[論文レビュー] Multi-Objective PMU Allocation for Resilient Power System Monitoring

Hamed Haggi, Wei Sun+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Power System Optimization and Stability参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、PMU数の最小化、可観測性の冗長性最大化、電圧安定性指数の低減を目的として、送電系統のレジリエンスを向上させるためのマルチオブジェクティブ位相計測装置（PMU）配置フレームワークを提案する。改良型教員学習ベース最適化（MO-TLBO）アルゴリズムを採用し、IEEE 14、30、118バス系において、既存手法と比較して収束速度が速く、性能が優れていることを示している。

ABSTRACT

Phasor measurement units (PMUs) enable better system monitoring and security enhancement in smart grids. In order to enhance power system resilience against outages and blackouts caused by extreme weather events or man-made attacks, it remains a major challenge to determine the optimal number and location of PMUs. In this paper, a multi-objective resilient PMU placement (MORPP) problem is formulated, and solved by a modified Teaching-Learning-Based Optimization (MO-TLBO) algorithm. Three objectives are considered in the MORPP problem, minimizing the number of PMUs, maximizing the system observability, and minimizing the voltage stability index. The effectiveness of the proposed method is validated through testing on IEEE 14-bus, 30-bus, and 118-bus test systems. The advantage of the MO-TLBO-based MORPP is demonstrated through the comparison with other methods in the literature, in terms of iteration number, optimality and time of convergence.

研究の動機と目的

• 極端な出来事にさらされた状況下でもレジリientな送電系統監視を実現するためのPMU配置最適化に取り組む。
• 線路断線やPMU故障などの事故状況下でも、全系統の可観測性を確保しつつ、PMU数を最小化する。
• 障害に対するレジリエンスを高めるために、系統の可観測性冗長性を最大化する。
• 高負荷状態下での系統安定性を向上させるために、電圧安定性指数（VSI）を低減する。
• PMU割り当てにおけるコスト、可観測性、安定性のバランスをとるマルチオブジェクティブ最適化フレームワークを構築する。

提案手法

• PMU数の最小化、可観測性の最大化、電圧安定性指数（VSI）の最小化という3つの目的を有する、マルチオブジェクティブなレジリエントPMU配置（MORPP）問題を定式化する。
• 可観測性制約を表現するために整数線形プログラミング（ILP）モデルを用い、母線jにPMUを設置する状態を二値変数x_jで表す。
• 段階的PMU展開を模擬するための位相設置戦略を組み込み、予算制約下での可観測性評価を可能にする。
• マルチオブジェクティブ問題を解くために、改良型教員学習ベース最適化（MO-TLBO）アルゴリズムを導入し、収束速度と解の品質を向上させる。
• 可観測性冗長性を、ZIB（ゼロインジェクションバス）、線路断線、PMU損傷などの異なる事故シナリオに基づき、可観測母線数に依存する冗長性インデックスを用いて定量化する。
• 無効電力負荷マージンを用いてVSIを計算し、弱い母線を特定し、それらが少なくとも2台のPMUによって監視されるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の事故状況下でも全系統の可観測性を確保しつつ、PMU数を最小化するためのPMU配置最適化はどのように実現できるか？
• RQ2 段階的PMU設置は、予算制約下での可観測性計画にどの程度寄与するか？
• RQ3 電圧安定性指数（VSI）を目的関数に組み込むことで、PMU配置における系統のレジリエンスはどの程度向上するか？
• RQ4 改良型MO-TLBOアルゴリズムは、既存のメタヒューリスティクスと比較して、マルチオブジェクティブPMU配置において収束速度と解の品質の両面で優れているか？
• RQ5 ゼロインジェクションバス（ZIBs）、線路断線、PMU故障は、系統の可観測性冗長性にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• MO-TLBOアルゴリズムは、文献に登場する他のメタヒューリスティクスと比較して、より少ない反復回数と短い計算時間を要して最適解に到達した。
• IEEE 118バス系において、3段階に分けて32台のPMUを設置した結果、100％の可観測性が達成され、第1段階で61％、第2段階で91％の可観測性が達成された。
• 線路断線およびPMU損傷の事故状況下で、可観測性冗長性が著しく向上した—IEEE 118バス系では、事故を無視した場合の178に対して、288にまで上昇した。
• 無効電力負荷マージンが低い（例：IEEE 14バス系の母線12）重要な母線では、VSI値が0.999以上となり、極めて脆弱であることが示され、少なくとも2台のPMUによって監視されていた。
• IEEE 14バス系のマルチオブジェクティブ解では、母線2、6、9、12、14にPMUが配置され、WSOI（可観測性インデックスの加重和）が23に達した。
• 提案されたMORPPフレームワークにより、弱い母線が少なくとも2台のPMUによって監視されるよう確保され、単一障害点に対するレジリエンスが向上した。