[논문 리뷰] A Time-Power Series Based Semi-Analytical Approach for Power System Simulation

Bin Wang, Nan Duan외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 19.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전력 시스템 동적 시뮬레이션을 위한 시간-거듭제곱수열 기반의 준해석적 접근법을 제안하며, 시간에 대한 거듭제곱수열 형태의 해석적 해를 도출하여 온라인 빠른 평가를 가능하게 한다. 적응형 시간 윈도우를 위한 오차율 상한을 도입하고, 구성 요소 해를 연결하기 위한 동적 버스 방법을 제시하여 기존 방법에 비해 뉴잉글랜드 39bus 및 폴란드 2383bus 시스템에서 빠른 속도와 높은 정확도를 입증한다.

ABSTRACT

Time domain simulation is the basis of dynamic security assessment for power systems. Traditionally, numerical integration methods are adopted by simulation software to solve nonlinear power system differential-algebraic equations about any given contingency under a specific operating condition. An alternative approach promising for online simulation is to offline derive a semi-analytical solution (SAS) and then online evaluate the SAS over consecutive time windows regarding the operating condition and contingency until obtaining the simulation result over a desired period. This paper proposes a general semi-analytical approach that derives and evaluates an SAS in the form of power series in time to approximate the solutions of power system differential equations. An error-rate upper bound of the SAS is also proposed to guarantee the reliable use of adaptive time windows for evaluation of the SAS. A dynamic bus method is proposed to extend the semi-analytical approach for solving general power system DAEs by efficiently linking the SASs for dynamic components through the numerical solution of the network algebraic equations. Case studies performed on the New England 39-bus system and the Polish 2383-bus system test the performance of the proposed semi-analytical approach and compare to existing methods. The results show that the SAS based approach has potentials for online simulations.

연구 동기 및 목표

• 전력 시스템에서 빠른 온라인 동적 안전성 평가를 가능하게 하는 준해석적 접근법을 개발하기 위해.
• 수치적 적분을 해석적 거듭제곱수열 근사로 대체하여 시간 영역 시뮬레이션에서 계산 부담을 줄이기 위해.
• 적응형 시간 윈도우를 위한 유도된 오차율 상한을 통해 해의 신뢰성을 보장하기 위해.
• 구성 요소-네트워크 결합을 위한 동적 버스 방법을 통해 일반 전력 시스템 미분-代수 방정식(DAE)에 이 방법을 확장하기 위해.
• 대규모 시스템에서 이론적 접근법을 검증하고 기존 시뮬레이션 방법과 성능를 비교하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 비선형 전력 시스템 미분 방정식의 해를 근사하기 위해 시간-거듭제곱수열 형태의 준해석적 해(SAS)를 유도한다.
• 절단 오차를 제어하고 온라인 평가 중 적응형 시간 윈도우를 가능하게 하기 위해 오차율 상한을 해석적으로 도출한다.
• 각 시간 윈도우에서 네트워크 대수방정식을 수치적으로 풀어 구성 요소 수준의 SAS를 효율적으로 결합하기 위해 동적 버스 방법을 도입한다.
• 시리즈 계수를 오프라인으로 유도하고 온라인에서 시간 윈도우 동안 평가함으로써 실시간 계산을 최소화한다.
• 이 방법은 뉴잉글랜드 39bus 및 폴란드 2383bus 시스템에 구현되고 테스트되어 확장성과 정확도를 평가한다.
• 기존 수치적 적분과의 비교를 통해 해를 검증하며, 시뮬레이션 속도와 오차 내성 기준으로 성능을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간-거듭제곱수열 기반 준해석적 접근법이 온라인 계산 시간을 줄이며 전력 시스템 동적 시뮬레이션에 충분한 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 온라인 시뮬레이션 중 신뢰할 수 있는 적응형 시간 윈도우를 보장하기 위해 오차율 상한을 어떻게 도출할 수 있는가?
• RQ3 대규모 시스템에서 구성 요소 수준의 준해석적 해를 네트워크 대수방정식 제약 조건과 효과적으로 결합할 수 있는가?
• RQ4 실제 전력 시스템 모델에서 기존 수치적 적분 방법과 비교해 제안된 방법은 속도와 정확도에서 어떻게 다른가?
• RQ5 폴란드 2383bus 시스템과 같은 대규모 실용적 전력 시스템에서 준해석적 접근법의 확장성은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 준해석적 접근법은 반복적인 수치적 적분을 해석적 수열 평가로 대체하여 온라인 시뮬레이션에서 빠른 속도 향상을 달성한다.
• 유도된 오차율 상한은 해의 오차를 성공적으로 제어하여 온라인 평가 중 안정적인 적응형 시간 윈도우를 가능하게 한다.
• 동적 버스 방법은 네트워크 대수방정식의 수치적 해를 통해 구성 요소 수준의 SAS를 효과적으로 연결하여 정확도와 확장성을 유지한다.
• 뉴잉글랜드 39bus 시스템 사례 연구에서는 기존 방법에 비해 낮은 계산 부담으로도 높은 정확도를 유지함을 보였다.
• 폴란드 2383bus 시스템에서는 대규모 온라인 동적 안전성 평가에 대한 확장성과 실현 가능성을 입증하였다.
• 결과는 이 방법이 실시간 또는 온라인 전력 시스템 시뮬레이션 응용 분야에서 잠재적 잠재력을 지닌다는 것을 확인시켰다.