[논문 리뷰] State Monitoring for Situational Awareness in Rural Microgrids Using the IoT Infrastructure

Seyed Amir Alavi, Mehrnaz Javadipour외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 02.

IoT Networks and Protocols참고 문헌 14인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 농촌 마이크로그리드에서 실시간 상황 인식을 위해 LoRaWAN과 IoT와 통합된 이벤트 트리거드 칼만 필터 기반 추정 전략을 제안한다. 저비용 스마트 미터와 ThingsBoard 기반 대시보드를 활용하여, 통신 및 설치 비용을 최소화하면서도 정확한 평균 상태 추정을 달성하며, 네트워크 지연과 이벤트 기반 트리거링 조건에서도 뛰어난 성능을 보여준다.

ABSTRACT

This paper presents an event-triggered estimation strategy and a data collection architecture for situational awareness (SA) in microgrids. An estimation agent structure based on the event-triggered Kalman filter is proposed and implemented for state estimation layer of the SA using long range wide area network (LoRAWAN) protocol. A setup has been developed which can provide enormous data collection capabilities from smart meters, in order to realise an adequate SA level in microgrids. Thingsboard Internet of things (IoT) platform is used for the SA visualisation with a customised dashboard. It is shown by using the developed estimation strategy, an adequate level of SA can be achieved with a minimum installation and communication cost to have an accurate average state estimation of the microgrid.

연구 동기 및 목표

• 농촌 마이크로그리드 모니터링 시스템에서 높은 통신 및 설치 비용 문제를 해결하기 위해.
• 저비용이고 확장 가능한 IoT 인fra를 활용하여 농촌 마이크로그리드에서 실시간 상황 인식을 가능하게 하기 위해.
• 이벤트 기반 통신을 통해 데이터 전송 오버헤드를 줄이면서도 정확한 상태 추정을 유지하기 위해.
• 마이크로그리드 운영자들이 원격에서 접근 가능한 저비용의 시각화 플랫폼을 개발하기 위해.
• 통신 지연과 동적 네트워크 토폴로지 조건 하에서 분산 추정 전략의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 불필요한 데이터 전송을 최소화하기 위해 각 추정 에이전트에 이벤트 트리거드 칼만 필터를 구현한다.
• 스마트 미터와 게이트웨이 간 장거리, 저전력 통신을 위해 LoRaWAN 프로토콜을 사용한다.
• Raspberry Pi 게이트웨이가 LoRaWAN 신호를 MQTT 페이로드로 변환하여 ThingsBoard IoT 플랫폼으로 전송한다.
• ThingsBoard 플랫폼이 실시간 마이크로그리드 상태 시각화를 위한 커스터마이징된 웹 기반 대시보드를 호스팅한다.
• 지역 측정치와 통신을 기반으로 전역 마이크로그리드 상태를 추정하기 위해 분산 평균 공감 알고리즘을 적용한다.
• 시스템은 실시간 시뮬레이션(MATLAB/Simulink)과 임베디드 Arduino 기반 노드를 결합한 하이브리드 아키텍처를 사용하여 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이벤트 트리거드 상태 추정은 추정 정확도를 희생시키지 않고도 농촌 마이크로그리드의 통신 비용을 줄일 수 있는가?
• RQ2 네트워크 지연은 분산 마이크로그리드 모니터링 시스템에서 이벤트 트리거드 칼만 필터의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LoRaWAN과 같은 저비용 IoT 프로토콜이 마이크로그리드 상황 인식을 위한 신뢰성 있고 확장 가능한 데이터 수집을 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ4 ThingsBoard와 같은 경량이고 오픈소스 IoT 플랫폼이 원격 운영자에게 실시간 마이크로그리드 상태를 효과적으로 시각화할 수 있는가?
• RQ5 교환 통신 토폴로지와 간헐적인 데이터 전송 조건 하에서도 시스템은 안정성과 수렴성을 어떻게 유지하는가?

주요 결과

• 이벤트 트리거드 칼만 필터는 최소한의 데이터 전송으로 정확한 평균 상태 추정을 달성하여 통신 오버헤드를 크게 감소시켰다.
• 150ms 이내의 네트워크 지연 조건에서도 안정된 성능을 유지하였으며, 각 이벤트 업데이트 후 측정 오차가 통제된 진동 행동을 보였다.
• 지연이 없는 경우(그림 5)에 비해 지연이 있는 경우(그림 6)의 추정 오차 감쇠 속도가 낮아, 지연이 수렴 속도에 영향을 준다는 점을 확인하였다.
• 이벤트 트리거링 기술의 적용으로 배터리 수명이 연장되어, 낮은 정격의 배터리를 사용할 수 있었고, 전체 시스템 비용이 감소하였다.
• LoRaWAN과 ThingsBoard의 통합을 통해 최소한의 인프라 투자로도 확장 가능하고 저비용의 데이터 수집 및 실시간 시각화가 가능했다.
• 분산 평균 공감 알고리즘이 간헐적인 통신 조건에서도 다섯 개의 에이전트를 통해 진정한 평균 상태(48 V)로 성공적으로 수렴하였다.