[논문 리뷰] Coordinated Home Energy Management for Real-Time Power Balancing

Tsung‐Hui Chang, Mahnoosh Alizadeh외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 10.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 14인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 실시간 시장 비용을 최소화하고 전력망의 전력 균형을 향상시키기 위해 주거 단위들이 연계된 가정 에너지 관리 시스템(HEMS)을 제안한다. 이 시스템은 연기 가능한 부하(예: PHEV 및 가정용 가전제품)를 공동으로 스케줄링함으로써, 개별 HEMS 대비 실시간 부하 이격도를 53% 감소시키며, 분산 방식으로 중심 집중형 성능에 근접한 성능을 달성한다. 이는 약간의 정확도 손실을 감수하면서도 실시간 전력 수요 조절을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper proposes a coordinated home energy management system (HEMS) architecture where the distributed residential units cooperate with each other to achieve real-time power balancing. The economic benefits for the retailer and incentives for the customers to participate in the proposed coordinated HEMS program are given. We formulate the coordinated HEMS design problem as a dynamic programming (DP) and use approximate DP approaches to efficiently handle the design problem. A distributed implementation algorithm based on the convex optimization based dual decomposition technique is also presented. Our focus in the current paper is on the deferrable appliances, such as Plug-in (Hybrid) Electric Vehicles (PHEV), in view of their higher impact on the grid stability. Simulation results shows that the proposed coordinated HEMS architecture can efficiently improve the real-time power balancing.

연구 동기 및 목표

• 개별 HEMS가 저가격 구간으로 동시에 부하를 이관함으로써 발생하는 반동 피크 부하 문제를 해결하기 위해.
• 소매상의 실시간 시장 비용을 최소화하기 위해 주거용 에너지 스케줄링을 조율하기 위해.
• 개별 비용 증가 없이도 고객의 분산적이고 인센티브 호환 가능한 참여를 가능하게 하기 위해.
• 특히 PHEV와 같은 연기 가능한 가전제품을 활용하여 주거용 부하를 실시간 공급과 일치시켜 전력망 안정성을 향상시키기 위해.
• 실제 구현에 적합한 이중 분해 기반의 확장성 있고 볼록 최적화 기반의 구현을 제공하기 위해.

제안 방법

• 실시간 시장 비용을 최소화하기 위해 연계된 HEMS 설계를 동적 프로그래밍(DP) 문제로 수식화한다.
• 대규모 DP 문제를 효율적으로 해결하기 위해 크로스 엔트로피 방법(CEC)을 포함한 근사 DP 기법을 적용한다.
• 분산 최적화와 이중 분해를 기반으로 한 분산 알고리즘을 개발하여 탈중앙화된 구현을 가능하게 한다.
• 시간에 따라 변하는 전력 수요, 무작위 요청 시간, 고정된 부하 프로파일을 고려한 가전제품 스케줄링 모델을 수립한다.
• 도전적 가격 신호(일일 전기요금 및 실시간 가격)를 통합하고, 부하-공급 불균형에 대한 보상 조건을 포함한다.
• 소매상의 실시간 시장 비용과 사용자 불만을 조합한 비용 함수를 사용하며, 트레이드오프를 위해 조정 가능한 가중치를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 HEMS가 동적 가격에 독립적으로 반응하는 것과 비교해, 연계된 HEMS 스케줄링이 실시간 부하 불균형을 줄일 수 있는가?
• RQ2 제안된 분산 알고리즘이 중심 집중 최적화 성능에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ3 초과 에너지를 환수할 수 있는 경우, 부하 조율이 실시간 시장 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 개별 전기 요금이 증가하지 않도록 고객의 인centives를 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ5 PHEV와 같은 연기 가능한 가전제품을 얼마나 효과적으로 활용하여 실시간 전력망 안정성을 높일 수 있는가?

주요 결과

• 에너지 공급과 비교할 때, 개별 HEMS의 실시간 부하 이격도 2450에서 연계된 HEMS로 698으로 감소하여 71.4% 향상되었다.
• 분산 구현이 중심 최적 해와 0.5% 이내의 성능을 달성하여 근사 최적성을 입증했다.
• 초과 에너지를 -0.5$/kWh의 가격으로 환수할 수 있는 시나리오에서, 연계된 HEMS는 실시간 비용을 -246으로 줄였고, 개별 HEMS는 276의 비용을 유발했다.
• 저가격 구간에서의 동시에 스케줄링을 방지함으로써 반동 피크 부하를 효과적으로 방지했다.
• 단독 HEMS와 비교해도 개별 비용이 그대로 유지되어 고객의 인센티브가 유지됨을 확인했다.
• 시뮬레이션 결과는 연계된 접근이 실시간 전력 균형과 전력망 안정성 향상에 크게 기여함을 입증했다.