Blackbox Optimization for Loss Minimization in Power Distribution Networks Using Feeder Reconfiguration

Les réseaux de distribution électrique modernes intègrent un nombre croissant de technologies associées aux réseaux de distribution actifs, tels que les ressources énergétiques distribuées et les interrupteurs contrôlables à distance. Naturellement débalancés en raison des fluctuations et de la nature multi-phasée de la demande, ces réseaux voient leur débalancement de phases amplifié par les ressources énergétiques distribuées, lesquelles peuvent induire un écoulement de puissance bidirectionnel. Ce débalancement peut impacter significativement la gestion du réseau, affectant ainsi l’efficacité, entre autres au niveau des pertes de puissance active. Cela peut aussi nuire à la fiabilité et la résilience du réseau, notamment au niveau des profils de tension anormaux et en induisant un stress supplémentaire sur l’infrastructure du réseau tel les transformateurs de distribution. À terme, ceci peut conduire à une augmentation des coûts d’opération et une réduction de la fiabilité du réseau. Pour mitiger ces impacts, les réseaux de distribution tentent généralement de minimiser les pertes de puissance, soit par balancement de phases ou de charges, ou par la reconfiguration de la topologie du réseau. La reconfiguration de la topologie est un problème de type optimisation non-linéaire à variables mixtes, classifié en tant que NP-difficile et irréalisable à résoudre efficacement. Il combine les équations non-linéaires et non-convexes du modèle d’écoulement de puissance, avec le problème combinatoire associé aux états des interrupteurs. Ce problème est typiquement résolu soit par des méthodes heuristiques soit en le simplifiant grâce à des relaxations convexes ou à des approximations linéaires. Cependant, ces méthodes ne permettent pas de garantir la réalisabilité de la solution, ce qui est crucial pour un opérateur de réseau. Ainsi l’approche proposée, basée sur l’optimisation de boîtes noires (Blackbox Optimization, BBO), est une méthode de reconfiguration de la topologie du réseau utilisant des commutateurs bidirectionnels et des sectionneurs afin de minimiser les pertes de puissance. L’approche considère un réseau de distribution triphasé, débalancé, radial et équipé de ressources énergétiques distribuées. Ainsi, cela permet une intégration efficace des ressources énergétiques distribuées tout en limitant les écarts par rapport aux contraintes opérationnelles du réseau par reconfiguration de la topologie. La réalisabilité de la solution est facilitée par un simulateur d’écoulement de puissance à haute précision et la formulation du problème en tant que BBO. Afin de contourner la charge computationnelle de la BBO, des algorithmes inspirés de l’optimisation combinatoire sont adaptés au contexte des réseaux de distribution, soit la méthode méta-heuristique de recherche en voisinages variables (Variable Neighbourhood Search, VNS) et l’algorithme de séparation et évaluation (Branch-and-Bound, B&B).

Abstract

Modern Distribution Networks (DNs) increasingly incorporate active distribution network technologies, such as Distributed Energy Resources (DERs) and remotely activated switches. As DNs are naturally unbalanced due to a multi-phase and highly fluctuating demand, DERs, which can lead to bidirectional power flows, can further exacerbates the phase imbalances. Unbalanced phases can significantly impact network operations, affecting efficiency, i.e., power losses, and compromising network reliability and resilience, i.e., voltage levels and additional stress on the network components such as the distribution transformers. Ultimately, these all may lead to an increase in operational costs and reduced reliability. To mitigate these impacts, DNs commonly seek to minimize power losses, either through phase or load balancing, or by topology reconfiguration. Topology reconfiguration is a mixed-integer nonlinear programming problem classified as NP-hard and is impractical to solve. It combines the nonlinear, nonconvex equations of the power flow, with the combinatorial problem related to the switch statuses. It is typically solved either with heuristics methods or by simplifying the problem using convex relaxations or linear approximations, hence not guaranteeing the feasibility of the solution. However, feasibility is crucial for DN operators. As such, the proposed approach, based on Blackbox Optimization (BBO), is a network topology reconfiguration method utilizing tie and sectionalizing switches to minimize power losses in a three-phase, unbalanced, radial DN equipped with DERs. This approach enables efficient DER integration while mitigating network operational constraints using topology reconfiguration. Feasibility of the solution is enhanced through a high-accuracy load-flow simulator and a BBO formulation. To circumvent the computational burden of BBO, combinatorial optimization-inspired algorithms are adapted to the DN context, namely the Variable Neighbourhood Search (VNS) meta-heuristic and the Branch-and-Bound (B&B) framework.