[論文レビュー] Fast and Robust Determination of Power System Emergency Control Actions

Sidhant Misra, Line Roald+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、潮流方程式の電流-電圧（IV）表現を用いて、緊急制御における高速でスケーラブルかつロバストな最適化フレームワークを提案する。電流と電圧を用いて制約と目的関数を表現することで、それらの線形性を活用し、凸および線形近似を用いた効率的な解法を可能にする。1次テイラー展開による定式化が、大規模システムにおけるリアルタイム緊急制御応用において、計算速度、妥当性、正確性の面で他の手法を上回る性能を示す。

ABSTRACT

This paper outlines an optimization framework for choosing fast and reliable control actions in a transmission grid emergency situation. We consider contractual load shedding and generation re-dispatch as exemplary emergency actions. To achieve computational efficiency and scalability, this novel formulation of the robust corrective action optimization is stated in terms of voltages and currents, as opposed to standard formulation in terms of power flows and voltages. The current-voltage formulation is natural for expressing voltage and thermal transmission line constraints, and its major advantage is in the linearity of the power flow equations. The complexity of the current-voltage formulation, which is mainly related to the transformation of voltages and currents into active and reactive power injections, can be largely avoided by stating the cost function directly in terms of currents and using linearized or robust estimates for load and generation constraints. The paper considers five different optimization problem formulations, including the full current-voltage formulation, as well as two convex and two linear approximation to the problem. In a case study on an illustrative case study for the IEEE RTS96 system, we demonstrate pros and cons of the different formulations based on simulations for both normal and contingency operation.

研究の動機と目的

• 事故状態下における送電系統の緊急制御措置を決定する計算効率的でロバストなフレームワークの開発を目的とする。
• 電圧と電流を用いた潮流制約の再定式化により、リアルタイム緊急制御におけるスケーラビリティと信頼性の課題に対処することを目的とする。
• 深刻な事故状況下でもシステムの安定性と妥当性を確保しつつ、負荷供給遮断と発電再配分を最小限に抑えることを目的とする。
• 実際のIEEE RTS96テストシステムを用いて、非凸IV、凸近似、線形化モデルの複数の定式化を評価・比較することを目的とする。
• 緊急状況下における計算速度、解の妥当性、制御コストの最適なトレードオフを同定することを目的とする。

提案手法

• 潮流方程式の電流-電圧（IV）表現を用いて緊急制御問題を定式化し、ネットワーク制約を線形化し、熱的制限および電圧制限の実装を簡素化する。
• 電流と電圧を直接目的関数に定義することで、電流から有効電力・無効電力への非凸変換を回避し、計算効率を向上させる。
• 2つの凸近似を適用：事故前状態に基づくロバストな内部近似と、事故後運転点まわりの1次テイラー展開。
• 凸近似を線形化して、現代の線形プログラミングソルバを用いて高速に解けるようにし、数千バスを有する大規模システムへのスケーラビリティを確保する。
• 線形化の基準点として事故後の潮流解を用いることで、解の正確性を向上させ、発電制限違反を回避する。
• 5つの定式化を比較：完全な非凸IV、2つの凸近似、2つの線形化バージョン。IEEE RTS96システムを用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準の潮流に基づく定式化と比較して、電流-電圧定式化は緊急制御における計算スケーラビリティと妥当性をどのように向上させるか？
• RQ2 緊急制御において凸近似と線形化近似を用いる場合、解の正確性と計算速度のトレードオフはどのようなものか？
• RQ3 基準点として事故前状態または事故後状態を選択した場合、線形化緊急制御解の妥当性と性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ロバストな凸近似は、制御効果の増加を伴っても妥当性を保証できるのか？どのような状況で最も有益か？
• RQ5 1次テイラー展開に基づく線形化定式化は、完全な非凸IV定式化と比較して、負荷供給遮断と発電再配分の面でどの程度性能を発揮するか？

主な発見

• 事故後状態を基準点として1次テイラー展開による線形定式化が、計算速度、妥当性、正確性の面で他のすべての定式化を上回り、負荷供給遮断と発電再配分が最小限に抑えられる。
• ロバストな凸近似定式化は妥当性を保証するが、著しく高い負荷供給遮断と発電再配分を要するため、システム安定性が最優先される極端な緊急状況に適している。
• 凸近似と線形近似の解はほぼ同一であり、基準点が真の解に近い場合には線形化による誤差が無視できるほど小さいことが示された。
• 事故前状態を基準点として使用すると、複数のバスで発電量が上限の100％を超えることがあり、制約違反を引き起こすが、事故後状態を基準点とすることでこのような違反を回避できる。
• 非凸IV定式化は最小の制御コストを達成するが、非凸性のため大規模システムではスケーラビリティとソルバの信頼性に問題があり、著しく劣る。
• 線形化定式化は、数千バスを有する大規模送電系統への効率的スケーリングが期待でき、リアルタイム緊急制御の導入に適している。