[论文解读] On Aggregation Performance in Privacy Conscious Hierarchical Flexibility Coordination Schemes

Thomas Offergeld, Nils Mattus+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

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一句话总结

本文提出了一种用于电力系统中隐私保护分层灵活性协调方案（FCS）的性能量化方法，采用聚合误差和效率两个指标，评估异构储能系统（ESS）的灵活性聚合效果。研究识别出功率-能量（PtE）比是聚合误差的主要来源，并证明将PtE比相近的ESS进行分组可显著降低误差，从而实现高效、隐私保护的分布式灵活性资源协调。

ABSTRACT

In this paper we introduce a method for performance quantification of flexibility aggregation in flexibility coordination schemes (FCS), with a focus on privacy preserving hierarchical FCS. The quantification is based on two performance metrics: The aggregation error and the aggregation efficiency. We present the simulation framework and the modelling of one complex type of flexibility providing units (FPUs), namely energy storage systems (ESS). ESS cause intertemporal constraints for flexibility coordination that lead to aggregation errors in case flexibility is aggregated from heterogeneous groups of FPUs. We identify one parameter responsible for the aggregation error to be the power-to-energy ratio of the ESS. A grouping of FPUs using similarity in their power-to-energy ratios is shown to improve the coordination performance. Additionally, we describe the influence of flexibility demand timeseries on the aggregation error, concluding that future assessments of aggregation errors should consider multiple representative demand timeseries, which is a non-trivial task. Finally, we discuss the applicability of the developed method to scenarios of larger system size.

研究动机与目标

• 解决在含分布式能源资源（DER）的大规模灵活性协调中保持系统效率与隐私的挑战。
• 量化分层FCS中因聚合导致的性能退化，特别是针对异构储能系统（ESS）的情况。
• 识别影响隐私保护FCS中聚合误差与效率的关键系统参数和设计选择。
• 提供一个仿真框架，用于基准测试不同FCS配置和需求模式下的聚合性能。

提出的方法

• 建立混合整数线性规划（MILP）模型，以表示具有时间关联约束的ESS运行灵活性。
• 定义两个性能指标：聚合误差（ϵagg）为单体FCS与分层FCS调度之间的偏差，聚合效率（ηagg）为实际与最优灵活性利用之比。
• 实施分层FCS，其中多个聚合器将单个FPU分组为虚拟ESS，抽象化详细FPU数据以保护隐私。
• 基于功率-能量（PtE）比进行聚类，以分组ESS单元并评估其对降低聚合误差的影响。
• 模拟多种代表性灵活性需求时间序列场景，以评估聚合性能的鲁棒性。
• 将分层FCS结果与具有完整系统可见性的单体FCS进行对比，作为性能基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 在聚合异构储能系统时，分层灵活性协调方案中聚合误差的主要来源是什么？
• RQ2 ESS的功率-能量（PtE）比在分层FCS中如何影响聚合误差？
• RQ3 将PtE比相近的FPU分组在多大程度上能提升协调性能并减少聚合误差？
• RQ4 灵活性需求时间序列的选择如何影响聚合误差的大小与一致性？
• RQ5 将分层FCS扩展至包含大量聚合器和FPU的更大系统规模在计算上是否可行？

主要发现

• 分层FCS中的聚合误差完全源于ESS的功率-能量（PtE）比差异，而非仅由功率或能量容量差异引起。
• 将PtE比相近的ESS单元分组可显著降低聚合误差，表明PtE比相似性是实现高效聚合的关键设计准则。
• 聚合误差对用于解耦的灵活性需求时间序列高度敏感，表明单一需求配置不足以实现稳健的误差评估。
• 在标准办公硬件上，对包含28个FPU和5个聚合器的合成案例（48小时时间跨度）的仿真耗时不足60秒，表明该方法在真实系统规模下具备计算可行性。
• 通过将中心协调器的可见范围限制在聚合后的虚拟ESS上，分层FCS实现了隐私保护的协调，且在合理分组下可保持高协调效率。
• 未来FCS的基准测试应使用多个代表性灵活性需求时间序列，例如通过可行运行区域（FOR）的几何采样生成的时间序列，以确保性能评估的稳健性。