[논문 리뷰] Implementation of an Innovative Bio Inspired GA and PSO Algorithm for Controller design considering Steam GT Dynamics

R. Shivakumar, R. Lakshmipathi|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 05.

Power System Optimization and StabilityEngineering참고 문헌 16인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 증기 터빈-조절기(GT) 동역학을 포함한 전력 시스템에서 저주파수 진동의 감쇠를 향상시키기 위해 유전 알고리즘(GA)과 입자 군집 최적화(PSO)를 활용한 새로운 생물학적 영감을 받은 제어기 설계를 제안한다. 시스템 감쇠 비율 기반 최적화 기준을 수립함으로써 최적의 제어기 파ameter를 계산하며, 비선형 시간 도메인 시뮬레이션을 통해 기존의 리드-래그 제어기 대비 뛰어난 안정성과 내성성을 입증한다.

ABSTRACT

The Application of Bio Inspired Algorithms to complicated Power System Stability Problems has recently attracted the researchers in the field of Artificial Intelligence. Low frequency oscillations after a disturbance in a Power system, if not sufficiently damped, can drive the system unstable. This paper provides a systematic procedure to damp the low frequency oscillations based on Bio Inspired Genetic (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithms. The proposed controller design is based on formulating a System Damping ratio enhancement based Optimization criterion to compute the optimal controller parameters for better stability. The Novel and contrasting feature of this work is the mathematical modeling and simulation of the Synchronous generator model including the Steam Governor Turbine (GT) dynamics. To show the robustness of the proposed controller, Non linear Time domain simulations have been carried out under various system operating conditions. Also, a detailed Comparative study has been done to show the superiority of the Bio inspired algorithm based controllers over the Conventional Lead lag controller.

연구 동기 및 목표

• 장애 발생 후 전력 시스템에서 발생하는 저주파수 진동을 다루어, 충분히 감쇠되지 않을 경우 불안정을 초래할 수 있음을 해결하기 위해.
• 생물학적 영감을 받은 알고리즘을 활용한 최적화 기반의 제어기 설계 방법을 체계적으로 개발하기 위해.
• 동기 발전기 및 증기 터빈-조절기(GT) 동역학을 포함한 세밀한 모델링을 제어기 설계 과정에 통합하기 위해.
• 다양한 운영 조건 하에서 제안된 제어기의 내성성을 평가하기 위해.
• 생물학적 영감을 받은 GA 및 PSO가 기존 리드-래그 제어기 대비 진동 감쇠 성능에서 뛰어나다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 제어기 파ameter 선택을 안내하기 위해 시스템 감쇠 비율 향상을 기반으로 한 최적화 기준을 수립하기 위해.
• 증기 터빈-조절기(GT) 동역학을 포함한 동기 발전기의 포괄적인 수학적 모델을 통합하기 위해.
• 감쇠 비율을 최대화할 수 있는 최적의 제어기 파ameter를 찾기 위해 유전 알고리즘(GA)과 입자 군집 최적화(PSO)를 적용하기 위해.
• 다양한 시스템 운영 조건 하에서 제어기 성능을 검증하기 위해 비선형 시간 도메인 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 모의 실험 기반 성능 지표를 사용하여 제안된 생물학적 영감을 받은 제어기와 기존 리드-래그 제어기를 비교하기 위해.
• 제어기 설계에서 안정성과 동적 응답을 균형 있게 조절하기 위해 다목적 최적화 프레임워크를 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GA 및 PSO와 같은 생물학적 영감을 받은 최적화 알고리즘은 저주파수 진동 감쇠를 향상시키기 위한 전력 시스템 제어기 설계에 어떻게 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 세밀한 증기 터빈-조절기(GT) 동역학을 포함할 경우 제어기 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 GA 및 PSO 기반 제어기는 기존 리드-래그 제어기와 비교해 감쇠 비율과 일시적 응답 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ4 다양한 시스템 운영 조건 하에서 제안된 제어기의 내성 특성은 어떠한가?
• RQ5 시스템 감쇠 비율 기반 최적화 기준은 최적의 제어기 파ameter 선택을 효과적으로 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 GA 및 PSO 기반 제어기는 기존 리드-래그 제어기 대비 시스템 감쇠 비율을 크게 향상시킨다.
• 비선형 시간 도메인 시뮬레이션을 통해 제안된 제어기가 다양한 운영 조건에서 내성적임을 확인한다.
• 모델에 세밀한 증기 터빈-조절기(GT) 동역학을 통합함으로써 제어기 설계의 정확성과 효과성을 향상시킨다.
• 최적화 과정에서 PSO 기반 접근법이 GA보다 더 빠르게 수렴함을 확인하여 더 뛰어난 계산 효율성을 보였다.
• 비교 연구를 통해 생물학적 영감을 받은 알고리즘이 뛰어난 감쇠 성능과 더 빠른 일시적 응답을 제공함을 입증하였다.
• 감쇠 비율 기반 최적화 기준이 최적의 제어기 파ameter 계산을 효과적으로 이끌어내어 시스템 안정성이 향상됨을 확인하였다.