[논문 리뷰] Fast Resource Scheduling for Distribution Systems Enabled with Discrete Control Devices

Alireza Nouri, Alireza Soroudi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 09.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 연속 제어 장치(예: 인vert러)와 이산 제어 장치(예: OLTC, SVR)를 모두 사용하는 단기 배전시스템 스케줄링을 위한 빠르고 전역 수렴성 있는 브랜치 앤 컷 프레임워크를 제안한다. 각 노드에 Trust Region Algorithm(TRA)를 적용하기 전에 단순화된 선형계획문제(LP 문제)를 사전에 풀어 수렴 속도를 높여 계산 시간을 크게 감소시키면서도 최적성 보장을 확보한다.

ABSTRACT

This paper proposes a framework for fast short-term scheduling and steady-state voltage control in distribution systems enabled with both continuous control devices, e.g., inverter interfaced DGs and discrete control devices (dcds), e.g., on-load tap changers (oltcs). The voltage-dependent nature of loads is taken into account to further reduce the operating cost by managing the voltage levels. The branch and cut method is applied to handle the integrality constraints associated with the operation of dcds. A globally convergent trust-region algorithm (tra) is applied to solve the integer relaxed problems at each node during the branching process. The tra sub-problems are solved using the interior point method. To reduce the branching burden of the branch and cut algorithm, before applying tra at each node, a simplified optimization problem is first solved. Using the convergence status and value of the objective function of this problem, a faster decision is made on stopping the regarding branch. Solving the simplified problem obviates the application of tra at most nodes. It is shown that the method converges to the optimal solution with a considerable saving in computation time according to the numerical studies.

연구 동기 및 목표

• 고도로 분포된 DER(분산 에너지 자원)를 포함한 활성 배전시스템에서의 근접 실시간 최적 자원 스케줄링 문제 해결.
• 전압에 의존하는 부하 특성과 정확한 OLTC 행동을 모델링하여 효율적인 전압 제어를 가능하게 한다.
• 배전 스케줄링에서 발생하는 혼합정수비선형계획문제(MINLP)에 대한 빠르고 전역 수렴성 있는 해법 개발.
• 브랜치 앤 컷의 계산 부담을 줄이기 위해, 비용이 많이 드는 TRA 해법을 피하기 위해 단순화된 LP 문제를 사용해 노드를 사전 선별한다.
• 시간에 민감한 운영 요구 조건을 충족시키면서도 해의 최적성과 타당성을 보장한다.

제안 방법

• 연속 및 이산 제어 장치를 모두 포함하는 혼합정수비선형계획문제(MINLP)로 분포 스케줄링 문제(DSP)를 수식화한다.
• 이산 제어 장치(DCD: 예를 들어 OLTC, 콘덴서 백)와 관련된 정수 변수를 처리하기 위해 브랜치 앤 컷(BC) 알고리즘을 적용한다.
• 각 노드에서 MINLP의 연속적 리 릴랙세이션을 해결하기 위해 전역 수렴성 있는 트러스트 영역 알고리즘(TRA)을 하위 알고리즘으로 사용한다.
• 내부점 방법을 사용해 TRA 하위 문제를 해결하며, 전력 흐름 계산을 통해 전압 값을 갱신하고 모델 함수를 반복적으로 정밀화한다.
• 각 노드에서 TRA 적용 전에 사전에 LP 문제를 풀어 가지를 자르기(절단)할 수 있는지 신속히 평가한다. 이는 불필요한 TRA 계산을 피하는 데 기여한다.
• LP 문제의 해 상태와 목적 함수 값을 활용해 가지치기 결정을 신속히 내리며, 이는 분기 작업의 부담을 크게 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합정수비선형 제약 조건을 가진 활성 배전시스템에서 단기 스케줄링을 위한 전역 수렴성 있고 계산적으로 효율적인 방법을 개발할 수 있는가?
• RQ2 MINLP 기반의 배전 스케줄링에서 해의 최적성을 훼손하지 않고 브랜치 앤 컷의 계산 부담을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ3 전압에 의존하는 부하 특성을 모델링하면 배전 시스템의 운영 비용 절감에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 비용이 많이 드는 TRA 하위 문제의 결과를 효과적으로 예측할 수 있는 단순화된 LP 문제를 통해 비순리적인 가지를 조기에 자를 수 있는가?
• RQ5 비균형적인 실사용 조건에서 SOCP 기반 접근법과 비교해 제안된 방법은 해의 품질과 계산 속도 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 제안된 방법은 MINLP 기반의 배전 스케줄링 문제에 대해 전역 수렴성을 확보하여 최적 해에 도달한다.
• 다수의 노드에서 TRA 적용을 피하기 위해 사전에 풀어낸 LP 문제의 결과를 활용해 분기 결정을 유도함으로써, 상당한 계산 시간 절감 효과를 얻는다.
• 해의 시간은 SOCP 기반 방법과 경쟁 가능하며, 특히 뛰어난 해의 품질를 감안할 때 수용 가능한 수준을 유지한다.
• 독립적인 상변화 전압 제어 및 비선형 부하 모델링이 가능한 점을 고려할 때, 비균형 하중 조건 하에서 SOCP를 초월하는 최적성 성능을 보인다.
• 정확한 OLTC 모델링과 전압에 의존하는 부하 특성의 통합은 고하중 단위에서 낮은 전압 수준을 허용함으로써 운영 비용 절감에 기여한다.
• IEEE 33-bus 시스템에 대한 수치적 실험 결과, 제안된 방법은 근접 실시간 응용에 적합할 정도로 고해상도의 해 품질을 유지하면서도 매우 신속한 성능을 보였다.