[논문 리뷰] A Reference Architecture for the American Multi-Modal Energy System

Dakota J. Thompson, Amro M. Farid|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 28.

Global Energy and Sustainability Research참고 문헌 97인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 지속 가능한 에너지 전환을 위한 모델기반시스템공학(MBSE)을 가능하게 하기 위해 전력망, 천연가스, 석유 및 코일 시스템을 통합한 미국 다모드 에너지 시스템(AMES)을 위한 SysML 기반 참조 아키텍처를 제안한다. 이 아키텍처는 S&P 글로벌 플랫츠 및 EIA 데이터셋에서 유래하여 변화하지 않으며, 재생 가능 에너지 통합, 에너지 효율성 향상, 전기화와 같은 시나리오의 동적 인스턴스화를 가능하게 하여 복원성 분석 및 정책 시뮬레이션을 지원한다.

ABSTRACT

The American Multimodal Energy System (AMES) is a system-of-systems comprised of four separate but interdependent infrastructure systems: the electric grid, the natural gas system, the oil system, and the coal system. Their interdependence creates the need to better understand the underlying architecture in order to pursue a more sustainable, resilient and accessible energy system. Collectively, these requirements necessitate a sustainable energy transition that constitute a change in the AMES instantiated architecture; although it leaves its reference architecture largely unchanged. Consequently, from a model-based systems engineering perspective, identifying the underlying reference architecture becomes a high priority. This paper defines a reference architecture for the AMES and its four component energy infrastructures in a single SysML model. The architecture includes (allocated) block definition and activity diagrams for each infrastructure. The reference architecture was developed from the S&P Global Platts (GIS) Map Data Pro data set and the EIA Annual Energy Outlook dataset. This reference architecture serves as the foundation from which to accurately and consistently create mathematical model of the AMES.

연구 동기 및 목표

• 미국 다모드 에너지 시스템(AMES)의 전력, 천연가스, 석유 및 코일 시스템 간 상호의존성을 포함한 안정적이고 변화하지 않는 참조 아키텍처를 수립하기 위해.
• 에너지 시스템 전환 시뮬레이션을 위한 공통된 구조적 및 행동 기반을 정의하여 모델기반시스템공학(MBSE)을 지원하기 위해.
• 체계적 경계, 구성 요소, 기능 및 인터페이스를 체계적으로 정의하여 AMES의 일관되고 정확한 수학적 모델링을 가능하게 하기 위해.
• 지속 가능성 목표 하에 다양한 기술 조합의 인스턴스화를 통해 구조적 복원성 및 정책 영향 분석을 가능하게 하기 위해.
• 재생 가능 에너지 통합, 효율성 향상 및 전기화를 포함한 탈탄소화 경로 평가를 위한 재사용 가능한 프레임워크를 제공하여 지속 가능한 에너지 전환을 이끌기 위해.

제안 방법

• 블록 정의도(BDD)와 활동도를 사용하여 네 가지 에너지 시스템의 구조 및 행동을 모델링한 SysML 기반 참조 아키텍처를 개발하였다.
• 실세계 인프라 및 에너지 흐름 데이터를 기반으로 하기 위해 S&P 글로벌 플랫츠(GIS) 맵 데이터 프로 및 EIA 연간 에너지 전망 자료에서 데이터를 통합하였다.
• 모델 내에서 시스템 기능과 자원을 할당하여 에너지 인프라 간 가치 사슬과 상호의존성을 표현하였다.
• 실패 또는 공격 시나리오 하에서 구조적 복원성 분석을 위해 SysML 모델에서 이종 기능 그래프(HFG)로의 변환을 가능하게 하였다.
• 동일한 참조 프레임워크 내에서 재생 가능 에너지 증가, 에너지 효율성 향상, 전기화 등의 다양한 시나리오를 인스턴스화할 수 있도록 하였다.
• 일致한 시간 해상도를 가진 장치 모델을 할당하여 다중 에너지 흐름의 시뮬레이션 및 최적화를 가능하게 하여 다양한 에너지 유형의 통합 최적화를 지원하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡하고 상호의존적인 미국 다모드 에너지 시스템(AMES)을 위한 안정적이고 재사용 가능한 참조 아키텍처는 어떻게 정의할 수 있는가?
• RQ2 AMES의 SysML 기반 모델은 에너지 전환 경로의 일관된 수학적 모델링 및 시뮬레이션를 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ3 다양한 기술 조합 또는 구성 요소 장애 상황에서 인스턴스화된 시스템 구성으로 모델링된 AMES의 구조적 복원성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 참조 아키텍처는 전통적인 상충 관계를 극복하기 위해 에너지, 수자원 및 인프라 시스템 간의 상호작용 전략 분석을 지원할 수 있는가?
• RQ5 변하지 않는 참조 아키텍처는 탈탄소화 과정에서 증가하는 재생 가능 에너지 침투율과 전기화와 같은 동적 변화를 어떻게 수용할 수 있는가?

주요 결과

• AMES 참조 아키텍처는 SysML를 사용하여 전력망, 천연가스, 석유 및 코일 시스템과 그 상호의존성을 안정적이고 변화하지 않는 기반으로 모델링할 수 있다.
• 이 아키텍처는 재생 가능 에너지 발전 증가, 에너지 효율성 향상 및 전 산업 분야의 전기화를 포함한 다양한 에너지 전환 시나리오를 일관되게 인스턴스화할 수 있다.
• SysML 모델에서 파생된 이종 기능 그래프(HFG)는 구성 요소 열화 또는 공격 상황에서의 구조적 복원성에 대한 정량적 분석을 가능하게 한다.
• 공통된 표준 모델을 유지함으로써 참조 아키텍처는 정책 영향 및 인프라 계획 분석을 지원하며, 다양한 전문 분야 및 조직 간에 공유 가능한 모델을 제공한다.
• 이 모델은 비용, 신뢰성 및 지속 가능성의 동시에 향상시키는 상호보완 전략을 식별하는 데 사용될 수 있으며, 인프라 잠금 및 삼중어려움 상충 관계를 극복할 수 있다.
• 원천 데이터셋의 데이터 정적성 가정에도 불구하고, 아키텍처는 정밀도 손실 없이 동적 시나리오 분석 및 장기적 전환 모델링을 지원할 수 있다.