[논문 리뷰] Evaluation of Energy Resilience and Cost Benefit in Microgrid with Peer-to-Peer Energy Trading

Divyanshi Dwivedi, K. Victor Sam Moses Babu외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 05.

Smart Grid Energy Management인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 협력 게임 이론과 복잡한 네트워크 분석을 활용하여 에너지 복원성과 비용 효율성을 동시에 평가하는 피어 투 피어(P2P) 에너지 거래 모델을 제안한다. IEEE 123-bus 피더에 태양광 PV와 배터리 저장장치를 통합하여 시뮬레이션한 결과, P2P 거래로 연간 전력망 에너지 사용이 17,852kWh 감소하고 복원성이 10.67% 향상되었으며, 주택가들의 평균 비용 절감률은 5.81%에 달한다.

ABSTRACT

Integration of distributed energy resources (DERs) at a residential level has given way to the development of a self-sufficient energy-resilient system and peer-to-peer (P2P) energy trading at a community level. Several researchers have developed models to implement energy trading in the P2P network with DERs that enables prosumers to avail cost benefits. However, the impact of DERs and P2P energy network on the system's resilience is not evaluated with a quantifiable measure. In this work, we use the percolation threshold as a measure to quantify energy resilience, which can be computed using complex network. We consider a standard IEEE-123 node test feeder integrated with renewable energy sources and partitioned into microgrids. The microgrid with the highest percolation threshold value is considered for P2P energy trading analysis. We use cooperative game theory to model the P2P energy trading so that all prosumers take part rationally. The simulation is carried out using time series data of houses with varying load profiles, solar generation, and energy storage capacities. The results show 5.81\% of total cost benefit in a year and 10.67\% improvement in the resilience of the system due to P2P energy trading.

연구 동기 및 목표

• 주거용 마이크로그리드에서 피어 투 피어(P2P) 에너지 거래가 에너지 복원성과 비용 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 시간적 에너지 데이터에 복잡한 네트워크 이론을 적용하여 유도된 퍼콜레이션 임계점을 활용해 복원성을 정량화하기 위해.
• 모든 프로수어(prosumers)가 공정하고 수익성을 확보할 수 있도록 비용 배분 메커니즘을 포함한 협력 게임 이론을 활용해 P2P 에너지 거래를 모델링하기 위해.
• 실제 부하, 태양광 및 저장 프로파일을 반영하여 P2P 거래 유무에 따른 마이크로그리드의 경제성 및 복원성 성능를 비교하기 위해.
• 재생 가능 에너지 통합, 에너지 저장 및 P2P 거래의 병합 효과가 장기적 시스템 복원성과 주택가의 비용 절감에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 태양광 PV와 배터리 저장장치를 포함한 분산 에너지 자원(DERs)을 갖춘 수정된 IEEE 123-bus 배전 피더를 48개 주거용 주택에 대해 시뮬레이션하였다.
• 스위칭 운영을 통해 시스템을 마이크로그리드로 분할하고, 가장 높은 퍼콜레이션 임계점을 보인 마이크로그리드를 분석 대상으로 선정하였다.
• 시간적 에너지 데이터(전력망 수입/수출)에서 가시성 그래프를 구축하여 시스템을 복잡한 네트워크로 모델링하였다.
• 단변량 에너지 시간적 시계열의 상관행렬을 사용하여 퍼콜레이션 임계점을 계산하여 네트워크 복원성을 정량화하였다.
• 협력 게임 이론을 적용하고 핵심 기반 비용 배분 메커니즘을 사용하여 모든 프로수어 간 안정적이고 공정한 에너지 거래를 보장하였다.
• 실제 청구 조건을 반영하기 위해 시간대별 요금(ToU) 및 넷 메터링 정책을 P2P 거래 모델에 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼콜레이션 임계점으로 측정할 때 P2P 에너지 거래는 마이크로그리드의 에너지 복원성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 중앙 집중식 전력망 전용 운영 대비 P2P 에너지 거래에 참여하는 주택가의 연간 비용 절감 효과는 어떠한가?
• RQ3 P2P 거래는 연간 전력망에서 소비하는 총 에너지량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 P2P 거래는 복원성 지표에 의해 나타나는 바와 같이, 파급적인 사건에 대한 시스템의 내성 능력을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 모든 프로수어가 경제적으로 이익을 얻을 수 있도록 보장하는 협력 게임 이론 기반의 공정하고 안정적인 P2P 에너지 거래 메커니즘을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• P2P 에너지 거래로 인해 전력망에서 소비하는 연간 총 에너지가 492,483kWh에서 474,631kWh로 17,852kWh 감소하였다.
• 퍼콜레이션 임계점은 P2P 없이 0.22653에서 P2P 적용 후 0.25077로 상승하여 시스템 복원성이 10.67% 향상됨을 나타낸다.
• 모든 48개 주택가의 평균 연간 비용 절감률은 5.81%이며, 개인별 절감률은 1.53%에서 20.98%까지 다양하다.
• 1월에는 최고의 월간 비용 절감률이 7.99%에 달했고, 4월과 5월에는 태양광 발전량이 높고 수요가 낮아 최소한의 절감률(0.87% 및 0.21%)을 기록하였다.
• 27개 주택가가 5% 이하의 절감률을 얻었고, 17개는 5%에서 10% 사이, 4개는 10% 초과의 절감률을 기록하여 공정한 혜택 분배가 이루어짐을 보여준다.
• 협력 게임 이론 기반 모델은 안정적이고 공정한 비용 배분을 보장하여 모든 프로수어가 합리적으로 에너지 거래에 참여하고 이익을 얻을 수 있도록 하였다.