[논문 리뷰] Scheduling of Separable Mobile Energy Storage Systems with Mobile Generators and Fuel Tankers to Boost Distribution System Resilience

Wei Wang, Xiaofu Xiong외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 06.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 23인용 수 83

한 줄 요약

이 논문은 이동 수단과 에너지 저장 모듈이 별개의 실체로 운영되어 배전 시스템의 복원력을 향상시키는 분리형 이동형 에너지 저장 시스템(SMESS)을 제안한다. 혼합정수선형계획모델을 통해 SMESS, 이동형 발전기, 연료 탱크 차량 및 네트워크 재구성의 공동 스케줄링을 통해 부하 공급 지속성과 연료 물류를 개선하며, 수치 결과는 시험 시스템에서 뚜렷한 복원력 향상을 보여준다.

ABSTRACT

Mobile energy resources (MERs) have been shown to boost DS resilience effectively in recent years. In this paper, we propose a novel idea, the separable mobile energy storage system (SMESS), as an attempt to further extend the flexibility of MER applications. "Separable" denotes that the carrier and the energy storage modules are treated as independent parts, which allows the carrier to carry multiple modules and scatter them independently throughout the DS. The constraints for scheduling SMESSs involving carriers and modules are derived based upon the interactive behavior among them and the DS. In addition, the fuel delivery issue of feeding mobile emergency generators (MEGs), which was usually bypassed in previous studies involving the scheduling of MEGs, is also considered and modeled. SMESSs, MEGs, and fuel tankers (FTs) are then jointly routed and scheduled, along with the dynamic DS reconfiguration, for DS service restoration by integrating them in a mixed-integer linear programming (MILP) model. Finally, the test is conducted on a modified IEEE 33-node test system, and results verify the effectiveness of the model in boosting DS resilience.

연구 동기 및 목표

• 기존 이동형 에너지 저장 시스템(MESS)의 유연성 부족 문제를 해결하기 위해, 이동 수단과 저장 모듈을 별도로 스케줄링할 수 있는 분리형 아키텍처를 제안한다.
• 이동형 비상 발전기(MEG)의 연료 공급 물류를 체계적으로 모델링하고 통합하는 것을 목표로 하며, 이는 이전의 MER 스케줄링 연구에서 자주 간과당하는 요소이다.
• SMESS, MEG, 연료 탱크 차량(FT), 그리고 배전 시스템(DS) 재구성을 공동 최적화하여 서비스 복구를 향상시키는 것을 목표로 한다.
• 이동 자원 간 복잡한 상호작용, 연료 제약 조건, 동적 네트워크 토포로지 등을 정확히 반영한 종합적인 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 개발한다.

제안 방법

• 이동 수단과 저장 모듈이 분리되어 있어, 하나의 이동 수단이 복수의 모듈을 운반하고 독립적으로 배치할 수 있도록 하는 분리형 이동형 에너지 저장 시스템(SMESS)을 제안한다.
• 모듈 할당, 이동, 충전/방전 및 충전도 동역학을 포함한 이동 수단-모듈 상호작용을 모델링하는 제약 조건 집합을 개발한다.
• MEG의 지속적인 연료 공급을 보장하기 위해 연료 탱크 차량(FT) 스케줄링을 통합하며, 연료 수요, 공급 및 저장 용량을 이진 변수를 사용해 연료 교환을 모델링한다.
• 허구적 스패닝 트리와 이진 변수를 사용하여 동적 배전 시스템 재구성을 MILP 모델에 통합한다.
• 활성 전력 출력 수준에 따른 비선형 MEG 연료 소비 특성을 조각별 선형화를 통해 모델링한다.
• 통합된 MILP 프레임워크를 활용해 라우팅, 스케줄링, 에너지 관리 및 네트워크 토포로지 최적화를 공동으로 수행하여 최대 부하 공급을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 MESS 아키텍처를 초월해 이동형 에너지 저장 장치의 배치에 대한 탄력성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이동형 수단과 저장 모듈을 별개의 스케줄링 실체로 관리할 때의 핵심 운영 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 이동형 발전기의 연료 공급 물류를 어떻게 systematic하게 모델링하고 MER 기반 복구 전략에 통합할 수 있는가?
• RQ4 SMESS, MEG, FT 및 DS 재구성을 공동으로 스케줄링할 경우, 단독 또는 단순화된 접근 방식에 비해 분리형 에너지 저장 시스템의 복원력 향상 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 모듈형 배치와 이동 수단의 이동성은 부하 복구 성능과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 SMESS 모델은 하나의 이동 수단이 고립된 배전 섬에 복수의 모듈을 운반하고 분산 배치할 수 있어 더 유연한 에너지 저장 장치의 배치를 가능하게 한다.
• 연료 탱크 차량 통합은 특히 장기적인 정전 상황에서 연료 공급이 충분히 확보되어 이동형 발전기 운영의 지속성과 안정성을 크게 향상시킨다.
• SMESS, MEG, FT 및 DS 재구성의 공동 스케줄링은 기존 방법에 비해 더 빠른 부하 복구와 높은 부하 공급 비율을 달성한다.
• 수정된 IEEE 33-bus 시스템에서 모델은 모든 부하 고립 지역에 전력을 복구했으며, 중요한 부하들은 조율된 모듈 및 발전기 배치를 통해 유지되었다.
• 모델은 동적 네트워크 재구성 처리에 대해 뛰어난 강건성을 보였으며, 모든 시간 간격에서 전압 및 전력 흐름 제약 조건이 만족되었다.
• 수치 결과는 제안된 방법이 기준 사례 대비 부하 회복 및 복원력 지표에서 뛰어난 성능을 보였음을 확인했으며, 특히 복수의 고립된 부하 지역과 연료 제약이 있는 발전기 환경에서 두드러진 성능 향상을 보였다.