基于DIgSILENT PowerFactory中完全原生DPL的配电网导体尺寸优化

《Technologies》：Fully Native DPL-Based Conductor Sizing Optimization for Distribution Networks in DIgSILENT PowerFactory

　　

该研究提出一种完全原生的优化框架，在DIgSILENT PowerFactory中实现，旨在解决现实运行条件下电力系统配电网络的最优导体尺寸问题(OCSP)。研究人员的方法将禁忌搜索算法(TSA)直接与DIgSILENT编程语言(DPL)中可用的三相潮流例程和数据库对象相集成，从而消除了独立优化与网络仿真环境之间进行外部数据交换与同步的需求。该框架考虑了平衡与不平衡运行条件，同时纳入峰值需求、多级需求和小时级需求负荷曲线。优化过程在满足电压调节和导体载流量约束的同时，最小化年度投资与运行成本。该方法使用27节点基准系统以及不同运行场景下的IEEE 33节点和123节点配电系统进行了验证。数值结果表明，时序需求场景显著影响导体分配决策与年度运行成本。与传统峰值需求负荷曲线相比，多级和小时级负荷曲线通过在多种运行状态间分布导体尺寸决策，而非仅考虑最坏情况负载条件，产生了更低的年度成本。此外，由于不等相负载和电流不对称性，不平衡场景增加了运行损耗并改变了导体选择模式。所提出的TSA-DPL实现在所有评估的基准系统和运行条件下均保持了稳定的收敛行为和低统计离散度。即使对于不平衡小时级运行条件下的IEEE 123节点馈线，标准差仍低于平均年度成本的0.70%，证实了方法的鲁棒性和可重复性。尽管详细的三相时序仿真增加了计算需求，但该实现在对评估的基准系统的计算适用性上表现出色。总体而言，所提出的TSA-DPL框架构成了现代三相配电系统中现实导体尺寸研究的稳健原生实现。

研究背景方面，电气配电系统正经历显著的运行与结构转型，分布式能源资源(DERs)渗透率增加、电力需求持续增长，以及对提高效率、可靠性和运行灵活性的需求，使得配电规划研究日益重要。最优导体尺寸问题(OCSP)作为配电网络关键优化任务之一，直接影响投资成本、有功损耗、电压调节、导体负载及长期运行性能。现有研究存在若干局限：多数依赖简化平衡网络表征，忽视现代配电系统常见的相不对称；大量优化方法通过MATLAB、GAMS、Python等外部协同仿真框架实现，优化算法与电气仿真模型分离运行，需独立软件环境间的数据交换与同步，增加实现复杂度与软件集成要求；虽有研究探索DIgSILENT PowerFactory(DPF)内自动化能力，但有限研究在同时保留详细三相电气建模、不平衡运行条件、时序需求场景的前提下，在DPF内开发完全原生的OCSP框架并在原生仿真环境中对基准配电系统进行计算评估。因此研究人员开展此项研究，提出完全原生DPL框架以解决现实运行条件下配电网络OCSP，具有重要理论与工程意义，论文发表于《Technologies》。

研究人员采用的关键技术方法包括：在DIgSILENT PowerFactory内通过DIgSILENT Program Language(DPL)完全原生实现禁忌搜索算法(TSA)与三相潮流例程及数据库对象直接耦合的优化框架；将OCSP建模为最小化导体投资与运行损耗成本的混合整数非线性规划(MINLP)问题，目标函数涵盖年度化经济成本，约束包括节点电压调节限值0.95至1.05 p.u.、导体载流量限制、径向拓扑及唯一导体分配；考虑峰值需求(PDP)、多级(MLP)与小时级(HLP)三种负荷曲线场景以评估需求变异性影响；在平衡与不平衡运行条件下，使用27总线基准系统、IEEE 33总线与IEEE 123总线配电系统进行评估，采用多次独立禁忌搜索重启以保证统计鲁棒性，通过罚函数处理约束违反。

研究结果部分，首先为验证对抗文献基准。在平衡运行条件下，27总线基准峰值需求场景中TSA取得最低总年度成本，多级与小时级较DVSA分别降低6.65%与7.58%；IEEE 33总线多级剖面较峰值需求降低35.19%。在不平衡运行条件下，27总线小时级TSA较DVSA降低4.56%，IEEE 33总线小时级较GNDO降低11.27%；不平衡场景因相电流不对称普遍提高运行损耗并在部分馈线段需更大导体尺寸以满足约束。其次为运行条件与负荷曲线的经济影响。负荷曲线影响方面，峰值需求公式成本最高，27总线多级与小时级较峰值分别降低约34.2%与20.2%，33总线分别降低约35.2%与21.4%，多级公式成本最低；不平衡运行较平衡提高年度成本，27总线峰值场景增约7.05%，33总线小时级增约2.84%，因非均衡相电流分布增大损耗与约束严格性。第三为计算性能评估。统计鲁棒性分析显示独立运行收敛一致，123总线所有场景标准差低于平均年度成本0.70%；收敛行为方面，27总线初期快速收敛，33总线平滑细化，123总线因搜索空间大存在更长精炼与停滞阶段但无振荡；计算时间随馈线规模、负荷分辨率与建模复杂度增加，123总线不平衡小时级耗时最高，主要源于多运行状态重复三相潮流评估。第四为基于IEEE 123总线系统的计算适用性评估。优化性能分析显示多级负荷曲线总年度成本最低为193,948.013美元/年，较峰值降23.3%、较小时级降9.5%，运行损耗成本多级最小，投资成本各场景变化低于1.2%；局部搜索过程中总目标函数下降约82.2%，运行损耗降45.2%，投资增40.1%，初期因罚项高于经济成本之和，后期罚项消失趋近可行解；鲁棒性分析显示六次独立小时级执行总年度成本变异仅0.86%，迭代次数109至180，时间3182至5199秒，收敛轨迹单调下降且终值集中；导体分配特征显示Type-1导体占超80%，中间容量导体受负荷曲线影响显著，高峰值与高容量导体分配稳定；电气性能评估显示所有电压在0.95至1.05 p.u.内，峰值需求电压幅值最低，多级调节最佳；峰值需求日能量损耗最高1893.68 kWh/天，多级最低，小时级居中；线载分析显示线路115、3、7持续高于93%额定载流量，多分配Type-8导体，中等负载分支分配Type-4与Type-5，满足技术与经济目标。

讨论部分总结，TSA-DPL框架在同一DPF环境集成优化与三相电气仿真，避免外部协同仿真；不平衡运行提高成本并改变分配，尤其小时级与重载段；多级与小时级较峰值降低年度成本，因多状态评估而非仅最坏工况；负荷曲线主要影响中容量导体选择，主干加固稳定；所得解满足电压与热载约束，部分分支接受稍高峰值损耗以平衡年度成本；独立执行低离散度，123总线变异低于0.7%；不平衡与时序场景增加计算量但因更真实表征而必要。结论部分翻译为：本文提出一种在DPF环境内实现的完全原生TSA-DPL优化框架，用于解决电气配电系统中OCSP。该方法直接将优化流程与仿真平台内可用的三相潮流例程和数据库对象集成，消除对外部协同仿真环境的需求并避免独立优化与仿真软件间的数据交换与同步。所开发框架在平衡与不平衡运行条件下使用27总线基准馈线及IEEE 33与123总线配电系统验证，并评估峰值需求、多级与小时级负荷曲线等不同需求场景以分析时序负荷变异性对导体尺寸决策、电气性能与经济规划结果的影响。比较分析证实负载与运行条件影响OCSP解的经济与技术性能；多级与小时级需求曲线较传统峰值需求公式产生更低年度成本，因为导体尺寸决策分布于多运行状态而非仅由最坏负载条件决定；不平衡运行因不等相负载与电流不对称增加运行损耗、修改导体分配模式并需在重载馈线段额外加强。电气性能方面，TSA-DPL实现在优化全过程保持详细三相建模能力；相依赖电压分布、负载分析与损耗评估证实在实用配电规划中明确考虑不平衡运行与时序需求变异的重要性；导体分配分析进一步表明需求表征主要影响中容量导体选择，而配电网络骨干结构在各评估场景间相对稳定。统计与收敛分析显示所有评估运行条件与网络规模下解离散度低，尽管采用元启发式随机性，独立执行收敛于相似解，123总线基准平均年度成本变异低于0.7%，证实实现可重复性。未来工作将在同一DPF环境内扩展该原生框架以纳入高渗透率DERs、储能系统、电容配置、网络重构、可靠性评估、随机可再生发电模型及多目标优化公式，引入额外决策变量与运行约束。