[論文レビュー] Distributed state estimation: a novel stopping criterion

Sajjad Asefi, Sergei Parsegov+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Power System Optimization and Stability参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、大規模で再生可能エネルギーが統合された電力系統における効率性を向上させるために、電力系統状態推定（PSSE）のための新規分散型停止基準を提案する。局所的な残差と一貫性に基づく閾値を用いて、分散領域間で収束を動的に評価することにより、通信負荷を低減し、収束を加速する。本手法は、精度を維持しながらも、既存の手法に比べて全体的な効率性に優れている。

ABSTRACT

Power System State Estimation (PSSE) has been a research area of interest for power engineers for a long period of time. Due to the intermittent nature of renewable energy sources, which are applied in the power network more than before, the importance of state estimation has been increased as well. Centralized state estimation due to the complexity of new networks and growing size of power network will face problems such as communication bottleneck in real-time analyzing of the system or reliability issues. Distributed state estimation is a solution for the mentioned issues. There are different implementation methods introduced for it. The results of the paper are twofold. First, we examined different approaches to distributed PSSE (DPSSE) problem, according to most important factors like iteration number, convergence rate, data needed to be transferred to/from each area and so on. Next, we proposed and discussed a new distributed stopping criterion for the methods and above-mentioned factors are obtained as well. Finally, a comparison between the total efficiency of all applied methods is done.

研究の動機と目的

• 高再生可能エネルギー率を有する大規模で複雑な電力系統における集中型状態推定の課題を解決すること。
• 集中型推定における通信ボトル neck や信頼性の問題を克服し、分散計算を可能にする。
• 不要な反復を最小限に抑えるとともに、分散領域全体での収束精度を保証する停止基準を開発すること。
• 反復回数、収束速度、データ転送量といった主要なパフォーマンス要因を最適化すること。
• 提案された停止基準を用いて、さまざまな分散型PSSE手法の全体的効率を評価・比較すること。

提案手法

• 隣接する領域間で、局所的残差ノルムと一貫性に基づく閾値比較を用いた分散型停止基準を提案する。
• 局所的収束行動に応じて適応する動的閾値メカニズムを導入し、グローバル同期に依存するのを減らす。
• コア推定更新を変更せずに、既存の分散型PSSEアルゴリズムに停止基準を統合する。
• 分散制御領域間で局所的収束指標を交換・比較するために、一貫性プロトコルを用いる。
• すべての領域における最大局所的残差ノルムが事前に定義された許容誤差以内にある場合に収束と定義する。
• テスト用電力系統におけるシミュレーションを通じて、本手法の有効性を検証し、異なるアルゴリズム間での通信負荷と収束速度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模電力系統状態推定における通信負荷を低減するための分散型停止基準は、どのように設計できるか？
• RQ2 提案された停止基準は、分散型PSSEにおける収束速度と反復回数にどのような影響を及えるか？
• RQ3 既存の分散型状態推定手法と比較して、本基準の効率性はいかがなものか？
• RQ4 制御領域間のデータ交換を最小限に抑えると同時に、推定精度を維持できるか？
• RQ5 局所的残差のモニタリングと一貫性に基づく閾値処理は、分散収束の改善にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 提案された停止基準は、従来の集中型または固定閾値の分散型手法と比較して、収束に必要な反復回数を顕著に削減した。
• 局所的収束が検出されると、不要なデータ交換を回避することで通信負荷が最小限に抑えられた。
• 収束速度と通信コストの積として測定した全体的効率において、既存の分散型PSSEアプローチを上回る高い効率性を達成した。
• 動的閾値メカニズムにより、異なるネットワーク状態や局所的収束速度に適応する柔軟性が向上した。
• シミュレーション結果から、集中型状態推定と同等の推定精度を維持しながら、より大規模なシステムへも効果的にスケーリングできることを確認した。
• 局所的残差の一致による評価により、分散制御領域間で堅牢で一貫性のある収束が確保された。