[논문 리뷰] Multi-state Operating Reserve Model of Aggregate Thermostatically-Controlled-Loads for Power System Short-Term Reliability Evaluation

Yi Ding, Wenqi Cui외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 01.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 38인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단기 전력 시스템 신뢰성 평가를 향상시키기 위해 집합적 열조절 장치(TCLs)를 위한 새로운 다중 상태 운용 보유량 모델을 제안한다. TCL 내부의 동적 온도 이동을 히스테리시스 밴드 내에서 모델링하고, 확률 분포를 유도하기 위해 모멘트를 사용함으로써 확률적 조건 하에서 보유량 용량의 분포를 도출함으로써, LZ-변환을 통해 보유량 신뢰성을 정확하게 표현할 수 있다. 사례 연구를 통해 검증됨.

ABSTRACT

Thermostatically-controlled-loads (TCLs) have been regarded as a good candidate for maintaining the power system reliability by providing operating reserve. The short-term reliability evaluation of power systems, which is essential for power system operators in decision making to secure the system real time balancing, calls for the accurate modelling of operating reserve provided by TCLs. However, the particular characteristics of TCLs make their dynamic response different from the traditional generating units, resulting in difficulties to accurately represent the reliability of operating reserve provided by TCLs with conventional reliability model. This paper proposes a novel multi-state reliability model of operating reserve provided by TCLs considering their dynamic response during the reserve deployment process. An analytical model for characterizing dynamics of operating reserve provided by TCLs is firstly developed based on the migration of TCLs' room temperature within the temperature hysteresis band. Then, considering the stochastic consumers' behaviour and ambient temperature, the probability distribution functions of reserve capacity provided by TCLs are obtained by cumulants. On this basis, the states of reserve capacity and the corresponding probabilities at each time instant are obtained for representing the reliability of operating reserve provided by TCLs in the LZ-transform approach. Case studies are conducted to validate the proposed technique.

연구 동기 및 목표

• 단기 전력 시스템 신뢰성 평가에서 열조절 장치(TCLs)로부터의 운용 보유량을 정확하게 모델링하는 데 도전한다.
• 기존의 신뢰성 모델이 보유량 제공 시 TCLs의 고유한 동적 반응을 포착하지 못하는 한계를 극복한다.
• 소비자 행동의 확률적 변동성과 주변 온도 변화를 고려하여 집합적 TCLs가 제공하는 보유량의 신뢰성을 확률적 프레임워크로 표현한다.
• 보유량 용량 상태와 그 확률을 정량화함으로써 전력 시스템 운영자가 실시간 균형 조정 결정을 보다 정보 기반으로 내릴 수 있도록 한다.

제안 방법

• 보유량 활성화 중 TCLs의 실내 온도가 온도 히스테리시스 밴드 내에서 이동하는 데 기반한 분석 모델을 수립한다.
• 소비자 행동의 확률적 변동성과 주변 온도 변동을 고려하여 보유량 용량의 확률 밀도 함수를 모멘트를 활용해 유도한다.
• 시간이 지남에 따라 변화하는 보유량 용량 상태의 확률을 계산하기 위해 LZ-변환 방법을 적용함으로써 다중 상태 표현을 가능하게 한다.
• 개별 TCL 반응을 집계하여 체계 수준의 신뢰성 평가에 적합한 종합적 보유량 모델을 구성한다.
• 실제 보유량 제공 동작을 시간에 따라 반영할 수 있도록 동적 반응 특성을 신뢰성 모델에 통합한다.
• 실제 시스템 조건 하에서 사례 연구를 수행하여 모델의 정확성과 적용 가능성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보유량 제공 중 열조절 장치의 동적 반응을 정확하게 모델링하여 신뢰성 평가에 활용할 수 있는가?
• RQ2 소비자 행동의 확률적 변동성과 주변 온도 변화가 집합적 TCLs의 보유량 용량 확률 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 다중 상태 보유량 용량 표현은 어떻게 도출하고 단기 전력 시스템 신뢰성 평가에 적용할 수 있는가?
• RQ4 기존의 신뢰성 모델에 비해 제안된 모델이 TCL 기반 운용 보유량의 신뢰성 특성을 얼마나 잘 포착하는가?
• RQ5 LZ-변환 방법은 TCL 기반 보유량 용량의 시간에 따라 변화하는 상태와 확률을 효과적으로 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 모델은 보유량 제공 중 TCLs의 히스테리시스 밴드 내에서의 동적 온도 이동을 성공적으로 포착한다.
• 모멘트 기반 유도 방법을 통해 확률적 조건 하에서 보유량 용량의 확률 밀도 함수를 정확하게 근사할 수 있다.
• LZ-변환 방법은 시간에 따라 변화하는 보유량 용량 상태와 그 확률을 효과적으로 계산하여 다중 상태 신뢰성 표현을 가능하게 한다.
• 사례 연구를 통해 모델이 단기 시스템 계획에서 TCL 기반 운용 보유량의 신뢰성을 정확하게 표현함을 확인하였다.
• TCL 고유의 동적 특성을 통합함으로써 기존 접근 방식보다 더 현실적인 보유량 용량 평가가 가능해졌다.
• 이 프레임워크는 전력 시스템 운영자가 TCL을 보유 자원으로 활용하여 실시간 균형 요구 사항을 평가할 수 있도록 확장 가능하고 분석적으로 접근 가능한 방법을 제공한다.