[논문 리뷰] Joint Grid Topology Reconfiguration and Design of Watt-VAR Curves for DERs

Manish K. Singh, Sina Taheri외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 07.

Optimal Power Flow Distribution참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 IEEE 1547.8 기준 하에서 분포 전력망의 구조 재구성, 전압 조절기 탭 설정, DER 웻-바르 제어 곡선을 종합적으로 최적화하는 혼합정수선형계획(MILP) 프레임워크를 제안한다. 반복 방지 조건을 엄밀히 보장하는 새로운 제약 조건을 도입하고, 기존 조절기와 DER을 현실적으로 모델링하여, 특히 급격한 넷 로드 전환 시에 손실을 최소화하고 전압 한계를 유지하기 위해 최적의 구조와 제어 설정이 동적으로 변화함을 보여준다.

ABSTRACT

Operators can now remotely control switches and update the control settings for voltage regulators and distributed energy resources (DERs), thus unleashing the network reconfiguration opportunities to improve efficiency. Aligned to this direction, this work puts forth a comprehensive toolbox of optimization models leveraging the control capabilities of smart grid assets. We put forth detailed yet practical models to capture the operation of locally and remotely controlled regulators, and customize the watt-var DER control curves complying with the IEEE 1547.8 mandates. Maintaining radiality is a key requirement germane to various feeder optimization tasks. This requirement is accomplished here through an intuitive and provably correct formulation. The developed toolbox is put into action to reconfigure a grid for minimizing losses using real-world data on a benchmark feeder. The results corroborate that optimal topologies vary across the day and coordinating DERs and regulators is critical during periods of steep net load changes.

연구 동기 및 목표

• 기존 전압 조절기와 반복성 제약 조건을 고려하여 전력망 구조 재구성과 DER 웻-바르 곡선 설계를 종합적으로 최적화하는 프레임워크를 개발하는 것.
• 기존 DNR 모델이 조절기를 무시하거나 탭 설정을 고정된 것으로 가정하는 점을 보완하기 위해, 조절기의 동적 운영을 모델링함으로써 문제 해결의 최적성과 타당성을 향상시키는 것.
• 전력 흐름 변수에서 반복성 조건을 분리하여, 반복성 보장이 보장되며 직관적이고 엄밀히 정당화된 새로운 MILP 수식을 통해 재구성된 네트워크의 반복성 확보.
• IEEE 37버스 시스템에서 실제 부하 및 태양광 데이터를 활용하여, 넷 로드 변동성이 높은 시기 동안 DER과 조절기 간의 협동 제어의 중요성을 입증하는 것.
• 운영 기간 길이, 시나리오 샘플링, 손실, 전압 위반, 제어 동작 빈도 등 시스템 성능 간의 상호 상충 관계를 평가하는 것.

제안 방법

• 스위치 상태, 조절기 탭 위치, DER 웻-바르 곡선 파라미터를 동시에 최적화하는 혼합정수이차계획(MIQP)을 제안하여 분포 전력망 재구성(DNR) 문제를 수식화한다.
• 각 버스(슬랙 버스 제외)에 단일 부모를 할당하여 반복성 조건을 강제하는 새로운 MILP 모델을 도입함으로써, 루프 제거 없이도 연결성과 트리 구조를 보장한다.
• 로컬 제어 방식의 전압 조절기를 현실적으로 모델링하여, 부하 및 발전 조건 변화에 따른 탭 위치의 동적 변화와 전압 조절 거동을 정확히 반영한다.
• IEEE 1547.8 준수 웻-바르 곡선을 DER에 통합하여, 유동적 활동 전력 출력에 따라 무효전력 투입 또는 흡수를 가능하게 하며, 최적화를 위해(piecewise-linear approximation)를 적용한다.
• 균형 잡힌 분포 피더에 대해 정확도를 유지하면서도 계산 확장성을 확보하기 위해 선형화된 3상 전력 흐름 모델(AC 전력 흐름 근사)을 사용한다.
• 시간에 따라 변화하는 시스템 조건를 반영하기 위해, 각 시간대가 별도의 부하 및 태양광 발전 수준을 나타내는 시나리오 기반 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손실 최소화와 반복성 유지 조건 하에서, 전력망 구조 재구성, DER 웻-바르 제어 곡선, 전압 조절기 탭 설정 간의 최적 조율은 어떻게 이루어질 수 있는가?
• RQ2 고정 또는 알려진 탭 설정을 가정하는 것과 달리, 기존 전압 조절기의 동적 운영(변동 탭 설정)을 모델링할 경우 DNR 해의 최적성과 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 급격한 넷 로드 변화가 발생하는 시기 동안, 다양한 부하-발전 프로파일에 따라 최적의 구조와 제어 설정은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 운영 기간 길이와 손실 총량, 전압 위반, 제어 동작 빈도 등의 시스템 성능 간의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 DER가 존재하는 환경에서 기존 방법에 비해 제안된 반복성 제약 조건 수식이 정확성과 계산 효율성 측면에서 얼마나 뛰어난가?

주요 결과

• 부하 및 태양광 발전 프로파일 변화에 따라 최적 피더 구조가 시간대에 따라 달라지며, 다섯 개의 시간 간격 동안 세 가지의 서로 다른 최적 구조가 확인되었다.
• 고조도 태양광 발전 및 저부하 시기(예: 시간대 𝒯₂)에는 과전압이 예상될 경우에만 DER이 무효전력 흡수를 활성화하며, 이는 활동 전력 용량의 80%를 초과할 때만 작동하는 웻-바르 곡선에 의해 입증된다.
• 고부하 및 고발전 시기(예: 𝒯₃)에는 최소한의 무효전력 흡수만 필요하여, 웻-바르 곡선이 최소 흡수 지점 근처에 유지된다.
• 급격한 넷 로드 감소 시기(예: 𝒯₄)에는 과전압을 방지하기 위해 고조정기 탭 설정(21)이 필요하지만, 이는 피크 태양광 출력 시기에 DER의 무효전력 흡수를 유도하여 과전압을 방지하기 위한 조치가 동반된다.
• 짧은 운영 기간은 제어 동작 빈도와 통신 오버헤드를 증가시키지만, 긴 기간은 극단적인 부하-발전 변동, 특히 고변동성 간격을 통합할 경우 타당성 상실 또는 손실 증가 위험을 초래한다.
• 각 시간대의 해법 시간은 50~920초 사이였으며, 가장 복잡한 경우(𝒯₄)는 800초가 소요되어 실시간 또는 경제적 운용 응용에 있어서 계산 가능성을 입증한다.