DLPF-MILP based optimal reactive power flow and voltage control for transmission networks applications

With the rapid integration of renewable energy sources in large-scale power systems, system operational characteristics have changed significantly, creating substantial challenges for voltage stability and reactive power management. Although the conventional AC Optimal Reactive Power Flow (AC ORPF) method can accurately represent system behavior, its non-linearity and non-convexity result in extremely high computational complexity, and its solution efficiency is often insufficient for real-time operation and dispatch. In particular, when discrete control devices such as shunt capacitor banks and reactors are considered for voltage regulation, binary variables are introduced to represent their switching states which transforms the problem into a large scale Mixed-Integer Nonlinear Programming (MINLP) model. This increases computational complexity and makes it harder to obtain feasible solutions within a reasonable time. This study employs a Decoupled Linearized Power Flow-based Mixed-Integer Linear Programming model (DLPF-MILP) method to address reactive power optimization and voltage control problems. By decoupling and linearizing the power flow equations, the approach significantly reduces computational complexity while maintaining adequate accuracy. Based on this model, a voltage optimization framework is developed, incorporating various approximation and linearization techniques to achieve fast and stable voltage regulation under component outages or operational disturbances. Simulation results demonstrate that the proposed method maintains high solution accuracy while significantly reducing computation time, providing an effective solution for voltage control under N − 1 security constraints. It offers an efficient, reliable, and real-time applicable approach for voltage optimization and regulation in large scale power systems.

Con l’integrazione rapida delle fonti di energia rinnovabile nei sistemi elettrici su larga scala, le caratteristiche operative del sistema sono cambiate significativamente, creando sfide importanti per la stabilità della tensione e la gestione della potenza reattiva. Sebbene il metodo convenzionale di Flusso di Potenza Ottimale in Corrente Alternata per la Potenza Reattiva (AC ORPF) possa rappresentare accuratamente il comportamento del sistema, la sua non linearità e non convessità comportano una complessità computazionale elevata, e l’efficienza della soluzione è spesso insufficiente per operazioni e dispatch in tempo reale. In particolare, quando si considerano dispositivi di controllo discreti come banche di condensatori shunt e reattori per la regolazione della tensione, si introducono variabili binarie per rappresentarne gli stati di commutazione, trasformando il problema in un modello di Programmazione Non Lineare Mista Intera (MINLP) su larga scala. Questo aumenta la complessità computazionale e rende più difficile ottenere soluzioni fattibili entro tempi ragionevoli. Questo studio impiega un modello basato su Flusso di Potenza Linearizzato e Decoupled combinato con Programmazione Lineare Mista Intera (DLPF-MILP) per affrontare problemi di ottimizzazione della potenza reattiva e controllo della tensione. Attraverso il decoupling e la linearizzazione delle equazioni di flusso di potenza, l’approccio riduce significativamente la complessità computazionale mantenendo adeguata accuratezza. Basandosi su questo modello, viene sviluppato un framework di ottimizzazione della tensione che incorpora varie tecniche di approssimazione e linearizzazione per ottenere una regolazione rapida e stabile in caso di guasti ai componenti o disturbi operativi. I risultati delle simulazioni dimostrano che il metodo proposto mantiene elevata accuratezza della soluzione riducendo significativamente il tempo di calcolo, fornendo una soluzione efficace per il controllo della tensione sotto i vincoli di sicurezza N − 1. Offre un approccio efficiente, affidabile e applicabile in tempo reale per l’ottimizzazione e la regolazione della tensione nei sistemi elettrici su larga scala.