[論文レビュー] Multi-state Operating Reserve Model of Aggregate Thermostatically-Controlled-Loads for Power System Short-Term Reliability Evaluation

Yi Ding, Wenqi Cui+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 38被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、短時間の電力系統の信頼性評価を向上させるために、集約されたサーモスタティック制御負荷（TCLs）のための新規なマルチステート運転予備容量モデルを提案する。TCL内の動的温度移行をモデル化し、確率的条件下での予備容量の確率分布をモーメント（cumulants）を用いて導出することで、LZ変換を用いた信頼性の正確な表現が可能となり、事例研究により検証されている。

ABSTRACT

Thermostatically-controlled-loads (TCLs) have been regarded as a good candidate for maintaining the power system reliability by providing operating reserve. The short-term reliability evaluation of power systems, which is essential for power system operators in decision making to secure the system real time balancing, calls for the accurate modelling of operating reserve provided by TCLs. However, the particular characteristics of TCLs make their dynamic response different from the traditional generating units, resulting in difficulties to accurately represent the reliability of operating reserve provided by TCLs with conventional reliability model. This paper proposes a novel multi-state reliability model of operating reserve provided by TCLs considering their dynamic response during the reserve deployment process. An analytical model for characterizing dynamics of operating reserve provided by TCLs is firstly developed based on the migration of TCLs' room temperature within the temperature hysteresis band. Then, considering the stochastic consumers' behaviour and ambient temperature, the probability distribution functions of reserve capacity provided by TCLs are obtained by cumulants. On this basis, the states of reserve capacity and the corresponding probabilities at each time instant are obtained for representing the reliability of operating reserve provided by TCLs in the LZ-transform approach. Case studies are conducted to validate the proposed technique.

研究の動機と目的

• 短時間の電力系統信頼性評価において、サーモスタティック制御負荷（TCLs）からの運転予備容量を正確にモデル化する課題に対処すること。
• 従来の信頼性モデルでは、予備容量供給時のTCLの特異な動的応答を捉えられていないという限界を克服すること。
• 消費者行動の確率的変動および周囲温度の変動を考慮して、集約されたTCLが供給する予備容量の信頼性を確率的枠組みで表現すること。
• 予備容量ステートとその確率を定量的に評価することで、系統運用者がより的確なリアルタイムバランス意思決定を下せるようにすること。

提案手法

• 予備容量活性化時のTCLの温度ヒステリシス帯内での室温移行に基づく解析的モデルを構築する。
• 消費者行動の確率的変動および周囲温度の変動を考慮して、予備容量の確率密度関数をモーメントを用いて導出する。
• LZ変換法を用いて、各時刻における予備容量ステートの確率を計算し、マルチステート表現を可能にする。
• 個々のTCL応答を集約し、系統レベルの信頼性評価に適した集約的予備容量モデルを構築する。
• 動的応答特性を信頼性モデルに統合し、時間経過に伴う実際の予備容量供給行動を反映する。
• 実際の系統条件下での事例研究を通じて、モデルの正確性と適用可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予備容量供給時のサーモスタティック制御負荷の動的応答を、信頼性評価に適した形で正確にモデル化する方法は何か？
• RQ2 消費者行動の確率的変動および周囲温度の変動が、集約されたTCLからの予備容量の確率分布に与える影響は何か？
• RQ3 マルチステートの予備容量表現は、どのように導出し、短期電力系統信頼性評価に応用できるか？
• RQ4 本モデルは、従来の信頼性モデルに比べて、TCLに起因する運転予備容量の信頼性をどの程度正確に捉えられるか？
• RQ5 LZ変換法は、TCLに起因する予備容量の時間変動するステートと確率を効果的に表現できるか？

主な発見

• 提案モデルは、予備容量供給時におけるTCLの温度ヒステリシス帯内での動的温度移行を効果的に捉えている。
• モーメントに基づく導出により、確率的条件下での予備容量の確率密度関数の正確な近似が可能である。
• LZ変換法は、時間変動する予備容量ステートとその確率を効果的に計算し、マルチステート信頼性表現を可能にしている。
• 事例研究により、短期系統計画におけるTCLに起因する運転予備容量の信頼性をモデルが正確に表現していることが確認された。
• TCL固有の動的特性を組み込むことで、従来手法に比べてより現実的な予備容量評価が可能になった。
• 本フレームワークは、TCLを予備資源として活用する電力系統運用者がリアルタイムバランス要件を評価するためのスケーラブルで解析的に取り扱いやすい手法を提供する。