[논문 리뷰] Distributed state estimation: a novel stopping criterion

Sajjad Asefi, Sergei Parsegov외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 01.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대규모 재생 가능 에너지 통합 전력망에서 효율성을 향상시키기 위해 분산된 상태 추정을 위한 새로운 분산 정지 기준을 제안한다. 지역 잔차와 공유 기반 임계값을 사용하여 분산 영역 간의 수렴성을 동적으로 평가함으로써, 통신 오버헤드를 줄이고 수렴 속도를 높이며, 정확도를 유지하면서도 기존 방법들보다 총합 효율성이 뛰어나다.

ABSTRACT

Power System State Estimation (PSSE) has been a research area of interest for power engineers for a long period of time. Due to the intermittent nature of renewable energy sources, which are applied in the power network more than before, the importance of state estimation has been increased as well. Centralized state estimation due to the complexity of new networks and growing size of power network will face problems such as communication bottleneck in real-time analyzing of the system or reliability issues. Distributed state estimation is a solution for the mentioned issues. There are different implementation methods introduced for it. The results of the paper are twofold. First, we examined different approaches to distributed PSSE (DPSSE) problem, according to most important factors like iteration number, convergence rate, data needed to be transferred to/from each area and so on. Next, we proposed and discussed a new distributed stopping criterion for the methods and above-mentioned factors are obtained as well. Finally, a comparison between the total efficiency of all applied methods is done.

연구 동기 및 목표

• 고도로 재생 가능 에너지 비중이 높은 대규모 복잡한 전력 시스템에서 중심 집중식 상태 추정의 증가하는 과제를 해결한다.
• 중앙 집중식 추정에서 발생하는 통신 병목 현상과 신뢰성 문제를 해결하기 위해 분산 계산을 가능하게 한다.
• 불필요한 반복을 최소화하면서도 분산 영역 전역에서 수렴 정확도를 보장하는 정지 기준을 개발한다.
• 반복 횟수, 수렴 속도, 데이터 전송량과 같은 핵심 성능 요소를 최적화한다.
• 제안된 정지 기준을 사용하여 다양한 분산 PSSE 방법의 총합 효율성을 평가하고 비교한다.

제안 방법

• 이웃 영역 간의 국소 잔차 노름과 공유 기반 임계값 비교를 바탕으로 한 분산 정지 기준을 제안한다.
• 지역 수렴 행동에 적응하는 동적 임계값 메커니즘을 도입하여 전역 동기화에 대한 의존도를 낮춘다.
• 핵심 추정 업데이트를 수정하지 않고도 기존 분산 PSSE 알고리즘에 정지 기준을 통합한다.
• 분산된 제어 영역 간에 국소 수렴 지표를 교환하고 비교하기 위해 공유 프로토콜을 사용한다.
• 모든 영역에서 최대 국소 잔차 노름이 사전 정의된 허용 오차 이내에 도달할 경우 수렴으로 정의한다.
• 시험용 전력 시스템에서 시뮬레이션을 수행하여, 다양한 알고리즘 간의 통신 부하와 수렴 속도를 비교 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 전력 시스템 상태 추정에서 통신 오버헤드를 줄이기 위해 어떻게 분산 정지 기준을 설계할 수 있는가?
• RQ2 제안된 정지 기준은 분산 PSSE의 수렴 속도와 반복 횟수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존의 분산 상태 추정 방법들과 비교해 볼 때 새로운 기준은 얼마나 효율적인가?
• RQ4 제어 영역 간 데이터 교환을 최소화하면서도 추정 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 국소 잔차 모니터링과 공유 기반 임계값 처리가 분산 수렴을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제안된 정지 기준은 기존의 중심 집중식 또는 고정 임계값 기반 분산 방법에 비해 수렴에 필요한 반복 횟수를 크게 줄였다.
• 국소 수렴이 감지되면 불필요한 데이터 교환을 피함으로써 통신 오버헤드가 최소화된다.
• 수렴 속도와 통신 비용의 곱으로 측정된 총합 효율 측면에서, 제안된 방법은 기존의 분산 PSSE 접근 방식보다 높은 효율성을 달성한다.
• 동적 임계값 메커니즘이 다양한 네트워크 조건과 국소 수렴 속도에 대한 적응성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 중심 집중식 상태 추정과 비교해 유사한 정확도를 유지하면서도 더 큰 시스템으로도 효과적으로 확장됨을 확인한다.
• 국소 잔차의 공유 기반 평가로 인해 분산된 제어 영역 간의 강건성과 일관성이 보장된다.