[論文レビュー] Modeling and Optimizing a Distributed Power Network: A Complex System Approach of the Prosumer Management in the Smart Grid

Nicolas Gensollen, Vincent Gauthier+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Smart Grid Energy Management参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スマートグリッドにおける分散型エネルギー管理をモデル化・最適化するための複雑系アプローチを提案する。主にプロシューマ（生産者・消費者）とバーチャルパワープラント（VPP）に焦点を当て、通信制約のあるネットワークにコンSENSUS理論と同期理論を適用することで、現実的な時間遅延と非一様なダイナミクスのもとでも安定的かつスケーラブルな制御が達成可能であることを示している。これにより、リアルタイムエネルギー取引とグリッド安定性が実現可能となる。

ABSTRACT

One of the most important goals of the 21st century is to change radically the way our society produces and distributes energy. This broad objective embodies in the smart grid’s futuristic vision of a completely decentralized system powered by renewable plants. Imagine indeed such a real time power network in which everyone could be a consumer or a producer. Based on a coupled information system, each user would be able to buy/sell energy at a time depending price that would allow a homogenization of the consumption, eradicating the well- known morning/evening pick. This attractive idea is currently booming in the scientific community as it generates intellectual challenges in various domains. Nevertheless, lots of unanswered questions remain. The first steps are currently accomplished with the appearance of smart meters or the development of more efficient energy storage devices. However, the design of the decentralized information system of the smart grid, which will have to deal with huge amounts of sensor’s data in order to control the system within its stability region, seems to be still in search. We propose thus to build a model for this information system based on various tools of the complex system theory.

研究の動機と目的

• 高比率の再生可能エネルギーを統合する将来のスマートグリッドにおいて、スケーラブルで分散型の制御システムを設計する課題に対処すること。
• 通信ネットワークの制約、特に時間遅延とトポロジーがグリッドの安定性および制御性能に与える影響を調査すること。
• 分散型エネルギー市場における大規模なプロシューマ参加およびバーチャルパワープラント（VPP）運用の可能性を検討すること。
• 複雑系理論を用いてスマートグリッドアプリケーションの通信要件をモデル化・テストするフレームワークを開発すること。
• 動的な需要と供給の変動、およびネットワーク由来の遅延のもとでも、システムのレジリエンスと安定性を確保すること。

提案手法

• 電力システムのダイナミクスと同期行動を表すために、スマートグリッドを結合されたオシレーターのネットワークとしてモデル化する。
• リーダーレスおよびリーダーありのコンセンサスアルゴリズムを用い、分散ネットワーク上でプロシューマのエネルギー取引および発電意思決定を調整する。
• 通信リンクにおける時間遅延を重み付きエッジモデル（τij = eijΔt）を用いて組み込み、現実世界のネットワーク制約をシミュレートする。
• プロシューマの行動をモデル化するためのユーティリティ最大化関数を用い、市場価格のもとでエネルギー費用とユーティリティを最適化するエージェントの行動を表現する。
• 結合強度、自然周波数、時間遅延を変化させた条件でネットワークダイナミクスをシミュレートし、収束性と安定性を評価する。
• 異なる通信遅延条件のもとで、需要と発電の追従を数値シミュレーションにより検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な通信遅延のもとで、プロシューマおよびバーチャルパワープラントを有するスマートグリッドにおいて、分散型制御はどのように達成可能か？
• RQ2 分散型エネルギー管理における安定な同期とコンセンサスを確保するためには、どのような通信ネットワークトポロジーと遅延特性が必要か？
• RQ3 自然周波数の非一様性（例えば、負荷および発電プロファイルのばらつき）は、スマートグリッド制御におけるコンセンサスアルゴリズムの収束にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 複雑系モデルは、ピーク需要やネットワーク障害などのストレス状況下でも、システムの挙動を正確に予測できるか？
• RQ5 コンセンサスが失敗するか、振動が生じるようになる時間遅延および結合強度の臨界閾値は何か？

主な発見

• コンセンサスアルゴリズムは、最大2τ*の大きな時間遅延のもとでも漸近的に収束することを示しており、分散制御におけるロバストネスを裏付けている。
• 結合強度が周波数の非一様性に対して十分に高い場合、グローバル同期が達成されるが、そうでない場合にはクラスタ同期が生じる。
• 高遅延下でも振動が観測されるが、コンセンサス値への収束は妨げられないため、摂動下でも安定性が保たれる。
• モデルは、個々のプロシューマが協調的で分散型の意思決定を通じて、個別ユーティリティを最適化しつつも、全体としてのシステム安定性を維持できることを示している。
• 通信ネットワークのトポロジーと遅延分布は、コンセンサスベースの制御の性能および収束速度に顕著な影響を及ぼす。
• このフレームワークにより、スマートグリッドアプリケーションの通信要件のテストが可能となり、将来的な展開に向けた説明可能でスケーラブルなモデル設計を支援する。