[논문 리뷰] A Model Predictive Approach to Preventing Cascading Failures of Power Systems

Chao Zhai, Hehong Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 14.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 17인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 볼록 최적화와 안장점 역학을 사용한 모델 예측 제어 접근법을 제안하여 전력 시스템에서 계류 고장의 확산을 방지하고 실시간으로 부하를 지능적으로 제거한다. 이 방법은 DC 전력 흐름 기반의 계류 고장 전파 예측 모델을 사용하며, 부하 제거 결정에서 전역 수렴성을 확보하여 교란 상황에서도 IEEE 57-bus 시스템을 효과적으로 안정화시킨다.

ABSTRACT

Power system blackouts are usually triggered by the initial contingency and then deteriorate as the branch outage spreads quickly. Thus, it is crucial to eliminate the propagation of cascading outages in its infancy. In this paper, a model predictive approach is proposed to protect power grids against cascading blackout by timely shedding load on buses. The cascading dynamics of power grids is described by a cascading outage model of transmission lines coupled with the DC power flow equation. In addition, a nonlinear convex optimization formulation is established to characterize the optimal load shedding for the mitigation of cascading failures. As a result, two protection schemes are designed on the basis of the optimization formulation. One scheme carries out the remedial action once for all, while the other focuses on the consecutive protection measures. Saddle point dynamics is employed to provide a numerical solution to the proposed optimization problem, and its global convergence is guaranteed in theory. Finally, numerical simulations on IEEE 57 Bus Systems have been implemented to validate the proposed approach in terms of preventing the degradation of power grids.

연구 동기 및 목표

• 사전에 고장 전파를 완화함으로써 전력 시스템에서의 계류 블랙아웃을 방지하는 도전 과제를 해결한다.
• 고정된 사전 계획에 의존하지 않고 변화하는 시스템 조건에 적응할 수 있는 실시간, 교란에 의존하는 보호 아키텍처를 개발한다.
• 계류 사고 동안의 시스템 열화를 최소화하기 위해 최적의 부하 제거를 볼록 최적화 문제로 공식화한다.
• 신뢰성 있고 안정적인 제어를 위해 안장점 역학을 통해 해의 전역 수렴성을 보장한다.
• 비재발성 및 재발성 보호 기법 간의 효과성을 비교하여 전력 시스템의 비상 제어에 대한 성능을 평가한다.

제안 방법

• DC 전력 흐름 기반의 송전선 고장 역학 프레임워크를 사용하여 계류 고장을 모델링한다.
• 활성 전력 제한 조건을 포함한 비선형 볼록 최적화 문제로 최적의 부하 제거 문제를 공식화한다.
• 안장점 역학을 활용해 최적화 문제를 수치적으로 해결하며, 최적 해로의 전역 수렴을 보장한다.
• 일회성 복구 조치(비재발성)와 연속적인 시간 순차 제어(재발성)를 위한 두 가지 보호 기법을 설계한다.
• 실시간 상태 모니터링 및 교란 탐지를 위해 파이저 측정 장치(PMU) 데이터를 통합한다.
• 라그랑주 역할화와 카루시-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 사용하여 수치적 해를 위한 안장점 역학 방정식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 예측 제어를 통해 전력 시스템에서의 계류 고장을 실시간으로 예측하고 완화할 수 있는가?
• RQ2 계류 고장 상황에서 시스템 열화를 최소화하는 최적의 부하 제거 전략은 무엇인가?
• RQ3 블랙아웃 방지를 위해 일회성 복구 조치와 연속적인 재발성 보호 기법 간의 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 전력 시스템 제약 조건 하에서 안장점 역학이 최적의 부하 제거 문제를 해결하는 데 있어 전역 수렴을 보장할 수 있는가?
• RQ5 제안된 모델 예측 접근법은 계류 사고 시나리오 하에서 IEEE 57-bus 시스템을 얼마나 효과적으로 안정화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 모델 예측 제어 접근법은 계류 고장 전파를 예측하고 완화함으로써 IEEE 57-bus 시스템에서 계류 고장을 성공적으로 방지한다.
• 비재발성 보호 기법은 단일 제어 조치로 최적의 부하 제거를 달성하며, 시스템 열화를 최소화하고 수렴성이 보장된다.
• 재발성 보호 기법은 연속적인 제어 업데이트를 제공하여 변화하는 시스템 상태에 동적으로 적응하고 복원력을 향상시킨다.
• 안장점 역학은 르아프노프 안정성 분석을 통해 이론적으로 최적 해로의 전역 수렴을 보장한다.
• DC 전력 흐름 모델링을 통한 볼록 최적화 공식화는 최적의 부하 제거 결정을 효율적이고 신뢰성 있게 계산할 수 있게 한다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 두 기법 모두 계류 블랙아웃 위험을 크게 감소시키며, 장시간 지속되는 교란 상황에서는 재발성 기법이 뛰어난 성능을 보였다.