[論文レビュー] A Model Predictive Approach to Preventing Cascading Failures of Power Systems

Chao Zhai, Hehong Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 17被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、凸最適化とさやぐうどう的ダイナミクスを用いたモデル予測制御アプローチを提案し、電力系統における連鎖的故障を防止する。この手法は、直流潮流に基づく連鎖的故障モデルを用いて故障の拡大を予測し、負荷切除意思決定においてグローバル収束を達成することで、IEEE 57-bus系統における摂動下でも効果的に安定化を実現する。

ABSTRACT

Power system blackouts are usually triggered by the initial contingency and then deteriorate as the branch outage spreads quickly. Thus, it is crucial to eliminate the propagation of cascading outages in its infancy. In this paper, a model predictive approach is proposed to protect power grids against cascading blackout by timely shedding load on buses. The cascading dynamics of power grids is described by a cascading outage model of transmission lines coupled with the DC power flow equation. In addition, a nonlinear convex optimization formulation is established to characterize the optimal load shedding for the mitigation of cascading failures. As a result, two protection schemes are designed on the basis of the optimization formulation. One scheme carries out the remedial action once for all, while the other focuses on the consecutive protection measures. Saddle point dynamics is employed to provide a numerical solution to the proposed optimization problem, and its global convergence is guaranteed in theory. Finally, numerical simulations on IEEE 57 Bus Systems have been implemented to validate the proposed approach in terms of preventing the degradation of power grids.

研究の動機と目的

• 故障の拡大を事前に抑制することで、電力系統における連鎖的ブラックアウトの課題に取り組む。
• 固定された事前計画に依存せず、変化する系統状態に適応する、リアルタイムで摂動依存の保護アーキテクチャを構築する。
• 系統劣化を最小限に抑えるために、最適負荷切除を凸最適化問題として定式化する。
• グローバル収束を保証するため、さやぐうどう的ダイナミクスを用いて解を安定的に得る。
• 一時的措置（非再発）と継続的時系列制御（再発）の2つの保護方式の有効性を比較する。

提案手法

• 直流潮流に基づく送電線故障ダイナミクスフレームワークを用いて、連鎖的故障をモデル化する。
• 有効電力制限に関する制約を含む非線形凸最適化問題として、最適負荷切除問題を定式化する。
• 数値的に最適化問題を解くために、さやぐうどう的ダイナミクスを採用し、最適解へのグローバル収束を保証する。
• 一時的是正措置（非再発）と継続的・時系列的制御（再発）の2つの保護方式を設計する。
• リアルタイムの状態監視と摂動検出のため、位相計測ユニット（PMU）データを統合する。
• ラグランジュ緩和とカールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、数値解法に適したさやぐうどう的ダイナミクス方程式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予測制御を用いて、電力系統における連鎖的故障をリアルタイムで予測・緩和することは可能か？
• RQ2 連鎖的故障発生時における系統劣化を最小限に抑える最適な負荷切除戦略は何か？
• RQ3 ブラックアウト防止において、一時的是正措置と継続的再発保護方式の性能はどのように比較できるか？
• RQ4 電力系統の制約下で、さやぐうどう的ダイナミクスが最適負荷切除問題の解に対してグローバル収束を保証できるか？
• RQ5 提案されたモデル予測アプローチは、連鎖的事故シナリオ下でIEEE 57-bus系統をどの程度安定化できるか？

主な発見

• 提案されたモデル予測制御アプローチは、故障の拡大を予測・緩和することで、IEEE 57-bus系統における連鎖的故障を効果的に防止した。
• 非再発保護方式は、1回の制御作用で最適負荷切除を達成し、系統劣化を最小限に抑え、収束が保証された。
• 再発保護方式は継続的な制御更新を提供し、変化する系統状態に動的に適応可能となり、耐性が向上した。
• さやぐうどう的ダイナミクスは、ラプラシアン安定性解析により理論的にグローバル収束を保証した。
• 直流潮流モデルを用いた凸最適化定式化により、最適負荷切除意思決定の効率的かつ信頼性の高い計算が可能になった。
• 数値シミュレーションの結果、両方の方式とも連鎖的ブラックアウトのリスクを顕著に低減したが、特に長時間にわたる摂動下では再発方式が優れた性能を示した。