[논문 리뷰] Modeling A Micro-Nexus of Water and Energy for Smart Villages/Cities/Buildings

Qifeng Li, Suhyoun Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 09.

Water-Energy-Food Nexus Studies참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 교류 전력 흐름, 배터리 저장장치 및 재생 가능 에너지 발전을 통합한 미세 전력망과 파이프망의 비선형 유압 모델링(펌프의 케이스 온/오프 상태 포함)을 고려한 고해상도 혼합정수비선형계획모델(micro-WEN)을 제안한다. 공동 최적화 프레임워크는 IEEE 13-bus 배전 시스템과 8노드 수자원망을 조합한 시험 케이스에서 별도로 최적화하는 것보다 뛰어난 비용 효율성을 입증한다.

ABSTRACT

This paper introduces a micro-nexus of water and energy which can be considered as one of the physical infrastructures of the future building/city/village systems. For the electricity side, an alternating current (AC) power flow model integrated with battery energy storage and renewable generation is adopted. The nonlinear hydraulic characteristics in pipe networks is also considered in the proposed micro water-energy nexus (WEN) model. Integer variables are involved to represent the on/off state of pumps. Base on the proposed nexus model, a co-optimization framework of water and energy networks is developed. The overall co-optimization model is a mixed-integer nonlinear programming problem which is tested on a waterenergy nexus which consists of the IEEE 13-bus distribution system and a 8-node water distribution network. The simulation results demonstrate that the cost-efficiency of the co-optimization framework is higher than optimizing two systems independently.

연구 동기 및 목표

• 스마트 마을, 도시 및 건물에서 증가하는 수자원 및 에너지 시스템 간 상호의존성을 다룬다.
• 이전 모델이 종종 단순화된 가정에 의존하는 바, 분배 수준에서 물-에너지 넥서스(WEN)의 물리적으로 정확한 모델을 개발한다.
• 수자원 및 전력망의 공동 최적화를 통해 시스템 전체의 효율성과 복원력을 향상시킨다.
• 수자원 분배 시스템 내 지능형 펌프 스케줄링을 통해 수요 반응 및 전력망의 유연성을 지원한다.
• 비상 상황에서의 공동 고립, 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 기반을 마련한다.

제안 방법

• 결합된 수자원-에너지 시스템을 표현하기 위해 혼합정수비선형계획(MINLP) 모델을 수립한다.
• 전기 측면에 대해 배터리 에너지 저장장치 및 재생 가능 에너지 발전을 고려한 교류 전력 흐름 모델을 사용한다.
• 파이프망 내 압력 및 유량을 모델링하기 위해 비선형 유압 방정식(Darcy-Weisbach 또는 Hazen-Williams 등)을 통합한다.
• 펌프의 케이스 온/오프 상태를 표현하기 위해 이진 변수를 도입하여 이산 제어 결정을 가능하게 한다.
• 공동 사이버-물리적 인프라를 통해 수자원 및 전력망을 통합하여 실시간 조율을 가능하게 한다.
• 양측 네트워크의 총 시스템 비용을 동시에 최소화하는 공동 최적화 프레임워크를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 분배 수준에서 고해상도이고 물리적으로 정확한 수자원-에너지 넥서스 모델을 개발할 수 있는가?
• RQ2 수자원 및 에너지 시스템을 공동 최적화할 경우 별도 최적화와 비교해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 통제 가능한 펌프 운영을 통해 수자원 분배 시스템이 전력망의 유연성을 얼마나 제공할 수 있는가?
• RQ4 비선형 유압 및 교류 전력 흐름 모델의 통합이 넥서스 모델의 정확성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 미세-WEN 모델은 전력 정전 상황에서 공동 고립 및 복원력을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 공동 최적화 프레임워크는 별도 최적화보다 더 높은 비용 효율성을 달성한다.
• 비선형 유압 모델링과 교류 전력 흐름 모델링의 통합은 실제 시스템 동역학을 더 정확하게 표현할 수 있게 한다.
• 이진 온/오프 변수를 통한 펌프 스케줄링은 수자원 시스템 내 수요 반응 및 에너지 비용 절감에 효과적이다.
• 모델은 격리 운영 모드와 그리드 연결 운영 모드를 모두 지원하여 원격 또는 오프그리드 지역 사회의 복원력을 향상시킨다.
• 이 프레임워크는 간헐적인 재생 가능 에너지 발전을 균형 잡는 데 수자원 시스템을 전력망의 유연성 원천으로 활용할 수 있음을 입증한다.
• IEEE 13-bus 시스템과 8노드 수자원망을 대상으로 한 시험 케이스는 모델의 확장성과 실용적 관련성을 확인한다.