[논문 리뷰] A Stochastic-Robust Approach to Hierarchical Generation-Transmission Expansion Planning.

Maria de Lujan Latorre, G.C. Oliveira외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 03.

Electric Power System Optimization참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중미 전력시장의 다국가 전력망을 대상으로, 생성 및 전송 확장 계획을 위한 확률적-강건한 계층적 접근법을 제안한다. 문제는 세 단계로 분해된다: 통합된 생성 및 상호연결 계획, 운영 시나리오를 생성하기 위한 생산비용 시뮬레이션, 개선된 벤더스 분해법을 사용한 탐욕적 웜업을 포함한 강건한 TEP. 이 방법은 중미 다국가 전력시장의 최저비용이며 시나리오에 강건한 전력송전 확장 계획을 도출한다.

ABSTRACT

In this paper, the differences between an integrated and hierarchical generation and transmission expansion planning approaches are first described. Then, the hierarchical approach is described in detail. In general terms, in this scheme the investment decisions are made in steps, instead of an overall optimization scheme. This paper proposes a stochastic hierarchical generation-transmission expansion planning methodology based on a three-step procedure, as follows: 1. In this step, an integrated expansion planning problem of generation and interregional interconnections is solved; 2. Taking the optimal expansion plan of (generation and interconnections) into account, a production costing simulation with the detailed network representation is performed without monitoring circuit flow limits (except the ones in the interconnections, which are monitored); this simulation produces a set of optimal dispatch scenarios (vectors of bus loads and generation); 3. A Transmission Expansion Planning (TEP) model is then applied to determine the least-cost transmission expansion plan that is robust with respect to all operation scenarios of step 2, using an enhanced Benders decomposition scheme that: (a) incorporates a subset of the operation scenarios in the investment module; and (b) presents a warm-up step with a greedy algorithm that produces a (good) feasible solution and an initial set of feasibility cuts. The application of the hierarchical planning scheme is illustrated with a realistic multi-country generation and transmission planning case study of the Central America's electricity market.

연구 동기 및 목표

• 통합된 생성 및 전송 확장 계획(GTEP)의 계산 복잡도 및 확장성 문제를 해결하기 위해 문제를 계층적 프레임워크로 분해함으로써 해결하고자 한다.
• 다양한 생성 및 부하 시나리오에서 발생하는 운영 불확실성을 고려한 강건한 전송 확장 계획(TEP) 모델을 개발하고자 한다.
• 벤더스 분해에 탐욕적 웜업 알고리즘과 선택적 시나리오 서브셋 사용을 통합하여 대규모 TEP의 해 품질과 수렴성을 향상시키고자 한다.
• 실제 다국가 사례 연구를 통해 중미 전력시장의 현실적인 다국가 전력시장 환경을 반영한 방법론의 타당성을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 단계 1은 최적의 생성 및 상호연결 투자 결정을 위한 통합된 생성 및 상호국경 간 상호연결 확장 문제를 해결한다.
• 단계 2는 최적의 생성 및 상호연결 계획을 기반으로 한 세부적인 생산비용 시뮬레이션을 수행하여, 네트워크의 모든 흐름 제약(상호연결부분 제외)을 적용하지 않은 디스패치 시나리오 집합을 생성한다.
• 단계 3은 단계 2의 모든 시나리오에 대해 강건한 최저비용 전력송전 확장 계획을 식별하는 TEP 모델을 수립한다.
• 계산 효율성을 향상시키기 위해, 주로 마스터 문제에서 시나리오 서브셋만 사용하는 개선된 벤더스 분해 기법을 적용한다.
• 수렴 속도를 높이기 위해 웜업 단계에서 탐욕 알고리즘을 적용하여 초기 탄력 가능한 해와 초기 타당성 컷 집합을 생성한다.
• 최종 전력송전 계획이 생성된 모든 디스패치 시나리오에서 타당하도록 보장함으로써 강건성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 GTEP의 계산 부담은 어떻게 줄일 수 있으며, 이 과정에서 해 품질은 유지될 수 있는가?
• RQ2 벤더스 분해 프레임워크에서 운영 시나리오 서브셋을 사용할 경우, 해의 강건성과 수렴성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 탐욕적 웜업 전략은 대규모 시스템에서 벤더스 기반 TEP의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 다국가 전력체계에서 계층적 접근법은 통합 계획 대비 비용과 강건성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 전력송전 확장 계획의 강건성을 확보하기 위해 필요한 운영 시나리오 다양성의 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 계층적 접근법은 전체 통합 GTEP 문제를 한 번에 해결하는 것에 비해 계산 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 벤더스 분해에서 시나리오 서브셋을 사용함으로써 강건성을 유지하면서 계산 효율성을 향상시킬 수 있다.
• 탐욕적 웜업 단계는 고품질의 초기 타당해를 생성하여 수렴을 위한 벤더스 반복 수를 줄인다.
• 최종 전력송전 확장 계획은 생산비용 시뮬레이션에서 생성된 모든 디스패치 시나리오에서 강건하다.
• 이 방법은 다양한 시스템 조건 하에서 모든 운영 제약 조건을 충족하는 최저비용 전력송전 확장 계획을 성공적으로 규명한다.
• 사례 연구는 이 방법이 실제 다국가 전력시장 환경에서 적용 가능하고 효과적임을 보여준다.