[논문 리뷰] Design of Resource Agents with Guaranteed Tracking Properties for Real-Time Control of Electrical Grids

Andrey Bernstein, Niek J. Bouman외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 27.

Smart Grid Energy ManagementEngineering참고 문헌 8인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 실시간 전력망 제어에서 자원 에이전트의 유한 누적 오차 성질을 제안하여, 구현된 전력 설정값이 평균적으로 요청된 설정값을 따라잡도록 보장한다. 오차 확산 기법을 사용함으로써, c-유한 누적 오차를 보장하는 방법은 최적 운영으로의 수렴을 향상시키고, 재생 가능 에너지의 기각을 줄이며, 이질적, 불확실하거나 이산적인 자원을 가진 마이크로그리드에서의 시스템의 강건성을 향상시킨다.

ABSTRACT

We target the problem of controlling electrical microgrids with little inertia in real time. We consider a central controller and a number of resources, where each resource is either a load, a generator, or a combination thereof, like a battery. The controller periodically computes power setpoints for the resources based on the estimated state of the grid and an overall objective, and subject to safety constraints. Each resource is augmented with a resource agent that a) implements the setpoint requests sent by the controller on the resource, and b) translates device-specific information about the resource into a device-independent representation and transmits this to the controller. We focus on the resource agents and their impact on the overall system's behavior. Intuitively, for the system to converge to the objective, the resource agents should be obedient to the requests from the controller, in the sense that the actually implemented setpoint should be close to the requested setpoint, at least on average. This can be important especially when a controller that performs continuous optimization is used (for the sake of performance) to control discrete resources (which have a discrete set of implementable setpoints). We formalize obedience by defining the notion of $c$-bounded accumulated-error. We then demonstrate its usefulness, by presenting theoretical results (for a simple scenario) and simulation results (for a more realistic setting) that indicate that, if all resource agents in the system have bounded accumulated-error, the closed-loop system converges on average to the objective. Finally, we show how to design resource agents that provably have bounded accumulated-error for various types of resources, such as resources with uncertainty (e.g., PV panels) and resources with a discrete set of implementable setpoints (e.g., on-off heating systems).

연구 동기 및 목표

• 실시간 마이크로그리드 제어에서 이질적, 불확실하거나 이산적인 전기 자원을 제어하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 통제자 요청에 대한 자원 에이전트의 복종을 유한 누적 오차 지표를 통해 체계화하기 위해.
• 시스템 전반의 성능 향상을 위해 증명 가능하게 c-유한 누적 오차를 달성하는 자원 에이전트를 설계하기 위해.
• 유한 오차가 최적 운영과 에너지 균형으로의 수렴을 보장함을 보여주기 위해 가상 전력 플랜트 응용 분야에서의 성능 향상을 확보하기 위해.

제안 방법

• 자원 에이전트가 통제자 요청에 복종하는 데 대한 공식적 지표로 c-유한 누적 오차 성질을 도입하기 위해.
• 연속 설정값을 이산적이거나 불확실한 실행 가능한 설정값으로 매핑하기 위해 오차 확산 기법을 사용하는 자원 에이전트를 설계하기 위해.
• 이산 제어(예: 케이스/오프 히터) 및 불확실한 자원(예: 태양광 패널)을 위해 볼록 및 믿음 집합 표현 방식을 사용하여 방법을 적용하기 위해.
• RAs가 장치 고유의 제약 조건을 추상적이고 장치에 종속되지 않은 표현으로 변환하는 계층적 에이전트 프레임워크(그리드 에이전트 및 자원 에이전트)를 사용하기 위해.
• RA 피드백에 의존하여 시스템의 타당성과 성능을 유지하는 그리드 에이전트 수준에서 강건한 연속 최적화를 구현하기 위해.
• 단순화된 가정 하에서 이론적 분석을 수행하고, 변동하는 일조량을 가진 현실적인 저압 마이크로그리드 시나리오에서 시뮬레이션을 통해 방법을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자원 에이전트는 어떻게 설계되어야 하며, 그들이 실제로 적용한 설정값이 평균적으로 통제자의 요청한 설정값을 따라잡을 수 있도록 보장할 수 있는가?
• RQ2 이산적이거나 불확실한 자원이 존재하는 상황에서, 폐쇄 루프 시스템이 최적 목표로 수렴하는 것을 보장하는 공식적 성질은 무엇인가?
• RQ3 고밀도 재생 가능 에너지 통합 환경에서 실시간 전력망 제어에서 유한 누적 오차는 시스템 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 다양한 자원 유형에 걸쳐 유한 누적 오차를 증명 가능하게 달성하기 위한 체계적인 자원 에이전트 설계 방법을 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 자원 에이전트에서 오차 확산을 사용함으로써 누적 오차가 유한하게 제한되며, 단순 투영 기반 방법에서 관찰되는 무한 증가를 방지한다.
• 유한 누적 오차를 통해 시간 평균으로 적용된 설정값이 최적 설정값으로 수렴하여 에너지 균형을 확보하고 가상 전력 플랜트의 성능을 향상시킨다.
• 그리드 에이전트의 경사 하강 단계 크기에 대한 민감도가 감소하여 강건성이 향상된다.
• 재생 가능 에너지 활용도가 크게 향상된다: 태양광 기각이 감소하고, 일조량 변화에 따라 가능한 최대 출력을 따라잡는다.
• 300ms의 정사각형 파형 일조량 프로파일을 가진 시뮬레이션에서, 유한 오차 에이전트는 근사 최적의 전력 공급과 안정된 스위칭 동작을 달성했다.
• 유한 누적 오차 성질은 총 생산 또는 소비 에너지가 요청된 양으로 수렴함을 보장하여 장기적인 전력망 안정성과 시장 응용 분야에서 핵심적이다.