[논문 리뷰] Topology Detection in Microgrids with Micro-Synchrophasors

Reza Arghandeh, Martin Gahr외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 08.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스위치 측정치가 누락된 상황에서도 실제 네트워크 구성 구조를 식별할 수 있도록 마이크로 싱크로파서 측정치(µPMUs)를 사용한 투표 기반의 토폴로지 검출 방법을 제안한다. 측정된 전압 위상각 또는 크기와 계산된 값 간의 차이를 최소화함으로써 높은 정확도의 토폴로지 식별을 달성하며, 시뮬레이션된 MATLAB 마이크로그리드 테스트베드에서 전압 위상각 기반 검출이 크기 기반 접근보다 우수한 성능을 보였다.

ABSTRACT

Network topology in distribution networks is often unknown, because most switches are not equipped with measurement devices and communication links. However, knowledge about the actual topology is critical for safe and reliable grid operation. This paper proposes a voting-based topology detection method based on micro-synchrophasor measurements. The minimal difference between measured and calculated voltage angle or voltage magnitude, respectively, indicates the actual topology. Micro-synchrophasors or micro-Phasor Measurement Units (μPMU) are high-precision devices that can measure voltage angle differences on the order of ten millidegrees. This accuracy is important for distribution networks due to the smaller angle differences as compared to transmission networks. For this paper, a microgrid test bed is implemented in MATLAB with simulated measurements from μPMUs as well as SCADA measurement devices. The results show that topologies can be detected with high accuracy. Additionally, topology detection by voltage angle shows better results than detection by voltage magnitude.

연구 동기 및 목표

• 스위치에 측정 장치가 부족하여 발생하는 배전망의 모를 네트워크 토폴로지 문제를 해결하기 위해.
• 실시간 토폴로지 식별을 통해 정확하고 신뢰할 수 있는 마이크로그리드 운영을 가능하게 하기 위해.
• 고정밀 마이크로 싱크로파서(µPMU) 측정치를 활용하여 배전망에서의 토폴로지 검출을 수행하기 위해.
• 전압 위상각과 전압 크기를 토폴로지 검출의 지표로 사용했을 때의 성능을 비교하기 위해.
• µPMU 및 SCADA 측정치를 포함한 시뮬레이션된 마이크로그리드 테스트베드를 통해 제안된 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 후보 토폴로지의 정확도를 측정된 µPMU 데이터와 계산된 값 간의 비교를 통해 평가하는 투표 기반 알고리즘을 개발하였다.
• 각 후보 토폴로지에 대해 모든 µPMU 위치에서 측정된 값과 계산된 값 간의 최소 차이를 계산하는 데 전압 위상각 차이(밀리도 단위)와 전압 크기 차이를 지표로 사용하였다.
• 모든 후보 토폴로지에 대해 측정값과 계산값 간의 최소 차이를 계산하였다.
• 누적 오차가 가장 작은 토폴로지가 실제 네트워크 구성으로 선택되었다.
• 성능 평가를 위해 MATLAB 기반 마이크로그리드 테스트베드에서 시뮬레이션된 µPMU 측정치를 생성하였다.
• 정확도 및 상호보완성 평가를 위해 시뮬레이션에 SCADA 측정치도 포함시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스위치 수준의 측정치가 없는 상황에서 마이크로 싱크로파서 측정치는 정확한 배전망 토폴로지 검출을 가능하게 하는가?
• RQ2 전압 위상각을 주요 지표로 사용했을 때와 전압 크기를 주요 지표로 사용했을 때의 토폴로지 검출 정확도는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 측정 정밀도(약 10 밀리도 수준)가 토폴로지 검출 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 µPMU 및 SCADA 데이터를 모두 포함한 현실적인 시뮬레이션 조건에서 제안된 투표 기반 방법의 성능은 어떠한가?
• RQ5 네트워크 스위치가 측정 장치로 장착되어 있지 않은 경우에도 이 방법은 진짜 토폴로지를 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 토폴로지 검출 방법은 µPMU 측정치를 사용하여 실제 네트워크 구성 구조를 높은 정확도로 식별할 수 있었다.
• 전압 위상각 기반의 토폴로지 검출이 크기 기반 검출보다 정확도와 신뢰성 면에서 뛰어났다.
• 모든 테스트 시나리오에서 시뮬레이션된 마이크로그리드 환경 내에서 정확한 토폴로지를 성공적으로 식별하였다.
• 측정된 전압 위상각 또는 크기와 계산된 값 간의 최소 차이는 실제 토폴로지를 잘 나타내는 강력한 지표였다.
• SCADA 데이터의 통합은 토폴로지 검출 과정의 전반적인 강건성 향상에 기여하였다.
• 밀리도 수준의 정밀도를 가진 µPMUs의 사용은 전압 위상각의 차이가 전송 시스템보다 작은 배전망에서 신뢰할 수 있는 검출을 가능하게 하였다.