[논문 리뷰] DLMP-based Coordination Procedure for Decentralized Demand Response under Distribution Network Constraints

Paulin Jacquot|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 13.

Smart Grid Energy Management인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 분포전력망 제약 조건을 고려하여 부하 집약자 간의 의사결정을 조율하기 위해 분포지역가격(DLMP)을 사용하는 탈중앙화된 조정 메커니즘을 제안한다. AC 최적력률배분 문제의 콘익 연장화를 풀어 시스템 전체의 타당성과 최적성을 확보하면서도, 기밀성과 탈중앙화를 유지한다. DLMP는 네트워크 혼잡도와 전압 제약 조건을 반영하는 인cent리브 신호로 기능한다.

ABSTRACT

Load aggregators are independent private entities whose goal is to optimize energy consumption flexibilities offered by multiple residential consumers. Although aggregators optimize their decisions in a decentralized way, they are indirectly linked together if their respective consumers belong to the same distribution grid. This is an important issue for a distribution system operator (DSO), in charge of the reliability of the distribution network, it has to ensure that decentralized decisions taken do not violate the grid constraints and do not increase the global system costs. From the information point of view,the network state and characteristics are confidential to the DSO, which makes a decentralized solution even more relevant. To address this issue, we propose a decentralized coordination mechanism between the DSO and multiple aggregators that computes the optimal demand response profiles while solving the optimal power flow problem. The procedure, based on distribution locational marginal prices (DLMP), preserves the decentralized structure of information and decisions, and lead to a feasible and optimal solution for both the aggregators and the DSO. The procedure is analyzed from a mechanism design perspective, and different decentralized methods that could be used to implement this procedure are presented.

연구 동기 및 목표

• 제3자에게 민감한 네트워크 정보를 노출하지 않으면서도 분포전력망 내 다수의 독립된 부하 집약자 간의 조율 문제를 해결한다.
• 집약자들의 탈중앙화된 의사결정이 네트워크 혼잡도나 전압 위반을 유발하지 않아 전력망 안정성에 악영향을 주지 않도록 보장한다.
• 분포시스템운영자(DSO)만이 알고 있는 네트워크 파arameter(예: 선로 용량, 구조)의 기밀성을 유지하여 진정으로 탈중앙화된 해결책을 가능하게 한다.
• DSO의 관점에서 최적의 시스템 운영을 가능하게 하면서도 집약자와 최종 소비자의 자율성을 유지하는 메커니즘을 개발한다.
• ACOPF 문제의 볼록 연장화에서 유도된 DLMP를 인cent리브 신호로 사용하는 실용적이고 확장 가능한 조정 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 선로 전력류, 전압 제한, 위상각 등을 포함한 네트워크 제약 조건을 모델링하기 위해 AC 최적력률배분(ACOPF) 문제의 두차원형소계획(SOCP) 연장화를 사용한다.
• DSO가 SOCP-연장화된 ACOPF의 최적 해를 기반으로 중심적으로 DLMP를 계산하며, 각 버스에서의 전력 주입의 한계비용을 반영한다.
• 문제를 마스터-서브프로브 구조로 분해: DSO는 네트워크 수준 문제를 풀고, 각 집약자는 DLMP 신호를 사용하여 자신의 지역적 수요반응 최적화 문제를 푼다.
• 두 가지 탈중앙화 알고리즘인 원리-이중 경사도 방법(PDGS)과 교차방향 다중승수법(ADMM)을 통해 조정 절차를 구현하며, 둘 다 최적 해로 수렴함을 보장한다.
• DLMP 기반 신호가 예산 균형을 이루고 집약자가 유연성을 정직하게 보고하도록 올바른 인센티브를 제공하기 위해 메커니즘 설계 프레임워크를 적용한다.
• 경제적 효율성을 검증하기 위해 VCG 메커니즘을 기준으로 삼아 지급액을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제3자에게 민감한 네트워크 정보를 노출하지 않으면서도 분포전력망 내 탈중앙화된 부하 집약자를 어떻게 조율할 수 있는가?
• RQ2 ACOPF 문제의 볼록 연장화에서 유도된 DLMP가 시스템 최적의, 네트워크 타당적인 해로 집약자를 안내하는 데 효과적으로 작용할 수 있는가?
• RQ3 제안된 조정 메커니즘을 구현할 때 PDGS와 ADMM 간의 수렴성과 계산적 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 DLMP는 네트워크 혼잡도와 전압 제약 조건을 어떻게 반영하는가? 그리고 주입 감소나 소비 증가가 필요할 경우 음수일 수 있는가?
• RQ5 네트워크 제약 조건이 존재하는 상황에서 DLMP 기반 지급액은 얼마나 경제적으로 효율적인 VCG 지급액을 근사하는가?

주요 결과

• DLMP는 네트워크 혼잡도와 전압 제약 조건을 효과적으로 반영하며, 특히 선로(0,12)의 혼잡으로 인해 노드(12,13,14)의 DLMP가 다른 노드보다 두 배 높은 가격 격차를 보였다.
• 시간 t=1에서 노드 7의 DLMP는 엄격하게 음수(-0.143)였으며, 이는 이 노드에서의 전력 주입 감소가 시스템 효율성을 향상시킴을 의미한다. 이는 비용 함수가 증가함에도 불구하고 DLMP가 음수가 될 수 있음을 보여준다.
• ADMM 알고리즘은 60회 반복(21.41초) 내에 원시 타당성 오차가 10⁻⁴ 이하로 수렴했고, PDGS는 1000회 이상 반복(364.23초)이 걸리며 오차가 10⁻³ 이상 유지되어 ADMM의 수렴 속도가 뛰어나다는 것을 확인했다.
• 각 집약자에 대한 DLMP 지급액은 항상 해당 VCG 지급액보다 높게 나타났으며, 이는 이전 연구에서 이론적으로 도출된 바와 같이 DLMP가 예산 균형을 이루고 경제적으로 효율적이라는 것을 확인한다.
• 선로(3,8)의 혼잡을 피하기 위해 수요 이동이나 부하 절감을 유도하는 가격 신호를 만들어내어 집약자들을 성공적으로 조율하였다.
• 콘익 연장화된 전체 AC력률모델에서 유도된 DLMP를 사용함으로써, 복잡한 네트워크 제약 조건 하에서도 모든 탈중앙화된 의사결정이 ACOPF 기준으로 타당하고 최적임을 보장한다.