[논문 리뷰] On PMU Location Selection for Line Outage Detection in Wide-area Transmission Networks

Yue Zhao, Andrea Goldsmith외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 27.

Power System Optimization and Stability참고 문헌 10인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 전력망의 선로 정전을 탐지하기 위해 전압 위상각 서명 간 최소 거리를 최대화함으로써 전역 최적의 PMU 위치를 찾는 분기 및 한계 알고리즘을 제안한다. 이를 통해 전체 버스를 모두 사용할 때와 동일한 정전 탐지 성능을 달성하면서도 버스 수의 약 1/3만 PMU를 설치함으로써 설치 비용을 크게 절감할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The optimal PMU locations to collect voltage phase angle measurements for detecting line outages in wide-area transmission networks are investigated. The problem is established as one of maximizing the minimum distance among the voltage phase angle signatures of the outages, which can be equivalently formulated as an integer programming problem. Based on a greedy heuristic and a linear programming relaxation, a branch and bound algorithm is proposed to find the globally optimal PMU locations. Using this algorithm, the optimal tradeoff between the number of PMUs and the outage detection performance is characterized for IEEE 14, 24 and 30 bus systems. The algorithm is shown to find the globally optimal PMU locations in a small number of iterations. It is observed that it is sufficient to have roughly one third of the buses providing PMU measurements in order to achieve the same outage detection performance as with all the buses providing PMU measurements.

연구 동기 및 목표

• 광역 전력망에서 실시간 선로 정전 탐지를 위한 최적의 PMU 위치 선택 문제를 해결하기 위해.
• 실제 제약 조건 하에서 PMU 수와 정전 탐지 성능 간의 상호 상충 관계를 규명하기 위해.
• 정전 서명 간 최대 분리도를 확보하는 전역 최적의 PMU 위치 선택 방법을 개발하기 위해.
• 전체 PMU 설치와 동일한 성능을 달성하기 위해 총 버스 수의 약 1/3 수준의 PMU로도 충분한 성능을 확보할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 다른 선로 정전에 대한 전압 위상각 서명 간 최소 거리를 최대화하는 방식으로 PMU 위치 선택 문제를 수식화하기 위해.
• 정확한 최적화를 가능하게 하기 위해 정수계획법(IP) 수식으로 문제를 모델링하기 위해.
• 최적 해의 하한을 제공하기 위해 근사 휴리스틱을 사용하기 위해.
• 최적 해의 상한을 계산하기 위해 선형계획법(LP) 풀이를 적용하기 위해.
• 반복적으로 PMU 위치를 고정하고 휴리스틱 및 풀이를 이용해 하한과 상한을 갱신하는 분기 및 한계 알고리즘을 개발하기 위해.
• 다양한 일반적인 시스템 운영 조건과 부하 주입 프로파일을 고려하여 비적응형 PMU 선택으로의 프레임워크 확장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전력망에서 PMU 수와 정전 서명 간 최소 간격 사이의 최적의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ2 선로 정전 탐지를 위한 전역 최적의 PMU 위치 구성은 효율적으로 계산될 수 있는가?
• RQ3 전체 버스 수보다 훨씬 적은 수의 PMU로도 전체 관측 성능에 근접한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 기본 테스트 시스템에서 제안된 방법의 성능은 휴리스틱 또는 부분 최적 접근법보다 어떻게 비교되는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 다양한 운영 조건 하에서 비적응형 PMU 설치로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 분기 및 한계 알고리즘은 최대 19회의 반복 내에 전역 최적의 PMU 위치를 찾으며, 대부분의 경우 훨씬 적은 단계 내에 수렴한다.
• IEEE 14, 24, 30 버스 시스템에서 최적의 PMU 구성은 전체 PMU 설치와 동일한 정전 서명 간 최소 거리를 달성한다.
• 전체 버스 수의 약 1/3 수준의 버스에 PMU를 설치하는 것으로도 전체 PMU 커버리지와 동일한 정전 탐지 성능을 확보할 수 있다.
• 휴리스틱은 신뢰할 수 있는 하한을 제공하고, LP 풀이는 날카로운 상한을 제공하여 효율적인 수렴을 가능하게 한다.
• 최대 최소 거리 기준은 정전 서명의 분리도를 효과적으로 반영하며, 강건한 PMU 위치 결정을 이끈다.
• 다양한 일반적인 운영 조건과 부하 주입 프로파일을 통합함으로써 비적응형 시나리오로의 일반화가 잘 이루어진다.