[논문 리뷰] A Stackelberg Game Approach for Two-Level Distributed Energy Management in Smart Grids

Juntao Chen, Quanyan Zhu|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 29.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스마트 그리드에서 발전기들이 리더로, 마이크로그리드가 팔로워로 작용하는 양자리 분산 에너지 관리 프레임워크를 스택엘베르크 게임 이론을 통해 제안한다. 이는 물리적 제약 조건 하에서 전력 생산과 주입을 공동으로 최적화한다. PMU 기반 분산 알고리즘이 지역 전압 위상 측정값만을 사용하여 유일한 스택엘베르크 균형에 수렴함으로써 기밀성과 시스템 안정성을 보장한다.

ABSTRACT

The pursuit of sustainability motivates microgrids that depend on distributed resources to produce more renewable energies. An efficient operation and planning relies on a holistic framework that takes into account the interdependent decision-making of the generators of the existing power grids and the distributed resources of the microgrid in the integrated system. To this end, we use a Stackelberg game-theoretic framework to study the interactions between generators (leaders) and microgrids (followers). Entities on both sides make strategic decisions on the amount of power generation to maximize their payoffs. Our framework not only takes into account the economic factors but also incorporates the stability and efficiency of the smart grid, such as the power flow constraints and voltage angle regulations. We develop three update schemes for both generators and microgrids, respectively, and among which a fully distributed algorithm enabled by phasor measurement units is presented. The distributed algorithm merely requires the information of voltage angles at local buses for updates, and its convergence to the unique equilibrium is shown. We further develop the implementation architectures of the update schemes in the smart grid. Finally, case studies are used to corroborate the effectiveness of the proposed algorithms.

연구 동기 및 목표

• 스마트 그리드에서 발전기(리더)와 마이크로그리드(팔로워) 간의 전략적 상호작용을 스택엘베르크 게임 프레임워크를 사용하여 모델링하기.
• 전력 흐름 및 전압 위상 조정 규제와 같은 물리적 전력 시스템 제약 조건을 경제적 목표와 함께 의사결정 과정에 통합하기.
• 발전기와 마이크로그리드가 비밀 정보를 공유하지 않고도 균형 전략을 계산할 수 있도록 분산 알고리즘 개발하기.
• 파워 펄스 미터(PMU)에서 얻은 지역 측정값만을 사용하여 유일한 스택엘베르크 균형에 수렴함을 보장하기.
• 실제 구현을 위한 PMU 및 무선 통신 인프라를 활용한 구현 아키텍처 설계하기.

제안 방법

• 발전기가 전력 생산 수준을 먼저 설정하고, 마이크로그리드가 발전기의 결정에 따라 최적으로 반응하는 이중 수준 스택엘베르크 게임을 수립한다.
• 전력 흐름 방정식과 버스 어드미ittance 행렬을 통한 전압 위상 조정 규제를 포함한 물리적 제약 조건을 수익 함수에 통합한다.
• 마이크로그리드에 대한 세 가지 업데이트 방식과 발전기용 세 가지 알고리즘을 제안하며, 특히 PMU에서의 지역 전압 위상 측정값만을 사용하는 완전히 분산된 알고리즘 포함.
• 스체우르 보조정리와 행렬 역행렬 조건을 사용하여 분산 알고리즘이 유일한 스택엘베르크 균형으로 수렴함을 증명한다.
• 헤시안 행렬과 시스템 자코비안을 분석하여 수렴을 위한 충분 조건 유도하며, 주요 부분행렬의 정규성과 엄격한 볼록성을 보장한다.
• 발전량이나 조정 파rameter와 같은 민감한 데이터 교환을 피하는 PMU 기반 통신 아키텍처를 사용하여 프레임워크를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 그리드에서 발전기와 마이크로그리드 간의 전략적 상호작용은 어떻게 모델링할 수 있으며, 이는 경제적 유인과 물리적 전력 시스템 제약 조건을 반영할 수 있는가?
• RQ2 중앙 집중식 조율 없이도 비밀 정보를 공유하지 않고도 발전기와 마이크로그리드가 유일한 스택엘베르크 균형에 도달할 수 있는 분산 알고리즘은 무엇인가?
• RQ3 제안된 PMU 기반 분산 알고리즘이 균형에 수렴하는 조건는 무엇이며, 이를 수학적으로 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ4 전력 흐름 및 전압 위상 조정과 같은 물리적 제약 조건은 스택엘베르크 게임 프레임워크 내 균형 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 스마트 그리드에서 제안된 분산 에너지 관리 알고리즘을 구현하기 위한 시스템 아키텍처는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 PMU 기반 분산 알고리즘은 지역 전압 위상 측정값만을 사용하여 유일한 스택엘베르크 균형으로 수렴함으로써 기밀성과 확장성을 보장한다.
• 핵심 부분행렬의 역행렬 조건, 특히 버스 어드미ittance 행렬의 스테우르 보조정리가 포함된 조건을 만족할 경우 알고리즘의 수렴이 보장된다.
• 최적화 문제의 헤시안 행렬이 양의 정부호임을 입증하여 엄격한 볼록성과 균형 해의 유일성을 보장한다.
• 실리에스트의 기준과 버스 어드미ittance 행렬의 성질(비양의 대각선 원소 및 양의 대각선 원소)을 통해 행렬의 역행렬 가능성을 증명한다.
• 기존의 PMU 및 무선 통신 인프라를 활용하여 탈중앙화된 구현을 지원하는 아키텍처를 설계하여 통신 오버헤드를 최소화한다.
• 사례 연구를 통해 제안된 알고리즘이 통합된 그리드에서 안정적이고 효율적이며 경제적으로 최적의 에너지 관리를 달성하는 데 효과적임을 확인한다.