[論文レビュー] State-of-the-Art Economic Load Dispatch of Power Systems Using Particle Swarm Optimization

Mahamad Nabab Alam|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2018

Electric Power System Optimization参考文献 114被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、2003年から2016年までの電力系統における経済的負荷配分（ELD）に対する粒子群最適化（PSO）の応用を包括的に調査したサーベイ論文である。14年間の研究を、単目的ELD、動的ELD、再生可能エネルギー源を含むELD、環境/経済的ディスpatchの多目的ELD、マイクログリッドELDの5つのカテゴリーに分類し、PSOの変種、問題定式化、テストシステム、主な結果を強調している。今後のスマートグリッドや分散エネルギー資源の協調制御に関する研究方向性も提示している。

ABSTRACT

Metaheuristic particle swarm optimization (PSO) algorithm has emerged as one of the most promising optimization techniques in solving highly constrained non-linear and non-convex optimization problems in different areas of electrical engineering. Economic operation of the power system is one of the most important areas of electrical engineering where PSO has been used efficiently in solving various issues of practical systems. In this paper, a comprehensive survey of research works in solving various aspects of economic load dispatch (ELD) problems of power system engineering using different types of PSO algorithms is presented. Five important areas of ELD problems have been identified, and the papers published in the general area of ELD using PSO have been classified into these five sections. These five areas are (i) single objective economic load dispatch, (ii) dynamic economic load dispatch, (iii) economic load dispatch with non-conventional sources, (iv) multi-objective environmental/economic dispatch, and (v) economic load dispatch of microgrids. At the end of each category, a table is provided which describes the main features of the papers in brief. The promising future works are given at the conclusion of the review.

研究の動機と目的

• 現代の電力系統における複雑な経済的負荷配分（ELD）問題を解くためのPSO応用を体系的にレビューすること。
• 2003年から2016年までの14年間のPSOベースのELDに関する研究を5つの主要な問題カテゴリーに分類・分析し、より良い理解と比較を可能にすること。
• 非凸性、弁点効果、多目的最適化を含むPSOベースのELDソリューションの強み、限界、トレンドを特定すること。
• スマートグリッド分野における今後の有望な研究方向性、特に電気自動車の充電管理、故障電流制御、分散エネルギー資源の協調スケジューリングを強調すること。
• 研究者および実務家が多様なELDシナリオにおいて、主要なPSO技術、テストシステム、性能結果を要約することで支援すること。

提案手法

• IEEE、Elsevier、IETなどの主要ジャーナルおよび出版者から得た、2003年から2016年までの118編の論文を対象とした文献レビューを実施。
• 論文は、単目的ELD、動的ELD、非伝統的エネルギー源を含むELD、環境/経済的ディスpatchの多目的ELD、マイクログリッドELDの5つのELD問題タイプに体系的に分類。
• 各カテゴリーについて、PSOの変種、目的関数の定式化、制約処理、テストシステム（例：IEEE 30バス、6発電機システム）、性能指標といったキーフィーチャーを抽出し、表形式で整理。
• 古典的および変更版PSO（例：QPSO、FAPSO、MPSO、CBPSO）を用いて、非凸的・非線形的・制約付きのELD問題（弁点負荷や禁止運転ゾーンを含む）を処理。
• 発電機の制限、ランプレート、電力バランスなどのシステム制約を満たしながら、燃料費、排出ガス、損失を最小化するPSOの有効性を評価。
• 異なるテストシステムにおけるベンチマーク結果を分析し、さまざまなPSO変種の収束速度、解の品質、ロバストネスを比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非凸的コスト関数と弁点効果を伴う単目的ELD問題を解くために、どのようなPSO変種が適用されてきたか？
• RQ2 発電機のランプレート制約と時間的に変化する負荷プロファイルを伴う動的ELDにPSOを適用する際の主な課題と解決策は何か？
• RQ3 風力・太陽光などの再生可能エネルギー源を経済的ディスパッチに統合する際、PSOベースの手法は、間歇的・不確実性を管理するためにどれほど有効か？
• RQ4 多目的PSOは、環境/経済的ディスパッチ問題において、燃料費と排出ガス削減のバランスをどのように達成しているか？
• RQ5 多様な分散エネルギー資源と双方向電力フローを有するマイクログリッドにおける経済的ディスパッチにPSOをどのように適合させられるか？

主な発見

• PSOベースの手法は、弁点効果を伴う非凸的・非線形ELD問題を解く際、ラムダ反復法や勾配法といった古典的手法を常に上回る性能を示している。
• QPSO、FAPSO、CBPSOなどの改良型PSO変種は、複雑なELDシナリオにおいて収束性が向上し、局所最適解に陥るリスクが低減されている。
• 多目的ELDにおいては、ハイブリッドPSOアプローチ（例：ファジィ論理を組み合わせたCBPSO）が、燃料費と排出ガス削減を効果的にバランスさせ、単目的手法よりも低い総コストと排出ガスを達成している。
• 再生可能エネルギー源（例：太陽光発電、風力タービン、燃料電池）を有するマイクログリッドにおけるPSOの応用は、分散発電機の有効な協調制御を実現し、運用コストの低減と電圧プロファイル安定性の向上を図っている。
• スマートグリッド応用においては、PSOが効率的な電気自動車の充電管理を可能にし、ネットワーク混雑と電力損失を低減しながら電圧品質を維持している。
• 本サーベイでは、高度なPSOアルゴリズムを用いた分散エネルギー資源の協調スケジューリングと、晶体内素子制御インピーダンスによる故障電流制御が、今後の有望な研究分野として特定された。