[논문 리뷰] Enhanced Secondary Frequency Control via Distributed Peer-to-Peer Communication

Chenye Wu, Soummya Kar외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 07.

Frequency Control in Power Systems참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 피어 투 피어 통신과 공감 + 전역 혁신 제어 구조를 조합하여 시스템 안정성과 경제적 효율성을 향상시키는 분산 2차 주파수 제어 프레임워크를 제안한다. 이 방법은 실시간 ACE 신호와 국지적 통신을 사용함으로써 기존 AGC보다 주파수를 더 빨리 안정화시키며, 최소한의 통신 요구 조건으로 최적 경제적 배분에 $c\epsilon$-근접하는 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Distributed generation resources have become significantly more prevalent in the electric power system over the past few years. This warrants reconsideration on how the coordination of generation resources is achieved. In this paper, we particularly focus on secondary frequency control and how to enhance it by exploiting peer-to-peer communication among the resources. We design a control framework based on a consensus-plus-global-innovation approach, which guarantees bringing the frequency back to its nominal value. The control signals of the distributed resources are updated in response to a global innovation corresponding to the ACE signal, and additional information exchanged via communication among neighboring resources. We show that such a distributed control scheme can be very well approximated by a PI controller and can stabilize the system. Moreover, since our control scheme takes advantage of both the ACE signal and peer-to-peer communication, simulation results demonstrate that our control scheme can stabilize the system significantly faster than the AGC framework. Also, an important feature of our scheme is that it performs $cε$-close to the centralized optimal economic dispatch, where $c$ is a positive constant depending only on the cost parameters and the communication topology and $ε$ denotes the maximum rate of change of overall system.

연구 동기 및 목표

• 현대 전력 시스템에서 분산 자원의 비중이 높아짐에 따라 중심 집중식 자동 발전 제어(AGC)의 한계를 해결하기 위해.
• 중앙 제어자에 의존하지 않고도 분산 자원 간 직접 통신을 가능하게 하여 2차 주파수 제어 성능을 향상시키기 위해.
• 시스템 안정성을 확보하면서 비용 효율적인 경제적 배분을 달성할 수 있는 제어 프레임워크를 설계하기 위해.
• 희박한 국지적 통신이 기존 AGC에 비해 응답 속도를 크게 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 사용자 비용 정보를 노출하지 않으면서도 분산 제어 체계가 중심 최적 경제적 배분에 점차 수렴함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 제어 프레임워크는 각 자원이 전역 ACE 신호와 이웃 자원으로부터의 국지적 정보를 바탕으로 제어 신호를 갱신하는 공감 + 전역 혁신 방식을 사용한다.
• 제어 법칙은 전역 혁신 항목(ACE에서 유래)과 국지적 공감 항목(피어 투 피어 통신에서 유래)을 통합하여 주파수 복구와 경제적 배분을 균형 있게 조절한다.
• 시스템 동역학은 스위ング 방정식으로 모델링되며, 제어 갱신은 매 측정 주기 후 반복적으로 적용되어 실시간 반응성을 확보한다.
• 이론적으로 시스템이 안정화되고 중심 최적 배분에 $c\epsilon$ 이내로 수렴함을 입증하였으며, 여기서 $c$는 비용 파ameters와 네트워크 구조에 따라 결정된다.
• 강하게 연결된 통신 그래프가 필요로 하지 않아 희박하고 국지적인 통신을 허용한다.
• 다양한 하중 조건과 통신 지연 조건 하에서 단일 지역 및 다중 지역 전력 시스템에서의 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 피어 투 피어 통신과 전역 ACE 신호만을 사용하는 분산 제어 체계가 기존 AGC보다 2차 주파수 제어를 더 빨리 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 제안된 공감 + 전역 혁신 프레임워크가 시스템 동역학과 실시간 갱신 조건 하에서도 안정성과 수렴성을 어떻게 확보하는가?
• RQ3 이 분산 체계가 비용 파라미터를 비공개로 유지하면서 비용 효율적인 경제적 배분을 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ4 희박하거나 지연된 통신 조건에서 제안된 체계의 성능은 어떻게 저하되는가?
• RQ5 다중 지역 시스템에서 주파수 복구를 동시에 수행하면서도 타이라인 유량 제약 조건을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 0.005 pu의 하중 증가 발생 후 제안된 분산 제어 체계는 8초 이내에 시스템을 안정화시키며, AGC는 0.16초 갱신 간격이라도 12초 이상 소요되는 것과 비교해 빠른 안정화를 보였다.
• 4초 갱신 간격($\Delta T = 4$ s)에서 두 번의 제어 갱신만으로도 시스템이 안정화되어 매우 높은 반응성을 입증하였다.
• $\Delta T = 0.4$ s일 경우 AGC 프레임워크는 주파수를 정상 범위 내로 유지하지 못했지만, 제안된 체계는 0.08초 갱신 간격과 유사한 안정된 성능을 유지하였다.
• 5분 동안의 시점에서 최적 배분으로부터의 상대적 편차는 25%에서 7%로 감소하여 높은 비용 효율성을 입증하였다.
• 3개 지역 시스템에서 타이라인 유량 편차가 0이 되었음을 확인하여 상호 연결된 지역 간 전력 흐름 제약 조건을 유지할 수 있음을 입증하였다.
• 이론적 분석을 통해 체계가 중심 최적 배분에 $c\epsilon$-근접함을 확인하였으며, 여기서 $c$는 비용 파rameters와 통신 구조에만 의존한다.