[論文レビュー] Unbalanced Multi-Phase Distribution Grid Topology Estimation and Bus Phase Identification

Yizheng Liao, Yang Weng+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2018

Optimal Power Flow Distribution参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、スマートメーターのデータを用いて、アンバランスな多相配電グリッドのトポロジーを推定し、誤った母線相位ラベルを特定するデータ駆動型手法を提案する。三相電圧を対称成分に変換し、放射状ネットワークにおける条件付き独立性を活用するチャウ＝リウアルゴリズムを適用することで、強い負荷アンバランスや誤った相位ラベルが存在する状況下でも、正確にトポロジーと相位接続を再構築できる。IEEEシステムを用いたシミュレーションにより、実データセットを用いて検証された。

ABSTRACT

There is an increasing need for monitoring and controlling uncertainties brought by distributed energy resources in distribution grids. For such goal, accurate multi-phase topology is the basis for correlating measurements in unbalanced distribution networks. Unfortunately, such topology knowledge is often unavailable due to limited investment, especially for evv{low-voltage} distribution grids. Also, the bus phase labeling information is inaccurate due to human errors or outdated records. For this challenge, this paper utilizes smart meter data for an information-theoretic approach to learn the topology of distribution grids. Specifically, multi-phase unbalanced systems are converted into symmetrical components, namely positive, negative, and zero sequences. Then, this paper proves that the Chow-Liu algorithm finds the topology by utilizing power flow equations and the conditional independence relationships implied by the radial multi-phase structure of distribution grids with the presence of incorrect bus phase labels. At last, by utilizing Carson's equation, this paper proves that the bus phase connection can be correctly identified using voltage measurements. For validation, IEEE systems are simulated using three real data sets. The simulation results demonstrate that the algorithm is highly accurate for finding multi-phase topology even with strong load unbalancing condition and DERs. This ensures close monitoring and controlling DERs in distribution grids.

研究の動機と目的

• センシングの制限や古くなった記録のため、低圧配電グリッドにおける正確な多相トポロジーの知識が不足している問題に対処する。
• 既存のトポロジー推定手法の根幹を揺るがす、誤ったまたは欠落した母線相位ラベルの課題を克服する。
• 強い負荷アンバランスおよび分散型エネルギー資源（DER）の高浸透率下でも動作するトポロジー推定手法を開発する。
• アンバランスな三相配電ネットワークの真の放射状トポロジーを回復させることで、DERの正確な監視と制御を可能にする。
• PMUや正しい相位ラベルの事前知識を一切必要としないソリューションを提供する。

提案手法

• アンバランスなシステム挙動を分離するために、三相電圧測定値を対称成分（正序、負序、零序）に変換する。
• 放射状配電ネットワークにおける条件付き独立性を活用して、電圧測定値の確率的グラフィカルモデルを学習するため、チャウ＝リウアルゴリズムを適用する。
• 配電グリッドの放射状構造と潮流方程式を活用することで、チャウ＝リウアルゴリズムが真のトポロジーを回復できることを理論的に証明する。
• カルソンの式を用いて、電圧差と相位接続の関係を導出し、正しく母線の相位を特定可能にする。
• 電圧データから最も可能性の高いネットワーク構造を推定する最適化基準として、相互情報量の最大化を採用する。
• 実世界のスマートメーターのデータを用いたIEEEテストシステムを用いたシミュレーションにより、本手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャウ＝リウアルゴリズムは、スマートメーターのデータのみを用いて、アンバランスな多相配電グリッドのトポロジーを正確に再構築できるか？
• RQ2 母線の相位ラベルが誤っているか不明な場合、本手法はどの程度の性能を示すか？
• RQ3 対称成分変換は、アンバランス系におけるトポロジー推定の精度をどの程度向上できるか？
• RQ4 ラベルエラーが存在する状況下でも、電圧測定値のみを用いて各母線の相位接続を正しく特定できるか？
• RQ5 強い負荷アンバランスおよび分散型エネルギー資源（DER）の高浸透率下でも、本手法はどの程度のロバストネスを示すか？

主な発見

• 本手法は、最大10％の誤ったまたは欠落した相位ラベルが存在する状況下でも、アンバランスな配電グリッドの真の多相トポロジーを高い精度で再構築できる。
• チャウ＝リウアルゴリズムは、電圧測定値間の相互情報量を最大化することで、真の放射状トポロジーを的確に特定でき、理論的証明とシミュレーションにより検証された。
• 対称成分変換により三相システムが効果的に分離され、アンバランスなネットワークに対しても確率的グラフィカルモデルの適用が可能になった。
• カルソンの式により、電圧差と位相順序の関係をモデル化することで、母線の相位接続を正確に特定できるようになった。
• 実データセットを用いたIEEEテストシステムにおけるシミュレーションでは、強い負荷アンバランスおよび高DER浸透率下でも、本手法は高い精度を維持した。
• PMUや正しい相位ラベルを必要としないため、既存の配電網への広範な展開が可能である点で、既存手法を上回る。