[論文レビュー] Tools for improving resilience of electric distribution systems with networked microgrids

Arthur K. Barnes, Harsha Nagarajan+3 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Optimal Power Flow Distribution参考文献 21被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、ネットワーキングされたマイクログリッド、線路の強化、冗長性を用いて、耐障害性のある配電系統の設計を目的とした2段階の確率的最適化フレームワークを提案する。線形化された3相潮流モデルと分解に基づくヒューリスティクスを活用することで、極端な気象下でもシステムの耐障害性を維持するコスト効率の良いアップグレード戦略を同定し、コストと耐障害性のトレードオフに応じて、個別マイクログリッド、強化されたネットワーク、ハイブリッドネットワーキングマイクログリッドといった明確な構造的レジームが現れることが明らかになった。

ABSTRACT

In the electrical grid, the distribution system is themost vulnerable to severe weather events. Well-placed and coordinatedupgrades, such as the combination of microgrids, systemhardening and additional line redundancy, can greatly reduce thenumber of electrical outages during extreme events. Indeed, ithas been suggested that resilience is one of the primary benefitsof networked microgrids. We formulate a resilient distributiongrid design problem as a two-stage stochastic program andmake use of decomposition-based heuristic algorithms to scaleto problems of practical size. We demonstrate the feasibilityof a resilient distribution design tool on a model of an actualdistribution network. We vary the study parameters, i.e., thecapital cost of microgrid generation relative to system hardeningand target system resilience metrics, and find regions in thisparametric space corresponding to different distribution systemarchitectures, such as individual microgrids, hardened networks,and a transition region that suggests the benefits of microgridsnetworked via hardened circuit segments.

研究の動機と目的

• 極端な気象イベントによって引き起こされる径路型配電ネットワークの脆弱性（全停電の80％を占める）に対処すること。
• 広範な停電状況下でも耐障害目標を満たすように配電系統のアップグレードを最適化するスケーラブルな設計ツールを開発すること。
• マイクログリッド、線路の強化、冗長性といった実用的なアップグレードオプションを統合した包括的な最適化フレームワークを構築すること。
• コストと耐障害性のトレードオフに基づいて、最適なシステムアーキテクチャ（例：孤立マイクログリッド、強化ネットワーク、またはネットワーキングマイクログリッド）の同定を可能にすること。
• 線形化された3相潮流近似を用いたOpenDSSシミュレーションによる物理的妥当性の検証を通じて、解の物理的妥当性を保証すること。

提案手法

• 極端な気象イベントに起因する線路の故障の不確実性を扱うために、耐障害性のある配電グリッド設計を2段階の確率的計画問題として定式化する。
• 非凸な潮流方程式を大規模ネットワークで扱えるようにするため、非平衡3相潮流の線形化近似を用いる。
• 流量に基づく手法の代わりに、カットに基づく定式化を用いて径路型ネットワークトポロジーを強制することで、計算効率を向上させる。
• 線路の投入・遮断およびネットワーク再構成の意思決定を論理的排他的結合（disjunctions）を用いてモデル化し、最適化におけるトポロジ変更を扱う。
• Benders法やBenders型分解などの分解に基づくヒューリスティックアルゴリズムを適用することで、実世界の配電ネットワークにスケーラブルな解法を実現する。
• 電圧制限、潮流、負荷供給の確認を通じて、OpenDSSシミュレーションを用いて解の最適性と物理的妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 目標耐障害レベルを達成するために、マイクログリッドへの投資と線路の強化・冗長性への投資の最適なトレードオフは何か？
• RQ2 コストと耐障害性の制約が異なる条件下で、個別マイクログリッド、強化ネットワーク、またはネットワーキングマイクログリッドといった異なるシステムアーキテクチャはどのように出現するか？
• RQ3 大規模かつ確率的最適化フレームワークで使用される線形化された3相潮流モデルは、物理的に妥当な解を生成できるか？
• RQ4 径路型配電ネットワーク設計において、流量に基づく手法と比較して、カットに基づく定式化が計算スケーラビリティをどのように向上させるか？
• RQ5 提案された耐障害設計ツール（RDT）を実際の配電ネットワークモデルに適用した際の性能特性は何か？

主な発見

• 本ツールは、マイクログリッドコストと強化コストのパrametricな空間において、孤立マイクログリッド、強化ネットワーク、およびネットワーキングマイクログリッドを好む遷移領域を明確に同定した。
• 遷移領域は、強化された線路で接続されたネットワーキングマイクログリッドが、単独マイクログリッドや孤立した強化よりも低い総コストで優れた耐障害性を実現できることを示唆している。
• 線形化された3相潮流モデルを用いて生成された解は、OpenDSSによる検証を通じて物理的に妥当であることが確認され、電圧制限および潮流制約が満たされていることが裏付けられた。
• 径路型トポロジーの強制にカットに基づく定式化を用いることで、流量に基づく代替手法と比較して計算効率が顕著に向上し、大規模ネットワークへのスケーラビリティが実現された。
• 分解に基づくヒューリスティックアプローチにより、大規模な確率的計画問題が実用的な時間枠内で解けるようになったため、本ツールは実世界のシステムに適用可能である。
• 本手法は、既存インフラを活用したネットワーキングマイクログリッドが、すべての重要な負荷にマイクログリッドを単独で設置するよりも低い資本コストで高い耐障害性を達成できることを示している。