[논문 리뷰] Tools for improving resilience of electric distribution systems with networked microgrids

Arthur K. Barnes, Harsha Nagarajan외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 22.

Optimal Power Flow Distribution참고 문헌 21인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 네트워크화된 마이크로그리드, 회로 강화, 그리고 부복수를 활용하여 기상 재해에 강건한 전력 배전 시스템을 설계하기 위한 이단계 스토하스틱 최적화 프레임워크를 제안한다. 선형화된 3상 전력 흐름 모델과 분해 기반 휠러스틱 기법을 활용하여, 극한 기상 조건 하에서도 시스템의 강건성을 유지하는 비용 효율적인 개선 전략을 식별한다. 이로써 비용과 강건성 간의 트레이드오프에 따라 개별 마이크로그리드, 강화된 네트워크, 하이브리드 네트워크화 마이크로그리드 등 서로 다른 구조적 제도가 나타남을 밝혀낸다.

ABSTRACT

In the electrical grid, the distribution system is themost vulnerable to severe weather events. Well-placed and coordinatedupgrades, such as the combination of microgrids, systemhardening and additional line redundancy, can greatly reduce thenumber of electrical outages during extreme events. Indeed, ithas been suggested that resilience is one of the primary benefitsof networked microgrids. We formulate a resilient distributiongrid design problem as a two-stage stochastic program andmake use of decomposition-based heuristic algorithms to scaleto problems of practical size. We demonstrate the feasibilityof a resilient distribution design tool on a model of an actualdistribution network. We vary the study parameters, i.e., thecapital cost of microgrid generation relative to system hardeningand target system resilience metrics, and find regions in thisparametric space corresponding to different distribution systemarchitectures, such as individual microgrids, hardened networks,and a transition region that suggests the benefits of microgridsnetworked via hardened circuit segments.

연구 동기 및 목표

• 극한 기상 사건으로 인한 라디얼 배전망의 취약성을 해결한다. 이는 모든 정전의 80%를 차지한다.
• 광범위한 정전 상황에서도 강건성 목표를 달성하기 위해 배전 시스템 개선을 최적화하는 확장 가능한 설계 도구를 개발한다.
• 실제 적용 가능한 개선 옵션—마이크로그리드, 선로 강화, 부복수—를 통합된 최적화 프레임워크에 통합한다.
• 비용과 강건성 간의 트레이드오프에 기반해 최적의 시스템 아키텍처(예: 고립 마이크로그리드, 강화된 네트워크, 또는 네트워크화 마이크로그리드)를 식별할 수 있도록 한다.
• 선형화된 3상 전력 흐름 근사치를 사용하여 오픈DSS 시뮬레이션을 통한 물리적 타당성 검증을 통해 해법의 물리적 타당성을 확보한다.

제안 방법

• 극한 기상 사건으로 인한 선로 정전 불확실성을 다루기 위해 강건한 배전망 설계 문제를 이단계 스토하스틱 프로그램으로 수식화한다.
• 비선형성으로 인해 해석이 어려운 대규모 네트워크에서의 비선형 전력 흐름 방정식을 해소하기 위해, 비균형 3상 전력 흐름의 선형화된 근사치를 사용한다.
• 유량 기반 방법 대신 컷 기반 수식을 사용하여 라디얼 네트워크 구조를 강제함으로써 계산 효율성을 향상시킨다.
• 선로의 온오프 및 네트워크 재구성 결정을 이분기화(disjunctions)로 모델링하여 최적화 과정에서의 네트워크 구조 변화를 처리한다.
• 분해 기반 휠러스틱 알고리즘(예: 벤더스 또는 벤더스 유형의 분해)을 적용하여 실제 배전망에 적용 가능한 대규모 문제에 대한 해법을 스케일링한다.
• 전압 한계, 전력 흐름, 부하 공급 여부를 점검하기 위해 오픈DSS 시뮬레이션을 활용하여 해법의 최적성과 물리적 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 목표 강건성 수준을 달성하기 위해 마이크로그리드 투자와 선로 강화 및 부복수 투자 사이의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ2 비용과 강건성 제약 조건이 변화할 때, 개별 마이크로그리드, 강화된 네트워크, 또는 네트워크화 마이크로그리드 등 다양한 시스템 아키텍처는 어떻게 나타나는가?
• RQ3 대규모 스토하스틱 최적화 프레임워크에서 사용될 때, 선형화된 3상 전력 흐름 모델이 물리적으로 타당한 해법을 도출할 수 있는가?
• RQ4 라디얼 배전망 설계에서 컷 기반 수식이 유량 기반 수식 대비 계산 확장성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 실제 배전망 모델에 적용했을 때, 제안된 강건 설계 도구(RDT)의 성능 특성은 어떠한가?

주요 결과

• 마이크로그리드 비용 대비 강화 비용의 매arametric 공간에서, 고립 마이크로그리드, 강화된 네트워크, 그리고 네트워크화 마이크로그리드를 선호하는 전이 영역을 포함한 명확한 구조적 제도가 식별되었다.
• 전이 영역은 하드웨어로 연결된 네트워크화 마이크로그리드가 독립형 마이크로그리드나 고립된 강화 대비 더 낮은 총비용으로 더 높은 강건성을 달성할 수 있음을 시사한다.
• 선형화된 3상 전력 흐름 모델을 사용해 도출된 해법은 오픈DSS를 통한 검증을 통해 물리적으로 타당함을 확인하였으며, 전압 한계 및 전력 흐름 제약 조건이 모두 충족됨을 입증하였다.
• 라디얼 네트워크 구조를 강제하기 위해 컷 기반 수식을 사용함으로써, 기존의 유량 기반 대비 계산 효율성이 크게 향상되어 대규모 네트워크로의 확장이 가능해졌다.
• 분해 기반 휠러스틱 접근법을 통해 대규모 스토하스틱 프로그램의 해법을 실용적인 시간 내에 도출할 수 있었으며, 이는 실제 시스템 적용 가능성을 보장한다.
• 본 방법은 기존 인프라를 활용한 네트워크화 마이크로그리드가 모든 중요한 부하에 마이크로그리드를 별도로 구축하는 것보다 낮은 자본 비용으로도 높은 강건성을 달성할 수 있음을 입증한다.