[논문 리뷰] Hierarchical Control Framework for Integrated Coordination between DERs and Demand Response

Di Wu, Jianming Lian외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 08.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 계층 아키텍처를 통해 분산 에너지 자원(DERs)과 수요 반응(DR)을 통합하는 계층적 제어 프레임워크를 제안한다: 분산 조정 계층은 시스템 수준의 자원 할당을 최적화하고, 실시간 장치 계층은 에어컨과 같은 개별 자원을 동적 부하 모델과 유틸리티 함수를 사용해 제어한다. 주요 기여는 복잡한 부하 동역학을 최소한의 데이터 교환으로 근사하는 통신 효율적이고 프라이버시를 보존하는 방법으로, 시뮬레이션을 통해 효과적인 전력 균형 및 비용 절감이 가능함을 입증하였다.

ABSTRACT

Demand response represents a significant but largely untapped resource that can greatly enhance the flexibility and reliability of power systems. This paper proposes a hierarchical control framework to facilitate the integrated coordination between distributed energy resources and demand response. The proposed framework consists of coordination and device layers. In the coordination layer, various resource aggregations are optimally coordinated in a distributed manner to achieve the system-level objectives. In the device layer, individual resources are controlled in real time to follow the optimal power dispatch signals received from the coordination layer. For practical applications, a method is presented to determine the utility functions of controllable loads by accounting for the real-time load dynamics and the preferences of individual customers. The effectiveness of the proposed framework is validated by detailed simulation studies.

연구 동기 및 목표

• 스마트 그리드에서 분산 에너지 자원(DERs)과 수요 반응(DR) 간 통합된 조정의 부족을 해결하기 위해.
• 중앙집중식 제어의 한계인 높은 통신 비용, 확장성 문제, 프라이버시 우려를 극복하기 위해.
• 에어컨과 같은 제어 가능한 부하의 동적 열역학적 거동과 사용자 선호도를 고려한 실시간 제어 전략을 개발하기 위해.
• 세부적인 부하 수요 곡선을 최소한의 데이터로 근사하여 통신 부담을 줄임으로써 효율적인 통신을 가능하게 하기 위해.
• 실제 조건에서 시스템 수준의 경제적 및 운영 목표를 달성하는 데 프레임워크의 효과성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 두 계층의 계층적 제어 아키텍처를 활용한다: 분산 최적화를 위한 조정 계층과 실시간 제어를 위한 장치 계층.
• 조정 계층은 분산 최적화 문제를 수립하고 해결하여 DERs와 제어 가능한 부하 간의 전력 할당을 최소화하며 운영 제약 조건을 만족시킨다.
• 개별 제어 가능한 부하는 열역학 방정식(예: (12) 및 (13))을 사용해 모델링되어, 온도 설정값과 환경 조건에 따라 변하는 시간에 따라 변하는 전력 소비를 포착한다.
• 사용자가 정의한 온도 선호도(T_min, T_max)와 실시간 전기 요금을 바탕으로 유틸리티 함수를 유도하여, 디스패치 신호에 동적으로 반응할 수 있도록 한다.
• 수요 곡선은 E_min^i, E_max^i 및 λ_min^i와 λ_max^i의 중간값을 정의하는 단계 함수를 사용해 근사하여, 정확도를 훼손하지 않으면서도 통신 필요성을 감소시킨다.
• 각 장치의 타당한 전력 범위(E_min^i, E_max^i)와 해당 가격 임계값(λ_min^i, λ_max^i)을 결정하기 위해 분석적 및 수치적 해법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DERs와 수요 반응는 탈중앙화되고 확장 가능하며 프라이버시를 보존하는 방식으로 어떻게 효과적으로 조정될 수 있는가?
• RQ2 부하 동역학과 사용자 선호도는 에어컨과 같은 제어 가능한 부하의 실시간 제어 전략 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최소한의 데이터로 제어 가능한 부하의 전체 수요 곡선을 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ4 수요 곡선의 단순화된 단계 함수 근사가 DERs와의 조정에서 시스템 성능을 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ5 동적 부하 모델을 조정 프레임워크에 통합함으로써 비용 절감 및 전력 균형 향상 측면에서 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 분산 최적화를 통해 DERs와 DR 간 최적의 시스템 수준 조정을 달성하여 중앙집중식 제어에 대한 의존도를 크게 감소시킨다.
• 에어컨의 열역학적 거동을 모델링함으로써, 설정값과 가격 조건에 따라 변하는 시간에 따라 변하는 전력 소비 거동을 정확히 포착한다.
• 사용자 선호도와 실시간 요금을 바탕으로 한 유틸리티 함수의 사용은 제어 가능한 부하가 편안함 제약 조건을 지키면서도 디스패치 신호에 동적으로 반응할 수 있도록 한다.
• 단지 세 개의 매개변수(E_min^i, E_max^i, 중간 가격)로만 구성된 수요 곡선 근사는 정확도를 훼손하지 않으면서도 통신 요구량을 줄인다.
• 시뮬레이션 결과는 효과적인 전력 균형과 비용 절감을 입증하며, 프레임워크가 확장 가능하고 효율적인 방식으로 DERs와 DR을 통합할 수 있음을 검증한다.
• 개별 부하의 전체 상태를 공개하지 않기 때문에 고도로 확장 가능하고 프라이버시를 보존할 수 있으며, 실질적인 배포에 적합한 분포 전력 시스템에 적용 가능하다.