience great changes until the two-way bidding, which is expected to be introduced in the future.

이러한 환경에서는 각 부하수준에서의 경쟁원리에 따라 다양한 발전패턴을 갖도록 운전되므로, 계통 운영 측면에서 불확실성 (Uncertainty)이 증가하게 된다. 따라서 계통 고장 발생 시 운전제약 위반의 가능성을 늘어나게 된다. 그러므로 전력시장 환경에서 전력계통 운영문제의 핵심적인 현안 중 하나는 계통이 정상 및 고장 상태에서 운영제약을 만족하며 운전되도록 하는 시스템 안전도(Security)를 적정히 유지하는 것이며, 이는 효율적인 전력시장 운영을 위한 기본적인 목적에 밀접한 관련을 가지고 있다.  In this environment, it operates with various power generation patterns according to the competition principle at each load level, thus increasing the uncertainty in the system operation. This increases the likelihood of a breach of operating constraints in the event of a system failure. Therefore, one of the key issues in power system operation in the power market environment is to maintain adequate system security that ensures that the system operates under normal and faulty operating constraints. It is closely related to the basic purpose.

현재까지 전력 시스템의 DAE 모델을 고려한 평형점 최적화에 대한 연구는 아직까지 수행된 바 없다. 전력시스템 모델 기반의 궤적 최적화 (Trajectory Optimization)에 대한 정식은 제안된 바 있으나, 해 (제어방안)의 결정은 시모의 방법을 기반으로 한 Trial-and-error의 이산 제어 기법이 적용되었다. To date, no research on the balance point optimization considering the DAE model of the power system has been conducted. The formulation of Trajectory Optimization based on power system model has been proposed, but Trial-and-error Discrete Control Technique based on Simo's method is applied to the decision of solution.

또한 전력 시스템의 DAE 모델을 고려하여 주어진 부하증가에 대하여 평형해의 경로를 추적하기 위해 연속법 (Continuation method) 이 적용된 바 있으며, 이와 관련하여 발전기 Flux-decay 모델을 포함하는 전력 시스템 DAE 모델의 Saddle-node bifurcation (SNB) 점 (연속법에서의 꼭지점)을 직접구하기 위해 직접법이 제안되었으나 최적화 정식에 해당하지 않는다.   In addition, a continuous method has been applied to track the path of the equilibrium solution for a given load increase considering the DAE model of the power system.In this regard, the saddle of the power system DAE model including the generator flux-decay model The direct method is proposed to directly obtain the -node bifurcation (SNB) point (the vertex in the continuous method), but it is not an optimization formulation.

선형 계획법 (LP, linear programming)의 해법으로 적용되었던 내점법은 그 우수성 때문에 최근 많은 응용 문제의 해법으로 각광받고 있다. 비록 Interior Point Method의 초기 논문이 1950년대 초에 나왔고, Fiacco와 McCormick 에 의해 상세히 연구되었지만, 그때 이후, Karmarer 가 LP를 위한 그의 Polynomial-time Algorithm을 발표했을 때인 1984 년에서야 Interior Point Method의 큰 발전이 이루어졌다.  The spot method, which has been applied as a solution for linear programming (LP), has recently been in the spotlight as a solution for many application problems because of its superiority. Although the early papers of the Interior Point Method were published in the early 1950s and were studied in detail by Fiacco and McCormick, afterwards, the major development of the Interior Point Method was not until 1984, when Karmarer published his Polynomial-time Algorithm for LP. Was done.

비선형 내점법에 대한 최적조류계산 (OPF, Optimal Power Flow)에 대한 적용은 Granville에 의하여 시작되었다. 이후 일본의 Sasaki 그룹에서 perturbed KKT (Karush-Kuhn-Tucker) 조건을 이용한 내점법 기반의 최적조류계산이 개발된 바 있다.   The application of Optimal Power Flow (OPF) to the nonlinear visiting method was initiated by Granville. Since then, the Sasaki Group of Japan has developed an optimal algae calculation based on the visit method using perturbed KKT (Karush-Kuhn-Tucker) conditions.

이러한 목적으로 최적조류계산 (OPF, Optimal Power Flow)이 현재 이용되고 있으며, 이러한 최적전력조류 과정은 전력의 발전-송전 계통에서 최적의 정적 상태 운전점을 결정하는 방법으로 구성되어 있으며, 이 방법은 선정된 목적함수의 값을 최소화시키며 물리적 제약 (송전망 제약, Network constraints)과 운전 제약 (Operational constraints)을 만족시키게 된다. Optimal Power Flow (OPF) is currently used for this purpose, and this optimal power flow process consists of determining the optimal static state operating point in the power generation-transmission system. It minimizes the selected objective function and satisfies physical constraints (network constraints) and operational constraints.

그러나 최적조류계산은 정적인 송전망 제약만을 포함하고 있어 계통 요소의 동적인 특성이 반영되지 않는다. 이러한 문제로 인한 오차는 특히 계통고장 상황에서 훨씬 심각하다. 본 지원자의 경험으로 계통 고장 상태에서는 계통 주파수는 60Hz로부터 어느 정도 벗어나 있어, 최적조류계산과 같이 전력조류계산 (송전망) 제약만을 고려할 경우 실제 계통 상태와 상당한 오차가 존재하는 문제점이 있었다.  However, the optimal bird calculation includes only static grid constraints and does not reflect the dynamic characteristics of the grid elements. Errors caused by these problems are even more severe, especially in line breakdown situations. According to the experience of the applicant, the system frequency is somewhat different from 60 Hz in the system fault state, and there is a problem that there is a significant error with the actual system state when considering only the power current calculation (transmission network) constraints such as the optimal bird calculation.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명에서는 미분·대수방정식으로 표현되는 전력 시스템의 평형점 최적화 (Equilibrium Optimization)를 통하여, 시스템 운영 및 제어 목적에 따른 최적의 운전점을 결정하기 위해 비선형 내점법을 적용한 알고리즘을 개발한다. 본 알고리즘은 기존의 최적조류계산 보다 좀 더 계통 현상에 가까운 상태에 대한 최적해를 구하는 데 그 목적이 있다.In the present invention devised to solve the above problems, through the equilibrium optimization of the power system expressed by the differential, logarithmic equation, nonlinear visit method to determine the optimal operating point according to the system operation and control purposes Develop an algorithm that applies. The purpose of this algorithm is to find the optimal solution for the state that is more systematic than the existing optimal algal calculation.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘은,In order to achieve the above object, the power system balance point optimization algorithm using the nonlinear visiting method according to the present invention,

발전기의 발전 코스트를 최소로 하는 목적함수와, 각각의 동적모델 평점 방정식 및 전기네트워크 방정식에 해당하는 함수와, 전력계통 운영 제약을 나타내는 부등호 제약 함수로 해당전력계통에 있어서의 여러 계약조건을 수식화하여 비선형 최적화 모형으로 표현하고, 최적화의 해를 구하기 위해 슬랙변수를 도입하여 부등호 제약을 등호제약으로 바꾼 후, 라그랑지안 함수를 구성하며, 그 라그랑지안 함수에 대하여 KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 1차 최적 필요조건을 구성하여 간접적으로 최적해를 구하며, 그 KKT 조건에서 마지막 두식(LSL, LSU)에 헤시안 행렬을 구성하고, 최종적으로 주어진 초기점으로부터 라그랑지안 함수에 대하여 KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 1차 최적 필요조건 방정식과, KKT 조건에서 마지막 두식(LSL, LSU)에 헤시안 행렬 방정식을 만족하는 해를 구하기 위해 뉴톤법이 적용되어 주 쌍대 변수가 수정됨으로서 전력계통상의 최적조류계산을 구함으로서 달성된다.The objective function for minimizing the generation cost of the generator, the functions corresponding to the dynamic model rating equations and the electric network equations, and the inequality constraint functions representing the power system operating constraints are formulated to formulate various contract conditions in the power system. Expressed as a nonlinear optimization model, introduced slack variables to change the inequality constraints to equal constraints, constructs a Lagrangian function, and requires KKT (Karush-Kuhn-Tucker) first order optimization for the Lagrangian function. Construct the condition to find the optimal solution indirectly, construct the Hessian matrix in the last two expressions (L SL , L SU ) in the KKT condition, and finally, KKT (Karush-Kuhn-Tucker) 1 for the Lagrangian function from the given initial point. Find a solution that satisfies the Hessian matrix equation for the second best requirement equation and the last two equations (L SL , L SU ) under KKT Newton's method is applied to achieve this by modifying the main dual variables to find the optimal algal calculation in the power system.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 본 발명에 따른 최적조류 계산 및 평형점 최적화 알고리즘에 관해 설명한다.First, the optimal algae calculation and balance point optimization algorithm according to the present invention will be described.

최근 전력산업에 경쟁원리의 도입에 따라, 발전, 송전, 배전을 모두 한 전력회사가 담당하는 과거의 독점적인 산업으로부터, 현재 우리나라 전력산업은 1차적인 구조개편으로서 발전사업의 사유화가 진행되고 경쟁원리에 따라 전력공급이 이루어지고 있으며, 향후 도입될 것으로 예상되는 양방향 입찰까지 전력산업은 큰 변 화를 경험하게 된다. With the introduction of the principle of competition in the electric power industry, the Korean electric power industry is now undergoing a privatization of the power generation business as a primary restructuring. Electricity is being supplied according to the principle, and the electric power industry will experience great changes until the two-way bidding, which is expected to be introduced in the future.

이러한 환경에서는 각 부하수준에서의 경쟁원리에 따라 다양한 발전패턴을 갖도록 운전되므로, 계통 운영 측면에서 불확실성 (Uncertainty)이 증가하게 된다. 따라서 계통 고장 발생 시 운전제약 위반의 가능성을 늘어나게 된다. 그러므로 전력시장 환경에서 전력계통 운영문제의 핵심적인 현안 중 하나는 계통이 정상 및 고장 상태에서 운영제약을 만족하며 운전되도록 하는 시스템 안전도(Security)를 적정히 유지하는 것이며, 이는 효율적인 전력시장 운영을 위한 기본적인 목적에 밀접한 관련을 가지고 있다.  In this environment, it operates with various power generation patterns according to the competition principle at each load level, thus increasing the uncertainty in the system operation. This increases the likelihood of a breach of operating constraints in the event of a system failure. Therefore, one of the key issues in power system operation in the power market environment is to maintain adequate system security that ensures that the system operates under normal and faulty operating constraints. It is closely related to the basic purpose.

이러한 목적으로 최적조류계산 (OPF, Optimal Power Flow)이 현재 이용되고 있으며, 이러한 최적전력조류(OPF) 과정은 전력의 발전-송전 계통에서 최적의 정적 상태 운전점을 결정하는 방법으로 구성되어 있으며, 이 방법은 선정된 목적함수의 값을 최소화시키며 물리적 제약 (송전망 제약, Network constraints)과 운전 제약 (Operational constraints)을 만족시키게 된다.  Optimal Power Flow (OPF) is currently used for this purpose, and this OPF process consists of determining the optimal static operating point in the power generation-transmission system. This method minimizes the selected objective function and satisfies physical constraints (network constraints) and operational constraints.

그러나 최적조류계산은 정적인 송전망 제약만을 포함하고 있어 계통 요소의 동적인 특성이 반영되지 않는다. 이러한 문제로 인한 오차는 특히 계통고장 상황에서 훨씬 심각하다. 본 발명자의 경험상 계통 고장 상태에서는 계통 주파수는 60Hz로부터 어느 정도 벗어나 있어, 최적조류계산과 같이 전력조류계산 (송전망) 제약만을 고려할 경우 실제 계통 상태와 상당한 오차가 존재할 수 있다.   However, the optimal bird calculation includes only static grid constraints and does not reflect the dynamic characteristics of the grid elements. Errors caused by these problems are even more severe, especially in line breakdown situations. In the experience of the present inventors, in the system failure state, the system frequency is deviated to some extent from 60 Hz, and there may be a significant error with the actual system state when considering only the power current calculation (transmission network) constraints such as the optimum bird calculation.

본 발명에서는 계통요소들을 나타내는 동적 모델들을 송전망 제약과 함께 최적화 문제에 포함시킴으로써, 주어진 목적함수에 따라 계통 고장시 좀더 실제 계 통 현상에 가까운 최적해를 구하는 알고리즘을 제안하고자 한다.   In the present invention, by including the dynamic models representing the grid elements in the optimization problem along with the transmission network constraints, we propose an algorithm that obtains an optimal solution closer to the actual system phenomena in the event of a system failure according to a given objective function.

본 발명에서는 본 알고리즘을 평형점 최적화 (EOPT, Equilibrium optimization)로 명명한다. In the present invention, the algorithm is called equilibrium optimization (EOPT).

평형점 최적화 알고리즘은 다음의 수학식 1과 같이 비선형 최적화 모형으로 표현될 수 있다.  The equilibrium point optimization algorithm may be represented by a nonlinear optimization model as shown in Equation 1 below.

Figure 112006087192995-PAT00001
Figure 112006087192995-PAT00001

여기에서 f(·)는 목적함수를 의미하고, hD(·)와 hA(·)는 각각 동적모델의 평형점 방정식 및 전기 네트워크 방정식에 해당하는 함수를 나타내고 있다. 그리고 (1) 식에서 g(·)는 전력계통 운영 제약을 나타내는 부등호 제약 함수를 표현한다. gmin과 gmax는 g에 대한 상하한에 해당하는 벡터이다. xy는 각각 상태변수 및 대수변수를 나타내는 벡터이며, up는 각각 제어변수 및 파라미터를 표현한다.Here, f (·) denotes an objective function, and hD (·) and hA (·) denote functions corresponding to the equilibrium point equation and the electric network equation of the dynamic model, respectively. In the equation (1), g (·) represents an inequality constraint function representing a power system operating constraint. g min and g max are the vectors corresponding to the upper and lower limits for g . x and y are vectors representing state variables and algebraic variables, respectively, and u and p represent control variables and parameters, respectively.

이어서, 본 발명에 따른 최적화 문제의 해를 구하기 위하여 먼저 슬랙 변수 (sL, s U )를 도입하여 부등호제약을 등호제약으로 바꾼 후, 다음의 수학식 2와 같이 라그랑지안 함수를 구성한다.Subsequently, in order to solve the optimization problem according to the present invention, a slack variable (s L , s U ) is first introduced to convert an inequality constraint into an equality constraint, and then a Lagrangian function is constructed as in Equation 2 below.

Figure 112006087192995-PAT00002
Figure 112006087192995-PAT00002

여기에서 λ D , λ A 는 각각 등호제약 중 미분방정식 및 대수방정식에 관한 제약의 라그랑지안 승수를 나타낸다. π L π U 는 각각 부등호 제약을 등호제약으로 변환한 함수에 대한 라그랑지안 승수를 의미한다. 그리고 μ는 Log 장벽 파라미터에 해당하며 해가 실행영역 안에서 결정되도록 한다.Here, λ D and λ A represent the Lagrangian multipliers of the constraints on the differential equation and the logarithmic equation among the equal signs. π L and π U are the Lagrangian multipliers for the function that converts the inequality constraint to the equality constraint, respectively. And μ corresponds to the log barrier parameter, allowing the solution to be determined within the execution domain.

내점법은 위와 같은 라그랑지안 함수에 대하여 KKT (Karush-Kuhn-Tucker) 1차 최적 필요조건을 다음의 수학식 3과 같이 구성하여 간접적으로 최적해를 구하게 된다.  The visit method finds an optimal solution indirectly by constructing the KKT (Karush-Kuhn-Tucker) first order optimal condition for the Lagrangian function as shown in Equation 3 below.

Figure 112006087192995-PAT00003
Figure 112006087192995-PAT00003

위의 KKT 조건에서 마지막 두식은 다루기가 어려움으로 다음의 수학식 4와 같이 변형한다.  In the above KKT condition, the last two expressions are difficult to handle and are transformed as shown in Equation 4 below.

Figure 112006087192995-PAT00004
Figure 112006087192995-PAT00004

최종적으로 주어진 초기점으로부터 수학식 3 및 수학식 4를 만족하는 해를 구하기 위해 뉴톤법이 적용되며, 이에 해당하는 수정방정식은 다음의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.Finally, Newton's method is applied to obtain a solution satisfying Equations 3 and 4 from a given initial point, and a modified equation corresponding thereto may be expressed as Equation 5 below.

Figure 112006087192995-PAT00005
Figure 112006087192995-PAT00005

이하, 본 발명에 따른 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘을 통해 동기 발전기 2축 모델, 여자기 및 간략화된 조속기 모델, ULTC 모델 및 정적/동적 부하모델 등에 적용하여 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described by applying a synchronous generator two-axis model, an exciter and a simplified governor model, a ULTC model, and a static / dynamic load model through a power system balance point optimization algorithm using a nonlinear point method according to the present invention.

먼저, 전력 시스템에 대한 동적 모델의 평형점 최적화 내용은 다음과 같이 정리할 수 있다.First, the balance point optimization of the dynamic model for the power system can be summarized as follows.

첫째, 평형점 최적화 정식화에 포함되는 모델로서, 발전기 2축 (Two-axis) 모델, 기본 여자기 모델, 간략화된 조속기 모델, 부하모델로 정의한다.First, the model included in the balance point optimization formulation is defined as the generator two-axis model, the basic exciter model, the simplified governor model, and the load model.

둘째, 정식화에 적용되는 비선형 최적화 기법인 주-쌍대 비선형 내점법 (자코비안 및 헤시안 행렬)을 사용한다.Second, we use the main-twin nonlinear visiting method (Jacobian and Hessian matrix), which is a nonlinear optimization technique applied to formulation.

셋째, 제어 파라미터 편차(Deviation)를 최소화하는 목적함수를 설정한다.Third, set an objective function that minimizes control parameter deviation.

이러한 전력 시스템에 대한 DAE 모델의 평형점 최적화 내용을 통해 본 발명에 따른 비선형 내점법 기반의 평형점 최적화 프로그램의 제작과정에 관해 설명한다.Through the content of the balance point optimization of the DAE model for the power system will be described the manufacturing process of the balance point optimization program based on the non-linear point method according to the present invention.

먼저, 동적 모델 내부 파라미터를 결정하기 위한 초기 조류계산을 수행한다(S100).First, an initial algae calculation for determining a dynamic model internal parameter is performed (S100).

이때 데이터는 네트워크 데이터, 동적 데이터, 실제 전력계통상의 상정사고 데이터 등이 입력된다.At this time, network data, dynamic data, assumed accident data on a real power system, and the like are input.

여기서, 평형점 최적화(EOPT)를 포함하는 동적 모델 데이터는 다음과 같다.Here, the dynamic model data including the balance point optimization (EOPT) is as follows.

먼저, 발전기 2축 모델은 수학식 6과 같이 표현된다.First, the generator two-axis model is expressed as in Equation 6.

Figure 112006087192995-PAT00006
Figure 112006087192995-PAT00006

다음으로, 도 2에 도시된 IEEE DC Type-I 여자기 모델은 수학식 7과 같이 표현된다.Next, the IEEE DC Type-I exciter model shown in FIG. 2 is expressed by Equation 7.

Figure 112006087192995-PAT00007
Figure 112006087192995-PAT00007

다음으로, 도 3에 도시된 간략화된 조속기 모델은 수학식 8과 같이 표현된다.Next, the simplified governor model shown in FIG. 3 is represented by Equation (8).

Figure 112006087192995-PAT00008
Figure 112006087192995-PAT00008

그리고, 부하모델은 수학식 9와 같이 표현된다.The load model is represented by Equation (9).

Figure 112006087192995-PAT00009
Figure 112006087192995-PAT00009

이어서, 평형점 최적화를 위해 주 쌍대 변수를 통해 변수를 초기화한다(S110).Subsequently, the variable is initialized through the main dual variable for the balance point optimization (S110).

이렇게 초기화한 변수들이 평형점 최적화에 수렴한지 여부를 체크한다(S120). It is checked whether the variables initialized as described above converge to the balance point optimization (S120).

평형점 최적화에 수렴하면 바로 출력하고, 수렴하지 않으면 장벽 (Barrier) 파라미터 선택한다.If converged to the balance point optimization, the output is immediately output. If not, the barrier parameter is selected.

이어서, KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 1차 최적 필요조건을 구성하여 간접적으로 최적해를 구한다(S130).Subsequently, a Krush (Karush-Kuhn-Tucker) first optimal requirement is constructed to indirectly obtain an optimal solution (S130).

이어서, KKT 조건에서 마지막 두식(LSL, LSU)를 헤시안 행렬로 변형하여 구성한다(S140).Subsequently, the final two expressions (LSL and LSU) are transformed into a Hessian matrix under KKT conditions (S140).

이어서, KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 1차 최적 필요조건 방정식과, KKT 조건에서 마지막 두식(LSL, LSU)에 헤시안 행렬 방정식을 만족하는 해를 구하기 위해 뉴톤법이 적용되어, 주 쌍대 변수가 수정됨으로서 전력계통상의 최적조류가 계산된다(S150).Subsequently, the Newton's method is applied to find a solution that satisfies the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) first order optimal requirement equation and the Hessian matrix equation for the last two expressions (LSL, LSU) in the KKT condition. By correcting the optimal algae on the power system is calculated (S150).

이하, 본 발명에 따른 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘의 유용성을 설명하기 위하여, 도 4에 도시한 바와 같이, 간단한 6 모선 시험 계통에 본 발명을 적용한 결과를 일실시예로 설명한다. Hereinafter, in order to explain the usefulness of the power system balance point optimization algorithm using the nonlinear spot method according to the present invention, the results of applying the present invention to a simple 6 bus test system will be described as an example. .

본 발명에 적용된 네트워크 및 동적 모델 데이터는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같다. 여기에서 동적 모델 데이터는 위에서 설명한 수학식 6의 발전기 2축 모델, 수학식 7의 여자기 모델, 수학식 8의 조속기 모델 파라미터들을 포함하고 있다.Network and dynamic model data applied to the present invention is as shown in Figs. The dynamic model data includes the generator 2-axis model of Equation 6, the exciter model of Equation 7, and the governor model parameters of Equation 8 described above.

기본 조류계산 데이터Basic bird calculation data 모선 (Bus #)Mothership (Bus #) Volt [pu]Volt [pu] Angle [degree]Angle [degree] PL [MW]P L [MW] QL [MVAr]Q L [MVAr] PG [MW]PG [MW] QG [MVAr]QG [MVAr] 1One 1.05001.0500 0.000.00 ·· ·· 96.9896.98 62.3962.39 22 1.00001.0000 -0.42-0.42 ·· ·· 50.0050.00 7.437.43 33 0.95100.9510 -13.27-13.27 55.0055.00 13.0013.00 ·· ·· 44 0.89260.8926 -9.98-9.98 ·· ·· ·· ·· 55 0.84780.8478 -12.52-12.52 30.0030.00 18.0018.00 ·· ·· 66 0.87530.8753 -12.43-12.43 50.0050.00 5.005.00 ·· ··

발전기 데이터 (여자기, 조속기 모델 포함)Generator data (including exciter and governor models) 발전기 (Gen #)Generator (Gen #) XdXd XqXq Xd'Xd ' Xq'Xq ' RsRs Tdo'Tdo ' Tqo'Tqo ' 1One 0.9950.995 0.5680.568 0.1950.195 0.5680.568 00 10.810.8 0.50.5 22 0.6190.619 0.1340.134 0.2380.238 0.3650.365 00 7.47.4 0.50.5 발전기 (Gen #)Generator (Gen #) DD HH MVAMVA KeKe TeTe SeSe KaKa 1One 00 6.416.41 200200 1One 0.250.25 0.10.1 2020 22 00 3.83.8 113113 1One 0.250.25 0.10.1 2020 발전기 (Gen #)Generator (Gen #) TaTa KfKf TfTf TchTch TgTg RgRg VrmaxVrmax 1One 0.060.06 0.040.04 1One 1.61.6 0.20.2 0.050.05 33 22 0.060.06 0.040.04 1One 1.61.6 0.20.2 0.050.05 33

또한 부하모델 파라미터에 해당하는 유효부하 승수 α, β 는 모두 0을 이용하여 정전력 부하모델을 사용하였다. Also, the effective load multipliers α and β corresponding to the load model parameters were all zeros and the constant power load model was used.

그리고 적용된 평형점최적화의 목적함수는 다음의 수학식 10과 같다.The objective function of the applied equilibrium point optimization is as shown in Equation 10 below.

Figure 112006087192995-PAT00010
Figure 112006087192995-PAT00010

상기 수학식 1O에서 Pgsi는 i번째 발전기의 조속기 모델의 유효전력 지정값를 나타내며,

Figure 112006087192995-PAT00011
는 EOPT 알고리즘 수행전의 초기값을 의미한다. P gsi in Equation 10 represents an active power designation value of the governor model of the i th generator,
Figure 112006087192995-PAT00011
Means the initial value before executing the EOPT algorithm

Vrefi는 i번째 발전기에 포함된 여자기 모델에서의 발전기 단자전압의 지정값에 해당하고,

Figure 112006087192995-PAT00012
는 그 초기값을 나타낸다. V refi corresponds to the generator terminal voltage specified in the exciter model included in the i th generator,
Figure 112006087192995-PAT00012
Indicates its initial value.

그리고, WPgsi, WVrefi는 각각 Pgsi, Vrefi의 초기값으로부터의 변화량에 대한 가중치를 의미한다. W Pgsi and W Vrefi mean weights for the amount of change from the initial values of P gsi and V refi , respectively.

표 1에서 나타난 바와 같이 4, 5, 6번 모선의 초기 전압은 0.9 pu 미만이므로 본 발명의 실시예에서는 먼저 무효전력 디스패치(Dispatch) 문제를 적용하여 모든 모선의 전압이 0.9 pu ~ 1.1 pu 범위 내에서 존재하도록 하기 위해, 여자기의 발전기 모선 전압의 기준 전압에 해당하는 Vref의 최적값을 EOPT를 통해서 구한다. 앞의 목적함수에서 두 번째 성분의 가중치에 해당하는 WVrefi를 100.0으로 지정하였 다. 그 외의 목적함수와 관련 있는 파라미터들이 다음 표3에 나열되어 있다.As shown in Table 1, since the initial voltage of buses 4, 5, and 6 is less than 0.9 pu, in the embodiment of the present invention, first, the reactive power dispatch problem is applied so that all bus voltages are within the range of 0.9 pu to 1.1 pu. In order to exist at, the optimum value of Vref corresponding to the reference voltage of the generator bus voltage of the exciter is obtained through EOPT. In the previous objective function, W Vrefi corresponding to the weight of the second component is set to 100.0. The other parameters related to the objective function are listed in Table 3 below.

유효전력 디스패치(Dispatch) 문제 적용시 목적함수 파라미터Objective function parameter when applying active power dispatch problem 발전기 (Gen #)Generator (Gen #)

Figure 112006087192995-PAT00013
Figure 112006087192995-PAT00013
Figure 112006087192995-PAT00014
Figure 112006087192995-PAT00014
Figure 112006087192995-PAT00015
Figure 112006087192995-PAT00015
Figure 112006087192995-PAT00016
Figure 112006087192995-PAT00016
Figure 112006087192995-PAT00017
Figure 112006087192995-PAT00017
Figure 112006087192995-PAT00018
Figure 112006087192995-PAT00018
1One 0.96980.9698 0.95980.9598 0.97980.9798 1.1276931.127693 1.01.0 1.21.2 22 0.50000.5000 0.49000.4900 0.51000.5100 1.0580231.058023 1.01.0 1.21.2

위 표 3에서 조속기 모델의 파라미터에 해당하는 Pgs의 초기값 및 상하한값 들이 포함되어 있으며, 2 MW (0.02 pu) 범위 내에서 변동될 수 있도록 지정되어 있다. EOPT 문제에서는 시스템 주파수 제약이 포함되어 있으며 이는 0.999 pu ~ 1.001 pu 에 해당한다. 최적해를 구하기 위하여 EOPT는 11회 반복이 수행되었으며, 최적해는 제약의 상보 갭 (Complimentary gap)과 네트워크 등호 제약의 미스매치(Mismatch)가 각각 10-5과 10-4 범위 내에 존재하도록 결정되었다. 6 모선 시험계통에서는 2기의 발전기가 존재하고 이에 대한 최적해에서의 Vref값은 1번 모선의 발전기의 경우는 1.16671285 pu, 2번 모선의 발전기의 경우는 1.1023135 pu로 나타났으며, 이는 표 3에서의 초기 지정값에 비해 약간 상승한 값에 해당한다.In Table 3 above, the initial value and the upper and lower limit values of Pgs corresponding to the parameters of the governor model are included. The EOPT problem includes system frequency constraints, which range from 0.999 pu to 1.001 pu. In order to find the optimal solution, the EOPT was repeated 11 times, and the optimal solution was determined such that the complementary gap of constraints and the mismatch of network equality constraints were in the range of 10-5 and 10-4, respectively. In the 6 bus system, there are two generators, and the optimum solution for the Vref is 1.16671285 pu for the generator of bus 1 and 1.1023135 pu for the generator of bus 2. It is a slightly higher value than the initial value of.

다음의 표 4에서는 무효전력 디스패치(Dispatch) 문제의 최적해에 대한 네트워크 데이터를 보이고 있다. 여기에서 모든 모선의 전압이 0.9 pu 이상으로 적절한 해가 결정되었음을 알 수 있다. EOPT 결과로 인하여 슬랙 모선 (1번 모선)의 전압각이 더 이상 기준이 되는 0이 아니며, 기준 발전기 위상각에 해당하는 2번 모선의 회전자(Rotor) 각이 EOPT 정식의 기준각이다. Table 4, below, shows the network data for the optimal solution of the reactive power dispatch problem. From this, we can see that the proper solution is determined as the voltage of all buses is 0.9 pu or more. Due to the EOPT result, the voltage angle of the slack bus (bus 1) is no longer 0, and the rotor angle of bus 2, which corresponds to the reference generator phase angle, is the reference angle of the EOPT formula.

무효전력 디스패치(Dispatch) 문제의 최적해에 대한 네트워크 데이터Network data for optimal solution of reactive power dispatch problem 모선 (Bus #)Mothership (Bus #) Volt [pu]Volt [pu] Angle [degree]Angle [degree] PL [MW]P L [MW] QL [MVAr]Q L [MVAr] PG [MW]P G [MW] QG [MVAr]Q G [MVAr] 1One 1.09071.0907 1.741.74 ·· ·· 96.9896.98 50.3650.36 22 0.04110.0411 -0.03-0.03 ·· ·· 48.0748.07 11.5111.51 33 0.93900.9390 -10.77-10.77 55.0055.00 13.0013.00 ·· ·· 44 0.96330.9633 -7.42-7.42 ·· ·· ·· ·· 55 0.90000.9000 -10.13-10.13 30.0030.00 18.0018.00 ·· ·· 66 0.94260.9426 -9.72-9.72 50.0050.00 5.005.00 ·· ··

또한 EOPT의 수행을 통해서 결정된 최적해의 시스템 주파수는 1.0004988 pu로, Vref값을 최적해에 해당하는 값으로 제어를 수행할 때 시스템 주파수가 약간 상승하게 되며 이는 EOPT 문제의 제약 안 (0.999 pu ~ 1.001 pu) 에 존재한다.In addition, the system frequency of the optimal solution determined through the execution of EOPT is 1.0004988 pu, and the system frequency increases slightly when controlling the Vref value to the value corresponding to the optimal solution. Exists in

다음으로 조속기의 파라미터인 Pgs를 이용한 유효전력 디스패치(Dispatch) 문제에 대한 EOPT 프로그램 적용의 예를 설명하고자 한다. Next, an example of application of the EOPT program to the active power dispatch problem using the parameter Ggs of the governor will be described.

표 5에서 유효전력 디스패치(Dispatch) 문제에 이용된 목적함수와 관련된 파라미터들을 나타내고 있다. 무효전력 문제와는 달리 좀 더 넓은 Pgs의 상하한 값의 범위를 가지고 있으며, 여자기 파라미터인 Vref 의 제약 범위는 축소되어 있다. Table 5 shows the parameters related to the objective function used in the active power dispatch problem. Unlike the reactive power problem, it has a wider upper and lower range of Pgs, and the constraint of the exciter parameter Vref is reduced.

유효전력 디스패치(Dispatch) 문제 적용시 목적함수 파라미터Objective function parameter when applying active power dispatch problem 발전기 (Gen #)Generator (Gen #)

Figure 112006087192995-PAT00019
Figure 112006087192995-PAT00019
Figure 112006087192995-PAT00020
Figure 112006087192995-PAT00020
Figure 112006087192995-PAT00021
Figure 112006087192995-PAT00021
Figure 112006087192995-PAT00022
Figure 112006087192995-PAT00022
Figure 112006087192995-PAT00023
Figure 112006087192995-PAT00023
Figure 112006087192995-PAT00024
Figure 112006087192995-PAT00024
1One 0.96980.9698 0.60000.6000 1.50001.5000 1.1276931.127693 1.1661.166 1.1681.168 22 0.50000.5000 0.30000.3000 1.00001.0000 1.0580231.058023 1.1021.102 1.1041.104

본 발명의 실시예에서 선택된 3개의 선로에 대한 유효전력 조류의 상하한 값을 다음 표6에서 나타내고 있다.Table 6 shows the upper and lower limits of the active power currents for the three lines selected in the embodiment of the present invention.

유효전력 디스패치(Dispatch) 문제 적용시 적용된 선로 조류 제약Line tide constraint applied when applying active power dispatch problem 라인 (Line)Line Fmin[MW]Fmin [MW] Fmax[MW]Fmax [MW] Initial flow [MW]Initial flow [MW] 1-41-4 -40-40 4040 50.850.8 1-61-6 -40-40 4040 44.544.5 2-52-5 -50-50 5050 31.931.9

본 발명의 실시예에서도 EOPT의 시스템 주파수의 제약은 0.999 ~ 1.001 pu 으로 설정되었다. EOPT를 이용하여 15회 반복 후 최적해를 얻을 수 있었으며, 최적해는 표 6의 선로 조류제약을 만족하였다. 최적해에서 발전기 1, 2의 Pgs는 각각 0.727692 pu, 0.742784 pu이다. 그리고 시스템 주파수는 하한값으로 결정되었으며 0.999 pu로 계산되었다. In the embodiment of the present invention, the constraint of the system frequency of the EOPT is set to 0.999 to 1.001 pu. The optimal solution was obtained after 15 iterations using EOPT, and the optimal solution satisfies the line bird constraint of Table 6. In the optimal solution, the Pgs of generators 1 and 2 are 0.727692 pu and 0.742784 pu, respectively. The system frequency was determined as the lower limit and calculated as 0.999 pu.

표 7에서 유효전력 디스패치(Dispatch) 문제의 최적해에 대한 네트워크 데 수 있으며, 표 1에서의 초기해와 비교하여 무효전력 발전은 큰 변화가 없는 반면, 유효전력 발전양은 74.77 MW, 76.28 MW로 상당히 초기해에서 벗어나 있음을 알 수 있다. Table 7 shows the network for the optimal solution of the active power dispatch problem. Compared with the initial solution in Table 1, reactive power generation does not change much, while active power generation amounts to 74.77 MW and 76.28 MW. We can see that we are out of the sun

무효전력 디스패치(Dispatch) 문제의 최적해에 대한 네트워크 데이터Network data for optimal solution of reactive power dispatch problem 모선 (Bus #)Mothership (Bus #) Volt [pu]Volt [pu] Angle [degree]Angle [degree] PL [MW]P L [MW] QL [MVAr]Q L [MVAr] PG [MW]PG [MW] QG [MVAr]QG [MVAr] 1One 1.09121.0912 -13.19-13.19 ·· ·· 74.7774.77 58.9358.93 22 1.04171.0417 -2.51-2.51 ·· ·· 76.2876.28 11.7611.76 33 0.91330.9133 -22.58-22.58 55.0055.00 13.0013.00 ·· ·· 44 0.94880.9488 -19.83-19.83 ·· ·· ·· ·· 55 0.86650.8665 -19.22-19.22 30.0030.00 18.0018.00 ·· ·· 66 0.92980.9298 -21.46-21.46 50.0050.00 5.005.00 ·· ··

이상에서 설명드린 바와 같이, 본 발명에서는 현재 계통해석을 위해 적용되고 있는 최적조류계산은 정적인 계통 방정식만을 포함하고 있어 계통 요소의 동적인 특성이 반영되지 않는 점을 개선하여, 본 발명을 통해 개발되는 평형점 최적화를 적용함으로써 좀 더 실제 계통현상에 근접하도록 하는 최적 운전점을 구할 수 있는 좋은 효과가 있다.As described above, in the present invention, the optimal algal calculation currently applied for systematic analysis includes only static systematic equations, thereby improving the fact that the dynamic characteristics of the system elements are not reflected and developed through the present invention. By applying the equilibrium balance optimization, it is a good effect to find the optimal operating point to get closer to the actual system phenomenon.

또한, 본 발명을 통해 계통 요소의 동적 모델의 각 파라미터에 대한 최적값을 구할 수 있게 되며, 최적화 측면에서 동적 안정도 제약을 고려하기 위한 기본적인 기술을 확보할 수 있어, 운전시 효과적인 제어방안 제시가 가능하여 전력시장의 효율적인 운영에 이바지하게 된다. 또한 계통 운영 및 계획단계에서 다양한 목적으 로 활용할 수가 있는 좋은 효과가 있다.In addition, through the present invention it is possible to obtain the optimal value for each parameter of the dynamic model of the system element, and to secure the basic technology to consider the dynamic stability constraints in terms of optimization, it is possible to present an effective control plan during operation This will contribute to the efficient operation of the power market. It also has a good effect that can be used for various purposes in the system operation and planning stage.

Claims (1)

발전기의 발전 코스트를 최소로 하는 목적함수와, 각각의 동적모델 평점 방정식 및 전기네트워크 방정식에 해당하는 함수와, 전력계통 운영 제약을 나타내는 부등호 제약 함수로 해당전력계통에 있어서의 여러 계약조건을 수식화하여 비선형 최적화 모형으로 표현하고, 최적화의 해를 구하기 위해 슬랙변수를 도입하여 부등호 제약을 등호제약으로 바꾼 후, 라그랑지안 함수를 구성하며, 그 라그랑지안 함수에 대하여 KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 1차 최적 필요조건을 구성하여 간접적으로 최적해를 구하며, 그 KKT 조건에서 마지막 두식(LSL, LSU)에 헤시안 행렬을 구성하고, 최종적으로 주어진 초기점으로부터 라그랑지안 함수에 대하여 KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 1차 최적 필요조건 방정식과, KKT 조건에서 마지막 두식(LSL, LSU)에 헤시안 행렬 방정식을 만족하는 해를 구하기 위해 뉴톤법이 적용되어 주 쌍대 변수가 수정됨으로서 전력계통상의 최적조류계산이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 비선형 내점법을 이용한 전력시스템 평형점 최적화 알고리즘.The objective function for minimizing the generation cost of the generator, the functions corresponding to the dynamic model rating equations and the electric network equations, and the inequality constraint functions representing the power system operating constraints are formulated to formulate various contract conditions in the power system. Expressed as a nonlinear optimization model, introduced slack variables to change the inequality constraints to equal constraints, constructs a Lagrangian function, and requires KKT (Karush-Kuhn-Tucker) first order optimization for the Lagrangian function. Construct the condition to find the optimal solution indirectly, construct the Hessian matrix in the last two expressions (L SL , L SU ) in the KKT condition, and finally, KKT (Karush-Kuhn-Tucker) 1 for the Lagrangian function from the given initial point. Find a solution that satisfies the Hessian matrix equation for the second best requirement equation and the last two equations (L SL , L SU ) under KKT Power system equilibrium point optimization algorithm using a nonlinear visiting method characterized in that the Newton's method is applied to the main dual variable is modified to enable the optimal algae calculation in the power system.
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