[論文レビュー] Development and Validation of a Scalable Fast Load Shedding Technique for Industrial Power Systems

Andrea Petriccioli, Samuele Grillo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2021

Islanding Detection in Power Systems参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、オффショアプラットフォームにおける安定性と信頼性を向上させるために、スケーラブルで動的モデルに基づく高速負荷遮断（FLS）アルゴリズムを提示する。この手法は、電力不一致解析と優先順位に基づく負荷選択を用いて最適化された遮断行列を計算し、動的シミュレーションによる検証と、IEC 61131-3 Structured Text に準拠した ABB AC500 プログラマブル・ロジック・コントローラ（PLC）への実装を通じて、産業プラント全体における互換性とスケーラビリティを確保している。

ABSTRACT

The work aims to improve the existing fast load shedding algorithm for industrial power system to increase performance, reliability, and scalability for future expansions. The paper illustrates the development of a scalable algorithm to compute the shedding matrix, and the test performed on a model of the electric grid of an offshore platform. From this model it is possible to study the impact on the transients of various parameters, such as spinning reserve and delay time. Subsequently, the code is converted into Structured Text and implemented on an ABB PLC. The scalability of the load shedding algorithm is thus verified, confirming its performance with respect to the computation of the shedding matrix and the usefulness of the dynamic simulations during the design phase of the plant.

研究の動機と目的

• 産業用電力システム向けに、スケーラブルでトポロジーに適応可能な高速負荷遮断（FLS）アルゴリズムを開発し、信頼性と性能を向上させること。
• スピンニングリザーブや遅延時間といった主要パラメータの動的シミュレーションに基づく最適化を可能にし、システムの安定性を確保すること。
• IEC 61131-3 に準拠した構造化テキスト（ST）による実装を通じて、既存の産業制御システムとの互換性を確保すること。
• 実際のオフショアプラットフォームのモデルとPLCテストを通じて、アルゴリズムの有効性とスケーラビリティを検証すること。
• グリッド障害時の周波数安定性を維持しつつ、負荷遮断量を最小限に抑えることで、運用の混乱を低減すること。

提案手法

• FLSアルゴリズムは、主に2つのモジュールで構成される：負荷選択（LSE）とイベント検出／遮断アクション（ED-SA）。
• LSEは、電網トポロジーと発電機の状態を分析することで、各イベントにおける電力不一致（PM）を計算し、部分ネットワークの安定性を確保する。
• LSEは優先順位と電力消費量に基づいて遮断すべき負荷を選択し、スイッチの数を最小限に抑えつつ、PM を上回ることを保証する。
• 出力は遮断行列（SM）であり、1は遮断対象の負荷、0は維持を示し、0.5〜2秒ごとに更新される。
• 動的シミュレーションを用いて、スピンニングリザーブ（SR）および遅延時間のさまざまな条件下での過渡挙動をモデル化する。
• 自動コード生成を用いてアルゴリズムを IEC 61131-3 に準拠した構造化テキストに変換し、ABB AC500 PLC にデプロイしてハードウェア検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な産業用電力システムのトポロジーにわたって、高速負荷遮断アルゴリズムをどのようにスケーラブルに実装できるか。
• RQ2 スピンニングリザーブと遅延時間は、システム障害時の周波数の最小値（nadir）にどのような影響を与えるか。
• RQ3 動的シミュレーションモデルを用いることで、安全性や運用継続性を損なわずにFLSパラメータを最適化できるか。
• RQ4 モデルベースの手法によって、システムの安定性を維持しつつ、負荷遮断量をどの程度まで削減できるか。
• RQ5 標準的な産業用PLC上で、構造化テキスト（ST）などの標準プログラミング言語を用いて、FLSアルゴリズムを効果的に実装できるか。

主な発見

• 提案されたFLSアルゴリズムは、現場入力と設計パrameter のみを用いて、電網トポロジーとイベント状態に動的に適応することで、高いスケーラビリティを達成している。
• 動的シミュレーションの結果、スピンニングリザーブを 3.1 MW から 8.4 MW に増加させることで、周波数低下閾値に対する安全余裕が 1 Hz から 0.5 Hz に向上した。
• 遅延時間は周波数の最小値に顕著な影響を与える：200 ms を超えると、最小値が急激に低下するため、遅延を最小限に抑えることが安定性の観点で不可欠である。
• 6 MW のスピンニングリザーブは、48 Hz の周波数低下閾値よりも 0.5 Hz の安全余裕を確保する。これは運用継続性と安全性のバランスを取るのに適している。
• アルゴリズムは構造化テキストに正常に実装され、ABB AC500 PLC でテストされた。これにより、互換性とリアルタイム性能が確認された。
• モデルベースの最適化手法により、スピンニングリザーブと遅延時間の正確な選定が可能となり、不要な負荷遮断を最小限に抑えつつ、周波数低下保護要件を満たすことが可能になった。