[論文レビュー] Coordinated Home Energy Management for Real-Time Power Balancing

Tsung‐Hui Chang, Mahnoosh Alizadeh+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2012

Smart Grid Energy Management参考文献 14被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、家庭用エネルギー管理システム（HEMS）を統合的に運用することで、PHEV や家電製品などの延期可能な負荷を共同でスケジューリングし、リアルタイム市場コストを最小化するとともに、電力系統のバランスを改善する仕組みを提案する。近似動的計画法およびデュアル分解を用いることで、個々の HEMS と比較してリアルタイム負荷のずれを 53% 減少させ、分散型の手法で中央集権的性能に近い結果を達成する。

ABSTRACT

This paper proposes a coordinated home energy management system (HEMS) architecture where the distributed residential units cooperate with each other to achieve real-time power balancing. The economic benefits for the retailer and incentives for the customers to participate in the proposed coordinated HEMS program are given. We formulate the coordinated HEMS design problem as a dynamic programming (DP) and use approximate DP approaches to efficiently handle the design problem. A distributed implementation algorithm based on the convex optimization based dual decomposition technique is also presented. Our focus in the current paper is on the deferrable appliances, such as Plug-in (Hybrid) Electric Vehicles (PHEV), in view of their higher impact on the grid stability. Simulation results shows that the proposed coordinated HEMS architecture can efficiently improve the real-time power balancing.

研究の動機と目的

• 個々の HEMS が低価格帯の時間帯に負荷を同時にシフトすることで生じるピーク負荷の増大（リバウンドピーク負荷問題）を是正すること。
• 住宅用エネルギーのスケジューリングを統合的に管理することで、小売電力会社のリアルタイム市場コストを最小化すること。
• 個々のコストが上昇しないように、分散型かつインcentive-compatible（インcentive適合性）な顧客参加を可能にすること。
• 延期可能な家電製品（例：PHEV）の負荷をリアルタイムの供給と一致させることで、電力系統の安定性を向上させること。
• 実用的導入を想定し、デュアル分解を用いた凸最適化ベースのスケーラブルな実装を提供すること。

提案手法

• リアルタイム市場コストを最小化する目的で、協調的 HEMS の設計を動的計画法（DP）問題として定式化する。
• 大規模な DP 問題を効率的に解くために、クロスエントロピー法（CEM）を含む近似 DP 技法を適用する。
• 凸最適化とデュアル分解に基づく分散型アルゴリズムを設計し、非中央集権的な実装を可能にする。
• 時間変動する電力需要、ランダムな要請時刻、固定された負荷プロファイルを考慮した家電スケジューリングモデルを構築する。
• デイ・アヘッドおよびリアルタイムの料金信号を組み込み、負荷と供給の不一致に対してペナルティを課す。
• 小売電力会社のリアルタイム市場コストと利用者の不満度を組み合わせたコスト関数を用い、トレードオフに応じた重みを調整可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の HEMS が動的料金に個別に反応するのと比較して、協調的 HEMS スケジューリングはリアルタイム負荷の不均衡を低減できるか？
• RQ2 提案された分散型アルゴリズムは、中央集権的最適化に近い性能をどの程度達成できるか？
• RQ3 余剰電力を売電可能とする状況下で、負荷の統合管理がリアルタイム市場コストに与える影響は何か？
• RQ4 個々の電気料金コストが上昇しないように、顧客のインセンティブをどのように維持できるか？
• RQ5 PHEV などの延期可能な家電製品を活用することで、リアルタイムでの電力系統の安定化にどの程度貢献できるか？

主な発見

• エネルギー供給と比較した場合、協調的 HEMS ではリアルタイム負荷のずれが個々の HEMS の 2450 から 698 にまで低下し、71.4% の改善が達成された。
• 分散型実装は中央集権的最適解から 0.5% 以内の性能を達成しており、ほぼ最適性を実現していることが示された。
• 余剰電力を -0.5$/kWh の価格で売電可能な状況では、協調的 HEMS ではリアルタイムコストが -246 にまで低下するが、個々の HEMS では 276 のコストが発生する。
• 低価格帯の時間帯に同時にスケジューリングを避けることで、リバウンドピーク負荷の発生を効果的に防止した。
• 単体の HEMS と比較して個々のコストが変化しないため、顧客のインセンティブが維持されている。
• シミュレーション結果から、協調的アプローチがリアルタイム電力バランスおよび電力系統の安定性を顕著に向上させることを確認した。