[논문 리뷰] Trilevel Scheduling Model Considering Residential Demand Flexibility of Aggregated HVACs and EVs under Distribution LMP

Xiaofei Wang, Fangxing Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 01.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 27인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 배전계류지정마진가격(DLMP) 하에서 집합화된 주거용 에어컨 및 전기차의 수요 유연성을 활용하는 삼중계층 스케줄링 모델을 제안한다. 데이터 기반의 매개변수 추정 방법과 우선순위 목록 기반 디스패치 알고리즘을 사용하여, 수요 집합업자 지불금과 시스템 효율성을 최적화하고, 부하 이동, DLMP 단계 변화, 손실 감소를 통해 비용을 절감한다. IEEE 33-bus 시스템에서 검증되었으며, 정량적 절감 효과가 확인되었다.

ABSTRACT

Residential loads, especially heating, ventilation, and air conditioners (HVACs) and electric vehicles (EVs) have great potentials to provide demand flexibility which is an attribute of Grid-interactive Efficient Buildings (GEB). Under this new paradigm, first, EV and HVAC aggregator models are developed in this paper to represent the fleet of GEBs, in which the aggregated parameters are obtained based on a new approach of data generation and least-squares parameter estimation (DG-LSPE), which can deal with heterogenous HVACs. Then, a tri-level bidding and dispatching framework is established based on competitive distribution operation with distribution locational marginal price (DLMP). The first two levels form a bilevel model to optimize the aggregators payment and to represent the interdependency between load aggregators and the distribution system operator (DSO) using DLMP, while the third level is to dispatch the optimal load aggregation to all residents by the proposed priority list-based demand dispatching algorithm. Finally, case studies on a modified IEEE 33-Bus system illustrate three main technical reasons for payment reduction due to demand flexibility: load shift, DLMP step changes, and power losses. They can be used as general guidelines for better decision-making for future planning and operation of demand response programs.

연구 동기 및 목표

• 배전망에서 수요 유연성을 제공하기 위해 주거용 에어컨과 전기차를 효율적으로 집합화할 수 있는 확장 가능한 프레임워크를 개발하기 위해.
• DLMP 신호를 활용하여 수요 집합업자와 배전시스템 운영자(DSO) 간의 상호의존성을 모델링하기 위해.
• 집합화된 주거용 부하를 효율적으로 스케줄링할 수 있는 우선순위 목록 기반 디스패치 알고리즘을 설계하기 위해.
• DLMP 하에서 수요 반응 프로그램의 비용 절감 기술적 요인을 정량화하기 위해.
• 향후 수요 반응 프로그램의 계획 및 운영을 위한 실질적인 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이질적인 에어컨과 전기차를 집합 매개변수로 모델링하기 위해 데이터 생성 및 최소제곱 매개변수 추정(DG-LSPE) 방법을 사용한다.
• 삼중계층 최적화 프레임워크를 구성한다: 제1 및 제2단계는 DLMP를 통한 DSO와의 상호작용을 고려한 수요 집합업자 지불금 최적화를 위한 이중계층 모델을 형성한다.
• 제3단계는 개별 주거용 소비자에게 최적의 부하 스케줄을 할당하기 위해 우선순위 목록 기반 수요 디스패치 알고리즘을 구현한다.
• 모델은 네트워크 혼잡도와 손실 영향을 스케줄링 결정에 반영하기 위해 DLMP 신호를 통합한다.
• 실제 주거용 부하 프로파일을 사용하여 수정된 IEEE 33-bus 배전 시스템을 활용해 프레임워크를 검증한다.
• 민감도 분석을 통해 주요 비용 절감 메커니즘을 규명한다: 부하 이동, DLMP 단계 변화, 전력 손실 감소.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적인 주거용 에어컨과 전기차는 어떻게 효과적으로 집합화되어 배전망에서 수요 유연성을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 경쟁적인 배전 환경에서 DLMP는 수요 집합업자 지불금과 스케줄링 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 부하 이동, DLMP 단계 변화, 전력 손실 감소는 수요 반응에서 비용 절감에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 어떤 디스패치 전략이 주거용 단위 간에 효율적이고 공정한 유연성 할당을 보장하는가?
• RQ5 제안된 삼중계층 프레임워크 하에서 측정 가능한 비용 절감을 가능하게 하는 기술적 요인은 무엇인가?

주요 결과

• 부하 이동은 DLMP가 낮은 시기로 에어컨 및 전기차 충전을 재스케줄링하여 지불금 절감에 기여한다.
• 네트워크 혼잡도로 인한 DLMP 단계 변화는 가격 격차를 만들어내며, 이는 수요 유연성을 유도하고 수요 집합업자 비용을 감소시킨다.
• 최적화된 스케줄링으로 인한 전력 손실 감소는 배전망에서 측정 가능한 비용 절감을 이끌어낸다.
• DG-LSPE 방법은 이질적인 에어컨 특성을 효과적으로 포착하여 대규모 모델링에 적합한 정확한 집합화를 가능하게 한다.
• 우선순위 목록 기반 디스패치 알고리즘은 사용자 편안함 제약 조건을 유지하면서도 안정적이고 효율적인 부하 할당을 보장한다.
• 사례 연구는 삼중계층 모델이 유연성의 조율을 통해 수요 집합업자 지불금을 감소시키며, 모든 세 가지 기술적 메커니즘이 비용 절감에 기여하는 것으로 확인한다.