KR102316744B1 - Method and apparatus for optimizing home energy management system in three-phase unbalanced low-voltage distribution network - Google Patents

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KR102316744B1 KR1020190135799A KR20190135799A KR102316744B1 KR 102316744 B1 KR102316744 B1 KR 102316744B1 KR 1020190135799 A KR1020190135799 A KR 1020190135799A KR 20190135799 A KR20190135799 A KR 20190135799A KR 102316744 B1 KR102316744 B1 KR 102316744B1
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최대현
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Abstract

본 발명은 3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템(HEMS) 최적화 장치 및 방법을 개시한다. 본 실시예에 따르면, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리는, 상기 3상 불평형 저전압 배전 네트워크로부터 전력을 공급 받는 복수의 세대 각각으로부터 전력 소비 데이터를 수집하고, 상기 HMES 최적화를 위해 스케줄링 기간 동안의 총 전기료 및 세대 불편 비용과 관련되며, 시간 t에서의 위상

Figure 112019110775229-pat00250
에 대한 목적함수를 구성하고, 상기 목적함수에 대해 무효 전력 제약 조건, 3상 선형 전압 제약 조건, 전압 의존 부하 모델, 태양광 발전(PV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 무효 전력, 전압 및 부하 시 탭 절환기 중 적어도 하나를 고려하여 상기 수집된 전력 소비 데이터로부터 가전 제품의 부하 감소 및 부하 쉬프팅을 위한 최적화 해를 계산하도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하는 홈 에너지 관리 시스템 최적화 장치가 제공된다.The present invention discloses an apparatus and method for optimizing a home energy management system (HEMS) in a three-phase unbalanced low voltage distribution network. According to this embodiment, a processor; and a memory coupled to the processor, wherein the memory collects power consumption data from each of a plurality of households receiving power from the three-phase unbalanced low voltage distribution network, and is configured to collect power consumption data from each of a plurality of households receiving power from the three-phase unbalanced low voltage distribution network, and to optimize the HMES for a total electricity bill during a scheduling period. and household inconvenience cost, the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00250
Construct an objective function for , and reactive power constraint, three-phase linear voltage constraint, voltage-dependent load model, reactive power, voltage and load of photovoltaic (PV) and energy storage system (ESS) for the objective function Home energy management system optimizing device for storing program instructions executed by the processor to calculate an optimization solution for load reduction and load shifting of home appliances from the collected power consumption data in consideration of at least one of the time tap changers is provided

Description

3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템 최적화 방법 및 장치{Method and apparatus for optimizing home energy management system in three-phase unbalanced low-voltage distribution network}Method and apparatus for optimizing home energy management system in three-phase unbalanced low-voltage distribution network

본 발명은 3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템 최적화 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for optimizing a home energy management system in a three-phase unbalanced low voltage distribution network.

주거용 가구가 총 전기 소비량의 1/3을 차지함에 따라 홈 에너지 관리 시스템(Home Energy Management System: HEMS)는 효율적으로 경제적인 관리를 에너지 관리를 위한 필수 기술이 되었다. As residential households account for one-third of total electricity consumption, Home Energy Management System (HEMS) has become an essential technology for efficient and economical energy management.

HEMS의 주목표는 스마트 가전 제품(예를 들어, 에어컨 및 세탁기 등)의 최적 에너지 소비를 스케줄링하여 편안함을 보장하면서 전기 비용을 줄이는 것이다. The main goal of HEMS is to reduce electricity costs while ensuring comfort by scheduling optimal energy consumption for smart appliances (eg air conditioners and washing machines, etc.).

최근에는 분산 에너지 자원(Distributed energy resource: DER, 예를 들어, 옥상 태양광 발전(roof solar photovoltaic: PV) 및 에너지 저장 시스템(Energy Storage System: ESS)), 스마트 계량기를 갖춘 고급 계량 인프라 및 수요 관리를 포함하는 스마트 그리드 기술로 인해 소비자는 더 많은 에너지를 절약할 수 있게 되었다. More recently, distributed energy resources (DERs, such as roof solar photovoltaic (PV) and Energy Storage Systems (ESS)), advanced metering infrastructure with smart meters and demand management Smart grid technologies that include

종래의 HEMS의 핵심 기술은 DER의 동작 스케줄링(충전/방전) 외에 스마트 가전 제품의 경제적인 부하 감소 및 부하 쉬프팅을 수행하기 위해 사용되는 최적화 방안이다. The core technology of the conventional HEMS is an optimization method used for economical load reduction and load shifting of smart home appliances in addition to operation scheduling (charging/discharging) of the DER.

그러나, 종래의 HEMS 최적화 알고리즘은 다음과 같은 한계 때문에 부정확한 문제점이 있다. However, the conventional HEMS optimization algorithm has a problem of inaccuracy due to the following limitations.

첫째, 무효 전력을 고려하지 않고 단지 가전 제품의 유효 전력과 DER의 유효 전력 주입/흡수만을 고려하고, 둘째, 실제와는 다르게 가정이 평형 3상 저전압에 연결된 것으로 가정하며, 마지막으로 가정 내에서의 부하 전압 의존성을 고려하지 않는다. First, it does not consider reactive power and only considers active power of home appliances and active power injection/absorption of DER. Load voltage dependence is not taken into account.

실제로 소비자 부하는 전압에 따라 변화하며 이러한 환경에서 종래의 HEMS 접근법은 개별 소비자에 대한 전압 품질을 무시하고 전압 조절 장치(예를 들어, 부하시 탭 전환기(on-load tap changers, OLTC)와 Volt-VAR 최적화 (VVO)의 영향을 고려하지 않는 문제점이 있다. In practice, the consumer load varies with voltage, and in these circumstances the conventional HEMS approach ignores the voltage quality for the individual consumer and uses voltage regulators (e.g., on-load tap changers (OLTC) and Volt- There is a problem in that the effect of VAR optimization (VVO) is not considered.

대한민국공개특허공보 10-2015-0040894Korean Patent Publication No. 10-2015-0040894

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 개별 소비자의 전압 품질을 고려하여 사용자의 편의는 보장하면서도 전기료는 절감할 수 있는 3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템 최적화 방법 및 장치를 제안하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art, the present invention provides a method and apparatus for optimizing a home energy management system in a three-phase unbalanced low voltage distribution network that can reduce electricity costs while ensuring user convenience in consideration of the voltage quality of individual consumers. I would like to suggest

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템(HEMS) 최적화 장치로서, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리는, 상기 3상 불평형 저전압 배전 네트워크로부터 전력을 공급 받는 복수의 세대 각각으로부터 전력 소비 데이터를 수집하고, 상기 HMES 최적화를 위해 스케줄링 기간 동안의 총 전기료 및 세대 불편 비용과 관련되며, 시간 t에서의 위상

Figure 112019110775229-pat00001
에 대한 목적함수를 구성하고, 상기 목적함수에 대해 무효 전력 제약 조건, 3상 선형 전압 제약 조건, 전압 의존 부하 모델, 태양광 발전(PV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 무효 전력, 전압 및 부하 시 탭 절환기 중 적어도 하나를 고려하여 상기 수집된 전력 소비 데이터로부터 가전 제품의 부하 감소 및 부하 쉬프팅을 위한 최적화 해를 계산하도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하는 홈 에너지 관리 시스템 최적화 장치.In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, a home energy management system (HEMS) optimization device in a three-phase unbalanced low voltage distribution network, the processor; and a memory coupled to the processor, wherein the memory collects power consumption data from each of a plurality of households receiving power from the three-phase unbalanced low voltage distribution network, and is configured to collect power consumption data from each of a plurality of households receiving power from the three-phase unbalanced low voltage distribution network, and to optimize the HMES for a total electricity bill during a scheduling period. and household inconvenience cost, the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00001
Construct an objective function for , and reactive power constraint, three-phase linear voltage constraint, voltage-dependent load model, reactive power, voltage and load of photovoltaic (PV) and energy storage system (ESS) for the objective function Home energy management system optimizing device for storing program instructions executed by the processor to calculate an optimization solution for load reduction and load shifting of home appliances from the collected power consumption data in consideration of at least one of the time tap changers .

상기 전압 의존 부하 모델은 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터, 시간 t에서 선로 uv의 3상 유효 및 무효 선로 흐름 및 선로 임피던스를 이용하여 정의될 수 있다. The voltage dependent load model can be defined using the square vector of the three-phase voltage magnitude of generation u at time t, three-phase effective and reactive line flow and line impedance of line uv at time t.

상기 목적함수는 스케줄링 기간 (T)에 대해 다음과 같이 정의될 수 있다. The objective function may be defined as follows for the scheduling period (T).

[수학식][Equation]

Figure 112019110775229-pat00002
Figure 112019110775229-pat00002

여기서,

Figure 112019110775229-pat00003
는 시간 t에 그리드로부터 TOU 기반으로 구입하는 가격,
Figure 112019110775229-pat00004
는 시간 t에서 위상
Figure 112019110775229-pat00005
에 대한 세대 u의 순 유효 전력 소비량,
Figure 112019110775229-pat00006
는 시간 t에 그리드로 TOU 기반으로 판매하는 가격,
Figure 112019110775229-pat00007
는 시간 t에서 위상
Figure 112019110775229-pat00008
에 대한 세대 u의 그리드 공급을 위한 순 유효 전력 소비량,
Figure 112019110775229-pat00009
는 위상
Figure 112019110775229-pat00010
에서 세대 u의 불편 비용에 대한 패널티 파라미터,
Figure 112019110775229-pat00011
Figure 112019110775229-pat00012
는 시간 t에서 위상
Figure 112019110775229-pat00013
에 대한 세대 u의 불편 비용(discomfort cost)임 here,
Figure 112019110775229-pat00003
is the purchase price based on TOU from the grid at time t,
Figure 112019110775229-pat00004
is the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00005
net active power consumption of generation u for
Figure 112019110775229-pat00006
is the selling price based on TOU as a grid at time t,
Figure 112019110775229-pat00007
is the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00008
net active power consumption for grid supply of generation u for
Figure 112019110775229-pat00009
is the phase
Figure 112019110775229-pat00010
a penalty parameter for the inconvenience cost of generation u,
Figure 112019110775229-pat00011
Figure 112019110775229-pat00012
is the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00013
is the inconvenience cost of generation u for

시간 t에서 세대 u의 3상 유효 및 무효 부하에 대한 선형화된 전압 의존 모델은 다음과 같이 정의될 수 있다. The linearized voltage dependence model for the three-phase active and reactive loads of generation u at time t can be defined as

[수학식][Equation]

Figure 112019110775229-pat00014
Figure 112019110775229-pat00014

[수학식][Equation]

Figure 112019110775229-pat00015
Figure 112019110775229-pat00015

여기서,

Figure 112019110775229-pat00016
Figure 112019110775229-pat00017
에 대해,
Figure 112019110775229-pat00018
로 표현되고,
Figure 112019110775229-pat00019
Figure 112019110775229-pat00020
는 일정한 임피던스, 일정한 전류 및 일정한 유효 및 무효 전력에 대한 전력 부하의 백분율을 나타내는 계수의 셋이며,
Figure 112019110775229-pat00021
Figure 112019110775229-pat00022
방정식을 만족시키며,
Figure 112019110775229-pat00023
는 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터임here,
Figure 112019110775229-pat00016
Is
Figure 112019110775229-pat00017
About,
Figure 112019110775229-pat00018
is expressed as
Figure 112019110775229-pat00019
Wow
Figure 112019110775229-pat00020
is a set of coefficients representing the percentage of power load to constant impedance, constant current and constant active and reactive power,
Figure 112019110775229-pat00021
Wow
Figure 112019110775229-pat00022
satisfies the equation,
Figure 112019110775229-pat00023
is the square vector of the magnitude of the three-phase voltage of generation u at time t

본 발명의 다른 측면에 따르면, 프로세서 및 메모리를 포함하는 장치에서 수행하는 3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템(HEMS) 최적화 방법으로서, 상기 3상 불평형 저전압 배전 네트워크로부터 전력을 공급 받는 복수의 세대 각각으로부터 전력 소비 데이터를 수집하는 단계; 상기 HMES 최적화를 위해 스케줄링 기간 동안의 총 전기료 및 세대 불편 비용과 관련되며, 시간 t에서의 위상

Figure 112019110775229-pat00024
에 대한 목적함수를 구성하는 단계; 및 상기 목적함수에 대해 무효 전력 제약 조건, 3상 선형 전압 제약 조건, 전압 의존 부하 모델, 태양광 발전(PV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 무효 전력, 전압 및 부하 시 탭 절환기 중 적어도 하나를 고려하여 상기 수집된 전력 소비 데이터로부터 가전 제품의 부하 감소 및 부하 쉬프팅을 위한 최적화 해를 계산하는 단계를 포함하는 홈 에너지 관리 시스템 최적화 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for optimizing a home energy management system (HEMS) in a three-phase unbalanced low-voltage distribution network performed by a device including a processor and a memory, wherein a plurality of collecting power consumption data from each household; For the HMES optimization, related to the total electricity cost and household inconvenience cost during the scheduling period, the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00024
constructing an objective function for and at least one of reactive power constraint condition, three-phase linear voltage constraint condition, voltage dependent load model, reactive power of photovoltaic (PV) and energy storage system (ESS), voltage and on-load tap-changer for the objective function. There is provided a home energy management system optimization method including calculating an optimization solution for load reduction and load shifting of home appliances from the collected power consumption data in consideration of the.

본 발명에 따르면, 무효 전력, 전압 의존 모델을 고려하여 HEMS 최적화를 위한 해를 정확히 계산할 수 있다. According to the present invention, a solution for HEMS optimization can be accurately calculated in consideration of a reactive power and voltage-dependent model.

도 1은 LV 배전 피더에서 HEMS를 위한 시스템 모델을 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 최적화 장치의 구성을 도시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating a system model for HEMS in an LV distribution feeder.
2 is a diagram showing the configuration of an optimization device according to the present embodiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명은 3상 불평형 배전 시스템에서 수행될 수 있는 전압-무효 전력 제약 조건 HEMS 최적화 프레임워크를 제안하며, 본 실시예에 따른 HEMS 최적화는 소비자의 편안한 수준(comfort level)에서 전기료를 최소화하며, 소비자를 위한 전압 품질을 개선한다. The present invention proposes a voltage-reactive power constraint HEMS optimization framework that can be performed in a three-phase unbalanced power distribution system, and the HEMS optimization according to this embodiment minimizes electricity bills at the comfort level of consumers, to improve the voltage quality for

본 실시예에 따르면, DER의 OLTC 및 스마트 인버터의 동작과 함께 불평형 전압 의존 부하의 유효 및 무효 전력 소비가 에너지 절약과 전압 품질 유지를 위해 스케줄링된다. According to this embodiment, the active and reactive power consumption of the unbalanced voltage dependent load along with the operation of the OLTC and smart inverter of the DER is scheduled to save energy and maintain voltage quality.

본 실시예에서는 제안된 HEMS 최적화 알고리즘을 MILP 모델로 공식화한다. In this embodiment, the proposed HEMS optimization algorithm is formulated as a MILP model.

3상 불평형 유효/무효 전력 흐름, 전압 의존 부하 및 OLTC에 대한 모델이 선형화되고 이러한 선형 방정식이 제안된 MILP HEMS 최적화 문제의 제약 조건으로 통합된다. Models for three-phase unbalanced active/reactive power flow, voltage dependent load and OLTC are linearized and these linear equations are incorporated as constraints of the proposed MILP HEMS optimization problem.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 실시예에 따른 HEMS 최적화 알고리즘을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the HEMS optimization algorithm according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 LV 배전 피더에서 HEMS를 위한 시스템 모델을 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a system model for HEMS in an LV distribution feeder.

도 1은 배전 피더(feeder)를 따라 OLTC를 갖는 MV(Midium-Voltage)/LV(Low-Voltage) 변압기와 여러 스마트 세대를 포함하는 방사형 LV 배전 네트워크를 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a radial LV distribution network comprising a Medium-Voltage (MV)/Low-Voltage (LV) transformer with OLTC along a distribution feeder and several smart generations.

배전 피더는 일련의 노드(

Figure 112019110775229-pat00025
) 및 일련의 분기(
Figure 112019110775229-pat00026
)를 포함하고, 여기서,
Figure 112019110775229-pat00027
Figure 112019110775229-pat00028
이고,
Figure 112019110775229-pat00029
이다. A distribution feeder is a series of nodes (
Figure 112019110775229-pat00025
) and a series of branches (
Figure 112019110775229-pat00026
), wherein
Figure 112019110775229-pat00027
Figure 112019110775229-pat00028
ego,
Figure 112019110775229-pat00029
am.

하나의 노드(

Figure 112019110775229-pat00030
) 및 각 선로가 한 쌍의 노드(
Figure 112019110775229-pat00031
)로 구성된다. one node (
Figure 112019110775229-pat00030
) and each line is a pair of nodes (
Figure 112019110775229-pat00031
) is composed of

스마트 세대는 각 노드에 연결되며, PV, ESS 및 스마트 가전 제품에 연결되는 것으로 가정한다. The smart generation is connected to each node and is assumed to be connected to PV, ESS and smart home appliances.

동일한 LV 시스템으로부터 전력을 공급 받는 복수의 세대가 하나의 엔티티를 형성하고, 이를 커뮤니티로 간주한다. A plurality of households receiving power from the same LV system form one entity, which is regarded as a community.

주거 커뮤니티에서, 각 소비자(세대)가 TOU 요금 체계에 따라 그리드와 에너지를 교환할 수 있는 상황을 고려한다. In a residential community, consider the situation in which each consumer (household) can exchange energy with the grid according to the TOU rate system.

배전 시스템 운영자는 커뮤니티의 소비자로부터 전력 소비 데이터를 수집할 수 있다고 가정한다.It is assumed that the distribution system operator can collect power consumption data from consumers in the community.

따라서 수집된 데이터는 커뮤니티 HEMS에 의해 가정의 최적 에너지 소비를 스케줄링 하기 위한 입력 데이터로 사용된다. Therefore, the collected data is used as input data for scheduling the optimal energy consumption of the home by the community HEMS.

본 실시예에서, HEMS 커뮤니티의 주요 기능은 가전 제품의 최적 에너지 소비 및 소비자의 전력 교환을 스케줄링하는 동시에 소비자의 편안한 수준과 전압 품질을 원하는 범위 내에서 유지하도록 하는 것이다. In this embodiment, the main function of the HEMS community is to schedule the optimal energy consumption of home appliances and the consumer's power exchange while maintaining the consumer's comfort level and voltage quality within the desired range.

스마트 가전 제품은 제어할 수 없는 부하 (예 : TV, PC 및 조명)와 제어 가능한 부하 (예를 들어, 에어컨, 세탁기 및 ESS)로 분류된다. Smart appliances are classified into uncontrollable loads (eg TV, PC and lighting) and controllable loads (eg air conditioners, washing machines and ESSs).

HEMS는 제어 가능한 부하만 스케줄링하고 동작시킬 수 있다. HEMS can only schedule and operate controllable loads.

두 부하 모두 유효 전력과 무효 전력을 모두 소비하고 부하의 무효 전력 소비는 실제 전력 소비와 역률로 표현된다. 각 가정의 PV 시스템과 ESS에는 시스템에 유효 전력 주입 또는 무효 전력 주입/흡수를 통해 전압을 조절할 수 있는 개별 스마트 인버터가 있다고 가정한다. 본 LV 시스템에서 전압 조절 장치는 PV 시스템의 OLTC 변압기 및 스마트 인버터 및 각 가정의 ESS이다.Both loads consume both active and reactive power, and the reactive power consumption of the load is expressed as the actual power consumption and the power factor. It is assumed that each home's PV system and ESS have individual smart inverters that can regulate the voltage through either active power injection or reactive power injection/absorption into the system. In this LV system, the voltage regulation device is the OLTC transformer and smart inverter of the PV system and the ESS of each home.

이하에서는 종래의 HEMS 최적화 알고리즘을 우선 설명하고, 본 실시예에 따른 HEMS 최적화 알고리즘을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the conventional HEMS optimization algorithm will be first described, and the HEMS optimization algorithm according to the present embodiment will be described in detail.

공식화에 앞서 변수들은 다음과 같이 정의된다. Prior to formulation, the variables are defined as follows.

Figure 112019110775229-pat00032
: 시간 t에서 세대 u의 순 유효(무효) 전력 소비량
Figure 112019110775229-pat00032
: net active (reactive) power consumption of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00033
: 시간 t에서 세대 u에 의한 그리드로의 순 유효 전력량
Figure 112019110775229-pat00033
: net active power to grid by generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00034
: 시간 t에서 세대 u의 불편 비용(discomfort cost)
Figure 112019110775229-pat00034
: Discomfort cost of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00035
: 시간 t에서 세대 u의 총 유효(무효) 부하 전력 소비량
Figure 112019110775229-pat00035
: total active (reactive) load power consumption of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00036
: 시간 t에서 세대 u의 ESS 충전(방전) 전력량
Figure 112019110775229-pat00036
: ESS charging (discharging) wattage of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00037
: 세대 부하 공급을 위한 시간 t에서 세대의 ESS 유효 전력 방전량
Figure 112019110775229-pat00037
: ESS active power discharge amount of household at time t for household load supply

Figure 112019110775229-pat00038
: 그리드 공급을 위한 시간 t에서 가정의 ESS 유효 전력 방전량
Figure 112019110775229-pat00038
: ESS active power discharge amount of the household at time t for grid supply

Figure 112019110775229-pat00039
: 세대 부하 공급을 위한 시간 t에서 세대 u의 PV 유효 전력량
Figure 112019110775229-pat00039
: PV active power amount of household u at time t for household load supply

Figure 112019110775229-pat00040
: 그리드 공급을 위한 시간 t에서 세대 u의 PV 유효 전력량
Figure 112019110775229-pat00040
: PV active wattage of generation u at time t for grid supply

Figure 112019110775229-pat00041
: 시간 t에 선로 uv에서 유효(무효) 전력 흐름
Figure 112019110775229-pat00041
: active (reactive) power flow in line uv at time t

Figure 112019110775229-pat00042
: 시간 t에서 세대 u의 노드 유효(무효) 전력량
Figure 112019110775229-pat00042
: Node active (reactive) power amount of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00043
: 시간 t에서 세대 u의 제어 가능한 부하의 유효(무효) 전략 소비량
Figure 112019110775229-pat00043
: effective (ineffective) strategy consumption of controllable load of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00044
: 시간 t에서 세대 u의 내부 온도
Figure 112019110775229-pat00044
: internal temperature of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00045
: 시간 t에서 세대 u의 전력 거래 상태를 보장하기 위한 이진 변수
Figure 112019110775229-pat00045
: Binary variable to guarantee the power transaction state of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00046
: 시간 t에서 세대 u의 ESS 충전 및 방전을 만족시키기 위한 이진 변수
Figure 112019110775229-pat00046
: Binary variables for satisfying ESS charging and discharging of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00047
: 시간 t에서 세대 u의 PV 시스템으로부터 주입/흡수되는 무효 전력량
Figure 112019110775229-pat00047
: amount of reactive power injected/absorbed from the PV plant of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00048
: 시간 t 및 세대 u에서 3상에 대한 전압 크기의 제곱 벡터
Figure 112019110775229-pat00048
: square vector of voltage magnitudes for three phases at time t and generation u

Figure 112019110775229-pat00049
: 공칭전압(nominal voltage)에서 시간 t에서 세대 u의 유효(무효) 전력 소비량
Figure 112019110775229-pat00049
: effective (reactive) power consumption of generation u at time t at nominal voltage

Figure 112019110775229-pat00050
: 시간 t에서 각 위상에 대한 OLTC 턴 비율(turn ratios)의 제곱
Figure 112019110775229-pat00050
: the square of the OLTC turn ratios for each phase at time t

Figure 112019110775229-pat00051
: 시간 t에서 위상
Figure 112019110775229-pat00052
의 OLTC의 적절한 턴 비율을 결정하기 위한 이진 변수
Figure 112019110775229-pat00051
: phase at time t
Figure 112019110775229-pat00052
Binary variable to determine the proper turn ratio of the OLTC of

Figure 112019110775229-pat00053
: 시간 t에서 그리드로부터(또는 그리드에서) TOU-기반 판매(또는 구입) 가격
Figure 112019110775229-pat00053
: TOU-based sale (or purchase) price from (or on grid) grid at time t

Figure 112019110775229-pat00054
: 세대 u의 불편 비용에 대한 패널티 파라미터
Figure 112019110775229-pat00054
: Penalty parameter for the inconvenience cost of generation u

Figure 112019110775229-pat00055
: 시간 t에서 세대 u의 예측된 PV 유효 전력 출력
Figure 112019110775229-pat00055
: predicted PV active power output of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00056
: 세대 u의 ESS 충전(방전) 효율
Figure 112019110775229-pat00056
: ESS charging (discharging) efficiency of generation u

Figure 112019110775229-pat00057
: 세대 u의 최대 ESS 용량
Figure 112019110775229-pat00057
: Maximum ESS capacity of generation u

Figure 112019110775229-pat00058
: 시간 t에서 세대 u의 예측 외부 온도
Figure 112019110775229-pat00058
: predicted external temperature of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00059
: 세대 u의 최소(최대) ESS 충전 상태
Figure 112019110775229-pat00059
: Minimum (maximum) ESS charge state of generation u

Figure 112019110775229-pat00060
: 세대 u의 최소 ESS 충전 유효 전력
Figure 112019110775229-pat00060
: Minimum ESS charging active power of generation u

Figure 112019110775229-pat00061
: 세대 u의 최대 ESS 충전 유효 전력
Figure 112019110775229-pat00061
: Maximum ESS charging active power of generation u

Figure 112019110775229-pat00062
: 세대 u의 최소 ESS 방전 유효 전력
Figure 112019110775229-pat00062
: Minimum ESS discharge active power of generation u

Figure 112019110775229-pat00063
: 세대 u의 최대 ESS 방전 유효 전력
Figure 112019110775229-pat00063
: Maximum ESS discharge active power of generation u

Figure 112019110775229-pat00064
: 세대 u의 최소(최대) 내부 온도
Figure 112019110775229-pat00064
: Minimum (maximum) internal temperature of generation u

Figure 112019110775229-pat00065
: 세대 u의 최소(최대) 제어 가능한 부하 유효 전력 소비량
Figure 112019110775229-pat00065
: Minimum (maximum) controllable load active power consumption of generation u

Figure 112019110775229-pat00066
: 세대의 불편 비용의 최대 이완(relaxation) 변수
Figure 112019110775229-pat00066
: Maximum relaxation variable of household discomfort cost

Figure 112019110775229-pat00067
: 시간 t에서 세대 u의 최소(최대) 제어 불가능한 부하 유효 전력 소비량
Figure 112019110775229-pat00067
: Minimum (maximum) uncontrollable load active power consumption of generation u at time t

Figure 112019110775229-pat00068
: 위상
Figure 112019110775229-pat00069
에서 세대 u의 최소(최대) PV 무효 전력 용량
Figure 112019110775229-pat00068
: Phase
Figure 112019110775229-pat00069
Minimum (maximum) PV reactive power capacity of generation u in

Figure 112019110775229-pat00070
: 위상
Figure 112019110775229-pat00071
에서 세대 u의 최소(최대) ESS 무효 전력 용량
Figure 112019110775229-pat00070
: Phase
Figure 112019110775229-pat00071
Minimum (maximum) ESS reactive power capacity of generation u in

Figure 112019110775229-pat00072
: 시스템에서 전압 크기의 최소(최대)의 제곱
Figure 112019110775229-pat00072
: the minimum (maximum) square of the voltage magnitude in the system

Figure 112019110775229-pat00073
: 시스템에서 전압 크기 제곱의 공칭값
Figure 112019110775229-pat00073
: the nominal value of the square of the voltage magnitude in the system

스케줄링 기간이

Figure 112019110775229-pat00074
(여기서,
Figure 112019110775229-pat00075
는 스케줄링 지평선의 셋이다)인 각 소비자(또는 세대)에 대해, 일반적인 HEMS 최적화 알고리즘은 다음과 같이 공식화된다. the scheduling period
Figure 112019110775229-pat00074
(here,
Figure 112019110775229-pat00075
For each consumer (or generation) that is the set of scheduling horizons, the general HEMS optimization algorithm is formulated as

Figure 112019110775229-pat00076
Figure 112019110775229-pat00076

Figure 112019110775229-pat00077
Figure 112019110775229-pat00077

Figure 112019110775229-pat00078
Figure 112019110775229-pat00078

Figure 112019110775229-pat00079
Figure 112019110775229-pat00079

Figure 112019110775229-pat00080
Figure 112019110775229-pat00080

Figure 112019110775229-pat00081
Figure 112019110775229-pat00081

Figure 112019110775229-pat00082
Figure 112019110775229-pat00082

Figure 112019110775229-pat00083
Figure 112019110775229-pat00083

Figure 112019110775229-pat00084
Figure 112019110775229-pat00084

Figure 112019110775229-pat00085
Figure 112019110775229-pat00085

Figure 112019110775229-pat00086
Figure 112019110775229-pat00086

Figure 112019110775229-pat00087
Figure 112019110775229-pat00087

Figure 112019110775229-pat00088
Figure 112019110775229-pat00088

Figure 112019110775229-pat00089
Figure 112019110775229-pat00089

Figure 112019110775229-pat00090
Figure 112019110775229-pat00090

Figure 112019110775229-pat00091
Figure 112019110775229-pat00091

Figure 112019110775229-pat00092
Figure 112019110775229-pat00092

Figure 112019110775229-pat00093
Figure 112019110775229-pat00093

HEMS 최적화 문제에 대한 목적함수 수학식 1은 두 부분으로 구성된다. Equation 1 of the objective function for the HEMS optimization problem consists of two parts.

첫번째 부분은 스케줄링 기간(T) 동안의 총 전기료를 나타내며, T는 1시간의 스케줄링 해상도로 24시간으로 설정된다. The first part represents the total electricity cost for the scheduling period T, where T is set to 24 hours with a scheduling resolution of 1 hour.

총 전기료는 TOU 기반 구매 가격(

Figure 112019110775229-pat00094
)에 따른 세대의 순 유효 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00095
)과 TOU 기반 판매 가격(
Figure 112019110775229-pat00096
)에 따른 순 전원 공급량(
Figure 112019110775229-pat00097
)의 전기 구매 비용과 전기 판매 비용의 차이이다. The total electricity cost is the TOU-based purchase price (
Figure 112019110775229-pat00094
) net active power consumption of households according to (
Figure 112019110775229-pat00095
) and the TOU-based selling price (
Figure 112019110775229-pat00096
) according to the net power supply (
Figure 112019110775229-pat00097
) is the difference between the cost of purchasing electricity and the cost of selling electricity.

두 번째 부분(

Figure 112019110775229-pat00098
)은 총 패널티 비용(
Figure 112019110775229-pat00099
)을 나타내며 이는 소비자의 불편 비용과 관련된다. second part (
Figure 112019110775229-pat00098
) is the total penalty cost (
Figure 112019110775229-pat00099
), which is related to the cost of inconvenience to consumers.

여기서 불편함은 소비자가 선호하는 온도와 실내 온도의 차이이다. The inconvenience here is the difference between the temperature preferred by the consumer and the room temperature.

Figure 112019110775229-pat00100
는 HEMS의 최적화 문제의 실행 가능성을 보장하기 위한 이완 변수이다.
Figure 112019110775229-pat00100
is a relaxation variable to ensure the feasibility of the optimization problem of HEMS.

Figure 112019110775229-pat00101
Figure 112019110775229-pat00102
에 대한 패널티를 나타낸다.
Figure 112019110775229-pat00101
Is
Figure 112019110775229-pat00102
represents a penalty for

예를 들어,

Figure 112019110775229-pat00103
가 증가함에 따라
Figure 112019110775229-pat00104
는 감소하고, 결과적으로 실내 온도와 소비자 선호 온도의 차이가 최소화되지만 하지만 전기료 절감 정도는 작아진다. E.g,
Figure 112019110775229-pat00103
as the increases
Figure 112019110775229-pat00104
decreases, and as a result, the difference between the indoor temperature and the consumer's preferred temperature is minimized, but the degree of electricity cost savings is small.

수학식 2는 순 에너지 소비, 예를 들어, 하나의 세대에서 ESS 충전(

Figure 112019110775229-pat00105
)에 따른 모든 가전 제품(
Figure 112019110775229-pat00106
)의 총 유효 전력 소비량과 ESS 방전(
Figure 112019110775229-pat00107
)에 따른 PV로부터의 총 유효 전력 공급량(
Figure 112019110775229-pat00108
)과의 차이이다. Equation 2 is the net energy consumption, e.g., ESS charging in one generation (
Figure 112019110775229-pat00105
All household appliances according to ( )
Figure 112019110775229-pat00106
) of total active power consumption and ESS discharge (
Figure 112019110775229-pat00107
Total active power supply from PV according to ( )
Figure 112019110775229-pat00108
) is the difference from

수학식 3은 소비자의 판매 전력(

Figure 112019110775229-pat00109
)에 대한 제약이고, ESS의 방전 유효 전력(
Figure 112019110775229-pat00110
)과 PV 시스템이 주입한 유효 전력(
Figure 112019110775229-pat00111
)으로 구성된다. Equation 3 is the sales power of consumers (
Figure 112019110775229-pat00109
), and the discharge active power of the ESS (
Figure 112019110775229-pat00110
) and the active power injected by the PV plant (
Figure 112019110775229-pat00111
) is composed of

수학식 4에서, 예측된 PV 유효 전력(

Figure 112019110775229-pat00112
) 생성량은 세대의 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00113
)과 그리드로 공급한 전력량(
Figure 112019110775229-pat00114
)의 합으로 나타난다. In Equation 4, the predicted PV active power (
Figure 112019110775229-pat00112
) is the generation's power consumption (
Figure 112019110775229-pat00113
) and the amount of electricity supplied to the grid (
Figure 112019110775229-pat00114
) as the sum of

수학식 5에서 총 ESS 방전 전력량(

Figure 112019110775229-pat00115
)은 세대의 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00116
)과 그리드에 판매한 전력량(
Figure 112019110775229-pat00117
)의 합으로 나타난다. In Equation 5, the total ESS discharge power (
Figure 112019110775229-pat00115
) is the household's power consumption (
Figure 112019110775229-pat00116
) and the amount of electricity sold to the grid (
Figure 112019110775229-pat00117
) as the sum of

유효 전력 흐름에 대한 평형 방정식은 수학식 6이며, 여기서 분기 uv(

Figure 112019110775229-pat00118
)에서 유효 전력 흐름은 소비자 v에서 노드 유효 전력(
Figure 112019110775229-pat00119
)과 노드 v에서 노드 w로의 유효 전력 흐름의 합과 관련되고, 여기서 w는 노드 v에 연결된 일련의 다운스트림 노드
Figure 112019110775229-pat00120
이다. The equilibrium equation for active power flow is Equation 6, where the branch uv(
Figure 112019110775229-pat00118
) from the active power flow at the consumer v to the node active power (
Figure 112019110775229-pat00119
) and the sum of the active power flows from node v to node w, where w is the set of downstream nodes connected to node v
Figure 112019110775229-pat00120
am.

노드 유효 전력(

Figure 112019110775229-pat00121
)은 수학식 7과 같이 순 전력 소비량과 그리드로의 순 전력 공급량과의 차이로 표현된다. Node active power (
Figure 112019110775229-pat00121
) is expressed as the difference between the net power consumption and the net power supply to the grid as shown in Equation 7.

수학식 8은 유효 전력 부하 소비량(

Figure 112019110775229-pat00122
)이 제어 가능한 부하의 유효 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00123
)과 제어 불가능한 노드의 유효 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00124
)의 합이라는 점을 나타낸다. Equation 8 is the active power load consumption (
Figure 112019110775229-pat00122
) is the active power consumption of this controllable load (
Figure 112019110775229-pat00123
) and the active power consumption of uncontrollable nodes (
Figure 112019110775229-pat00124
) is the sum of

수학식 9는 현재 시간 t에서의 ESS의 충전 상태가 이전 시간(t-1)의 충전 상태, 배터리 용량(

Figure 112019110775229-pat00125
), 충방전 효율(
Figure 112019110775229-pat00126
,
Figure 112019110775229-pat00127
) 및 소비자의 충방전 전력량(
Figure 112019110775229-pat00128
,
Figure 112019110775229-pat00129
)으로 표현된다는 점을 나타낸다. Equation 9 shows that the state of charge of the ESS at the current time t is the state of charge of the previous time (t-1), the battery capacity (
Figure 112019110775229-pat00125
), charge/discharge efficiency (
Figure 112019110775229-pat00126
,
Figure 112019110775229-pat00127
) and the consumer's charge/discharge power (
Figure 112019110775229-pat00128
,
Figure 112019110775229-pat00129
) is expressed as

수학식 10은 시간 t에서 에어컨의 온도 역학(

Figure 112019110775229-pat00130
)의 제약이고, 이는 시간 t-1에서의
Figure 112019110775229-pat00131
, 시간 t에서의 예측된 외부 온도(
Figure 112019110775229-pat00132
), 에어컨의 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00133
) 및 외부 온도 조건에 관한 환경 파라미터(
Figure 112019110775229-pat00134
)로 표현된다. Equation 10 is the temperature dynamics of the air conditioner at time t (
Figure 112019110775229-pat00130
), which is at time t-1
Figure 112019110775229-pat00131
, the predicted external temperature at time t (
Figure 112019110775229-pat00132
), the power consumption of the air conditioner (
Figure 112019110775229-pat00133
) and environmental parameters regarding external temperature conditions (
Figure 112019110775229-pat00134
) is expressed as

수학식 11 및 12는 그리드에서 또는 그리드로부터 전력 구매 및 판매가 동시에 일어나지 않는 것을 보장한다. Equations 11 and 12 ensure that the purchase and sale of power to or from the grid do not occur simultaneously.

수학식 13은 ESS에 대한 SOC의 용량 제약을 제공한다. Equation 13 provides the capacity constraint of the SOC for the ESS.

수학식 14와 15는 각각 ESS의 충전 전력(

Figure 112019110775229-pat00135
) 및 방전 전력(
Figure 112019110775229-pat00136
)에 관한 제약을 나타내며, 여기서,
Figure 112019110775229-pat00137
는 ESS의 충방전 상태를 결정하는 이진 변수를 나타낸다. Equations 14 and 15 are the charging power of the ESS (
Figure 112019110775229-pat00135
) and discharge power (
Figure 112019110775229-pat00136
) represents the constraint, where,
Figure 112019110775229-pat00137
represents a binary variable that determines the charge/discharge state of the ESS.

수학식 16은 이완 외부 온도 범위를 나타낸다. 수학식 16에서 이완 변수

Figure 112019110775229-pat00138
는 수학식 17에서
Figure 112019110775229-pat00139
에 의해 제한된다. Equation 16 represents the relaxation external temperature range. Relaxation variable in Equation 16
Figure 112019110775229-pat00138
is in Equation 17
Figure 112019110775229-pat00139
limited by

에어컨의 전력 소비 용량은 수학식 18에 기재된다. The power consumption capacity of the air conditioner is expressed in Equation (18).

위에서 언급 한 기존 HEMS 접근 방식은 실제 분배 시스템 파라미터들, 네트워크 토폴로지 및 i) 선로 임피던스(

Figure 112019110775229-pat00140
), ii) 불균형 분배 피더 및 전압 의존 부하 모델, iii) 무효 전력 소비 가전 제품 및 iv) DER 및 OLTC를 통한 전압 조정과 같은 동작 조건을 무시한다. The existing HEMS approach mentioned above depends on the actual distribution system parameters, network topology, and i) line impedance (
Figure 112019110775229-pat00140
), ii) unbalanced distribution feeders and voltage dependent load models, iii) reactive power consuming appliances, and iv) operating conditions such as voltage regulation via DER and OLTC.

이하에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 HEMS 최적화 방법을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a HEMS optimization method for solving this problem will be described in detail.

본 실시예에 따른 HEMS 최적화 알고리즘은 도 1과 동일한 네트워크 토폴로지를 갖는 3상 불평형 배전 네트워크(위상

Figure 112019110775229-pat00141
)에서 구체화된다. The HEMS optimization algorithm according to this embodiment is a three-phase unbalanced distribution network (phase
Figure 112019110775229-pat00141
) is specified in

본 실시예에 따른 HEMS 알고리즘에서 수학식 8을 제외한 나머지 식은 다음과 같이 표현된다. In the HEMS algorithm according to the present embodiment, the remaining equations except for Equation 8 are expressed as follows.

Figure 112019110775229-pat00142
Figure 112019110775229-pat00142

여기서,

Figure 112019110775229-pat00143
는 시간 t에 그리드로부터 TOU 기반으로 구입하는 가격,
Figure 112019110775229-pat00144
는 시간 t에서 위상
Figure 112019110775229-pat00145
에 대한 세대 u의 순 유효 전력 소비량,
Figure 112019110775229-pat00146
는 시간 t에 그리드로 TOU 기반으로 판매하는 가격,
Figure 112019110775229-pat00147
는 시간 t에서 위상
Figure 112019110775229-pat00148
에 대한 세대 u의 그리드 공급을 위한 순 유효 전력 소비량,
Figure 112019110775229-pat00149
는 위상
Figure 112019110775229-pat00150
에서 세대 u의 불편 비용에 대한 패널티 파라미터,
Figure 112019110775229-pat00151
Figure 112019110775229-pat00152
는 시간 t에서 위상
Figure 112019110775229-pat00153
에 대한 세대 u의 불편 비용(discomfort cost)이다. here,
Figure 112019110775229-pat00143
is the purchase price based on TOU from the grid at time t,
Figure 112019110775229-pat00144
is the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00145
net active power consumption of generation u for
Figure 112019110775229-pat00146
is the selling price based on TOU as a grid at time t,
Figure 112019110775229-pat00147
is the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00148
net active power consumption for grid supply of generation u for
Figure 112019110775229-pat00149
is the phase
Figure 112019110775229-pat00150
a penalty parameter for the inconvenience cost of generation u,
Figure 112019110775229-pat00151
Figure 112019110775229-pat00152
is the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00153
is the discomfort cost of generation u for .

Figure 112019110775229-pat00154
Figure 112019110775229-pat00154

Figure 112019110775229-pat00155
Figure 112019110775229-pat00155

Figure 112019110775229-pat00156
Figure 112019110775229-pat00156

Figure 112019110775229-pat00157
Figure 112019110775229-pat00157

수학식 20은 시간 t에서 위상

Figure 112019110775229-pat00158
에 대한 세대 u의 순 무효 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00159
)을 무효 부하 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00160
) 및 PV 및 ESS로부터 주입 또는 흡수된 무효 전력(
Figure 112019110775229-pat00161
,
Figure 112019110775229-pat00162
)의 관점에서 표현한 것이다. Equation 20 is the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00158
net reactive power consumption of generation u for (
Figure 112019110775229-pat00159
) to the reactive load power consumption (
Figure 112019110775229-pat00160
) and reactive power injected or absorbed from PV and ESS (
Figure 112019110775229-pat00161
,
Figure 112019110775229-pat00162
) is expressed in terms of

무효 전력 흐름의 평형 방정식은 수학식 21에 나타나며, 여기서, 분기 uv에서의 무효 전력 흐름(

Figure 112019110775229-pat00163
)은 소비자의 노드 무효 전력(
Figure 112019110775229-pat00164
)과 노드 v에서 노드 w로의 무효 전력 흐름의 합으로 표현된다. 여기서, w는 노드 v에 연결된 일련의 다운스트림
Figure 112019110775229-pat00165
에 존재한다. 수학식 22에서 노드 무효 전력(
Figure 112019110775229-pat00166
)은 순 무효 전력 소비량(
Figure 112019110775229-pat00167
)와 같다. The equilibrium equation of the reactive power flow is shown in Equation 21, where the reactive power flow at branch uv (
Figure 112019110775229-pat00163
) is the consumer's node reactive power (
Figure 112019110775229-pat00164
) and the reactive power flow from node v to node w. where w is the set of downstream connections connected to node v
Figure 112019110775229-pat00165
exists in In Equation 22, the node reactive power (
Figure 112019110775229-pat00166
) is the net reactive power consumption (
Figure 112019110775229-pat00167
) is the same as

수학식 23과 같이, 에어컨의 무효 전력 소비량은 이의 역률(

Figure 112019110775229-pat00168
) 및 유효 전력(
Figure 112019110775229-pat00169
)의 관점으로 표현된다. As in Equation 23, the reactive power consumption of the air conditioner is its power factor (
Figure 112019110775229-pat00168
) and active power (
Figure 112019110775229-pat00169
) is expressed in terms of

본 실시예에 따르면, 전압, 전류 및 선로 임피던스의 복소수 벡터와 행렬을

Figure 112019110775229-pat00170
,
Figure 112019110775229-pat00171
Figure 112019110775229-pat00172
Figure 112019110775229-pat00173
로 표기한다. According to this embodiment, a complex vector and matrix of voltage, current, and line impedance are
Figure 112019110775229-pat00170
,
Figure 112019110775229-pat00171
and
Figure 112019110775229-pat00172
Figure 112019110775229-pat00173
marked with

Kirchhoff의 전압 법칙

Figure 112019110775229-pat00174
와 함께 선형화 방법을 사용하여 세대 u와 v 사이의 전압 관계를 다음과 같이 쓸 수 있다.Kirchhoff's Voltage Law
Figure 112019110775229-pat00174
Using the linearization method with , the voltage relationship between generations u and v can be written as

Figure 112019110775229-pat00175
Figure 112019110775229-pat00175

여기서,

Figure 112019110775229-pat00176
는 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터이고,
Figure 112019110775229-pat00177
Figure 112019110775229-pat00178
Figure 112019110775229-pat00179
는 시간 t에서 선로 uv의 3상 유효 및 무효 선로 흐름이며,
Figure 112019110775229-pat00180
이다. here,
Figure 112019110775229-pat00176
is the square vector of the three-phase voltage magnitude of generation u at time t,
Figure 112019110775229-pat00177
Wow
Figure 112019110775229-pat00178
Figure 112019110775229-pat00179
is the three-phase valid and reactive line flow of line uv at time t,
Figure 112019110775229-pat00180
am.

여기서,

Figure 112019110775229-pat00181
는 요소별 곱셈(elementwise multiplication)이고,
Figure 112019110775229-pat00182
는 다음과 같이 정의된다. here,
Figure 112019110775229-pat00181
is elementwise multiplication,
Figure 112019110775229-pat00182
is defined as

Figure 112019110775229-pat00183
Figure 112019110775229-pat00183

Kirchhoff의 전압 법칙 및 McCormick Envelopes relaxation technique의 2개의 변수

Figure 112019110775229-pat00184
에 기초하여 본 실시예에 따른 시간 t에서 세대 u의 3상 유효 및 무효 부하에 대한 선형화된 전압 의존 모델은 다음과 같이 표현된다. Two variables of Kirchhoff's voltage law and McCormick Envelopes relaxation technique
Figure 112019110775229-pat00184
Based on the linearized voltage dependence model for the three-phase active and reactive loads of the generation u at time t according to the present embodiment is expressed as follows.

Figure 112019110775229-pat00185
Figure 112019110775229-pat00185

Figure 112019110775229-pat00186
Figure 112019110775229-pat00186

여기서,

Figure 112019110775229-pat00187
Figure 112019110775229-pat00188
에 대해,
Figure 112019110775229-pat00189
로 표현되고,
Figure 112019110775229-pat00190
Figure 112019110775229-pat00191
는 일정한 임피던스, 일정한 전류 및 일정한 유효 및 무효 전력에 대한 전력 부하의 백분율을 나타내는 계수의 셋이며,
Figure 112019110775229-pat00192
Figure 112019110775229-pat00193
방정식을 만족시키며,
Figure 112019110775229-pat00194
는 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터이다. here,
Figure 112019110775229-pat00187
Is
Figure 112019110775229-pat00188
About,
Figure 112019110775229-pat00189
is expressed as
Figure 112019110775229-pat00190
Wow
Figure 112019110775229-pat00191
is a set of coefficients representing the percentage of power load to constant impedance, constant current and constant active and reactive power,
Figure 112019110775229-pat00192
Wow
Figure 112019110775229-pat00193
satisfies the equation,
Figure 112019110775229-pat00194
is the square vector of the magnitude of the three-phase voltage of generation u at time t.

아래의 수학식 28 및 29는 공칭 유효 및 무효 부하 전력 소비량의 제한을 나타낸다. Equations 28 and 29 below represent the limits of nominal active and reactive load power consumption.

Figure 112019110775229-pat00195
Figure 112019110775229-pat00195

Figure 112019110775229-pat00196
Figure 112019110775229-pat00196

McCormick Envelopes relaxation에 따르면, 수학식 26 및 27에서 두 변수 벡터

Figure 112019110775229-pat00197
Figure 112019110775229-pat00198
는 다음에 의해 경계가 정해진다. According to McCormick Envelopes relaxation, two variable vectors in Equations 26 and 27
Figure 112019110775229-pat00197
Wow
Figure 112019110775229-pat00198
is delimited by

Figure 112019110775229-pat00199
Figure 112019110775229-pat00199

Figure 112019110775229-pat00200
Figure 112019110775229-pat00200

Figure 112019110775229-pat00201
Figure 112019110775229-pat00201

Figure 112019110775229-pat00202
Figure 112019110775229-pat00202

시간 t에서 세대 u에 대한 공칭 전압에서의 3 상 유효 및 무효 부하 소비는 제어 가능한 기기의 유효 및 무효 전력 소비량(

Figure 112019110775229-pat00203
,
Figure 112019110775229-pat00204
)의 관점에서 다음과 같이 표현된다. At time t, the three-phase active and reactive load consumption at nominal voltage for generation u is equal to the active and reactive power consumption of the controllable appliance (
Figure 112019110775229-pat00203
,
Figure 112019110775229-pat00204
) is expressed as follows.

Figure 112019110775229-pat00205
Figure 112019110775229-pat00205

Figure 112019110775229-pat00206
Figure 112019110775229-pat00206

아래의 수학식 36과 37은 PV 시스템과 ESS에 의해 공급되는 무효 전력의 용량 제한을 나타낸다. Equations 36 and 37 below represent capacity limits of reactive power supplied by the PV system and the ESS.

Figure 112019110775229-pat00207
Figure 112019110775229-pat00207

Figure 112019110775229-pat00208
Figure 112019110775229-pat00208

수학식 38은 세대 u의 전압 크기 제곱의 범위의 최소값(

Figure 112019110775229-pat00209
) 및 최대값(
Figure 112019110775229-pat00210
)을 나타낸다. Equation 38 is the minimum value of the range of the voltage magnitude squared of generation u (
Figure 112019110775229-pat00209
) and maximum (
Figure 112019110775229-pat00210
) is indicated.

Figure 112019110775229-pat00211
Figure 112019110775229-pat00211

수학식 39는 기준 노드 전압 크기의 제곱을 나타내며, 이는 공칭 전압 제곱의 크기

Figure 112019110775229-pat00212
와 OLTC 탭 위치에 의해 결정되는 OLTC 턴 비율의 제곱
Figure 112019110775229-pat00213
Figure 112019110775229-pat00214
의 곱으로 표현된다. Equation 39 represents the square of the magnitude of the reference node voltage, which is the magnitude of the square of the nominal voltage.
Figure 112019110775229-pat00212
and the square of the OLTC turn rate determined by the OLTC tap position
Figure 112019110775229-pat00213
Figure 112019110775229-pat00214
is expressed as the product of

Figure 112019110775229-pat00215
Figure 112019110775229-pat00215

수학식 39에서, OLTC 턴 비율

Figure 112019110775229-pat00216
의 제곱은 다음과 같이 유도된다. In Equation 39, the OLTC turn ratio
Figure 112019110775229-pat00216
The square of is derived as

Figure 112019110775229-pat00217
라 할때, 여기서,
Figure 112019110775229-pat00218
는 OLTC의 턴 비율 셋
Figure 112019110775229-pat00219
의 요소이고,
Figure 112019110775229-pat00220
는 OLTC 턴 비율에 상응하는 탭 위치 셋이고,
Figure 112019110775229-pat00221
는 상기한 셋에서 적절한 턴 비율을 결정하기 위해 사용된다.
Figure 112019110775229-pat00217
When saying, here,
Figure 112019110775229-pat00218
is the turn ratio of OLTC 3
Figure 112019110775229-pat00219
is an element of
Figure 112019110775229-pat00220
is the set of tap positions corresponding to the OLTC turn ratio,
Figure 112019110775229-pat00221
is used to determine the appropriate turn ratio in the set above.

OLTC는 공칭 전압에서 10% 범위에서 전압이 조절되는 것으로 가정하고, 각 탭 위치는 0.00625 p.u. 턴 비율 사이즈로 변경된다. OLTC assumes that the voltage is regulated over a range of 10% of the nominal voltage, with each tap position 0.00625 p.u. Changed to turn ratio size.

Figure 112019110775229-pat00222
및 이진 변수
Figure 112019110775229-pat00223
라 하면, OLTC 턴 비율의 제곱은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019110775229-pat00222
and binary variables
Figure 112019110775229-pat00223
Then, the square of the OLTC turn ratio can be expressed as follows.

Figure 112019110775229-pat00224
Figure 112019110775229-pat00224

본 실시예에 따른 3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 HEMS 최적화는 세대 내 또는 세대를 연결하는 선로 상에 설치되는 컴퓨팅 장치에서 수행될 수 있다. In the three-phase unbalanced low voltage distribution network according to the present embodiment, HEMS optimization may be performed in a computing device installed within a household or on a line connecting the households.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 최적화 장치는 프로세서(200) 및 메모리(202)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2 , the optimization apparatus according to the present embodiment may include a processor 200 and a memory 202 .

프로세서(200)는 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 CPU(central processing unit)나 그밖에 가상 머신 등을 포함할 수 있다. The processor 200 may include a central processing unit (CPU) capable of executing a computer program or other virtual machines.

메모리(202)는 고정식 하드 드라이브나 착탈식 저장 장치와 같은 불휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 저장 장치는 컴팩트 플래시 유닛, USB 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 메모리는 각종 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리도 포함할 수 있다.Memory 202 may include a non-volatile storage device such as a fixed hard drive or a removable storage device. The removable storage device may include a compact flash unit, a USB memory stick, and the like. The memory may also include volatile memory, such as various random access memories.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 메모리(202)에는 소정 동작을 위한 프로그램 명령어들이 저장되며, 본 실시예에 따른 프로그램 명령어들은, 3상 불평형 저전압 배전 네트워크로부터 전력을 공급 받는 복수의 세대 각각으로부터 전력 소비 데이터를 수집하고, HMES 최적화를 위해 스케줄링 기간 동안의 총 전기료 및 세대 불편 비용과 관련되며, 시간 t에서의 위상

Figure 112019110775229-pat00225
에 대한 목적함수를 구성하고, 상기 목적함수에 대해 무효 전력 제약 조건, 3상 선형 전압 제약 조건, 전압 의존 부하 모델, 태양광 발전(PV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 무효 전력, 전압 및 부하 시 탭 절환기 중 적어도 하나를 고려하여 상기 수집된 전력 소비 데이터로부터 가전 제품의 부하 감소 및 부하 쉬프팅을 위한 최적화 해를 계산할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, program instructions for a predetermined operation are stored in the memory 202, and the program instructions according to the present embodiment receive power from each of a plurality of households supplied with power from a three-phase unbalanced low voltage distribution network. Consumption data is collected and related to the total electricity cost and household inconvenience cost during the scheduling period for HMES optimization, and the phase at time t
Figure 112019110775229-pat00225
Construct an objective function for , and reactive power constraint, three-phase linear voltage constraint, voltage-dependent load model, reactive power, voltage and load of photovoltaic (PV) and energy storage system (ESS) for the objective function An optimization solution for load reduction and load shifting of household appliances may be calculated from the collected power consumption data in consideration of at least one of the time tap changers.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for the purpose of illustration, and various modifications, changes, and additions will be possible within the spirit and scope of the present invention by those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention, and such modifications, changes and additions should be regarded as belonging to the following claims.

Claims (5)

3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템(HEMS) 최적화 장치로서,
프로세서; 및
상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되,
상기 메모리는,
상기 3상 불평형 저전압 배전 네트워크로부터 전력을 공급 받는 복수의 세대 각각으로부터 전력 소비 데이터를 수집하고,
상기 HMES 최적화를 위해 스케줄링 기간 동안의 총 전기료 및 세대 불편 비용과 관련되며, 시간 t에서의 위상
Figure 112021112367209-pat00253
에 대한 목적함수를 구성하고,
상기 목적함수에 대해 무효 전력 제약 조건, 3상 선형 전압 제약 조건, 전압 의존 부하 모델, 태양광 발전(PV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 무효 전력, 전압 및 부하 시 탭 절환기를 고려하여 상기 수집된 전력 소비 데이터로부터 가전 제품의 부하 감소 및 부하 쉬프팅을 위한 최적화 해를 계산하도록,
상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하되,
상기 전압 의존 부하 모델은 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터, 시간 t에서 선로 uv의 3상 유효 및 무효 선로 흐름 및 선로 임피던스를 이용하여 정의되고,
상기 목적함수는 스케줄링 기간 (T)에 대해 다음과 같이 정의되고,
[수학식]
Figure 112021112367209-pat00227

여기서,
Figure 112021112367209-pat00228
는 시간 t에 그리드로부터 TOU 기반으로 구입하는 가격,
Figure 112021112367209-pat00229
는 시간 t에서 위상
Figure 112021112367209-pat00230
에 대한 세대 u의 순 유효 전력 소비량,
Figure 112021112367209-pat00231
는 시간 t에 그리드로 TOU 기반으로 판매하는 가격,
Figure 112021112367209-pat00232
는 시간 t에서 위상
Figure 112021112367209-pat00233
에 대한 세대 u의 그리드 공급을 위한 순 유효 전력 소비량,
Figure 112021112367209-pat00234
는 위상
Figure 112021112367209-pat00235
에서 세대 u의 불편 비용에 대한 패널티 파라미터,
Figure 112021112367209-pat00236
Figure 112021112367209-pat00237
는 시간 t에서 위상
Figure 112021112367209-pat00238
에 대한 세대 u의 불편 비용(discomfort cost)임
시간 t에서 세대 u의 3상 유효 및 무효 부하에 대한 다음과 같은 선형화된 전압 의존 모델을 고려한 홈 에너지 관리 시스템 최적화 장치.
[수학식]
Figure 112021112367209-pat00239

[수학식]
Figure 112021112367209-pat00240

여기서,
Figure 112021112367209-pat00241
Figure 112021112367209-pat00242
에 대해,
Figure 112021112367209-pat00243
로 표현되고,
Figure 112021112367209-pat00244
Figure 112021112367209-pat00245
는 일정한 임피던스, 일정한 전류 및 일정한 유효 및 무효 전력에 대한 전력 부하의 백분율을 나타내는 계수의 셋이며,
Figure 112021112367209-pat00246
Figure 112021112367209-pat00247
방정식을 만족시키며,
Figure 112021112367209-pat00248
는 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터임
A home energy management system (HEMS) optimizer in a three-phase unbalanced low voltage distribution network, comprising:
processor; and
a memory coupled to the processor;
The memory is
collecting power consumption data from each of a plurality of households receiving power from the three-phase unbalanced low voltage distribution network;
For the HMES optimization, related to the total electricity cost and household inconvenience cost during the scheduling period, the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00253
construct an objective function for
Reactive power constraint, three-phase linear voltage constraint, voltage-dependent load model, reactive power of photovoltaic (PV) and energy storage system (ESS), voltage and on-load tap-changer are taken into account for the objective function. To calculate an optimization solution for load reduction and load shifting of household appliances from the obtained power consumption data,
store program instructions executed by the processor,
The voltage dependent load model is defined using the square vector of the three-phase voltage magnitude of generation u at time t, three-phase effective and reactive line flow and line impedance of line uv at time t,
The objective function is defined as follows for the scheduling period (T),
[Equation]
Figure 112021112367209-pat00227

here,
Figure 112021112367209-pat00228
is the purchase price based on TOU from the grid at time t,
Figure 112021112367209-pat00229
is the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00230
net active power consumption of generation u for
Figure 112021112367209-pat00231
is the selling price based on TOU as a grid at time t,
Figure 112021112367209-pat00232
is the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00233
net active power consumption for grid supply of generation u for
Figure 112021112367209-pat00234
is the phase
Figure 112021112367209-pat00235
a penalty parameter for the inconvenience cost of generation u,
Figure 112021112367209-pat00236
Figure 112021112367209-pat00237
is the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00238
is the inconvenience cost of generation u for
Home energy management system optimizer considering the following linearized voltage dependence model for three-phase active and reactive loads of generation u at time t.
[Equation]
Figure 112021112367209-pat00239

[Equation]
Figure 112021112367209-pat00240

here,
Figure 112021112367209-pat00241
Is
Figure 112021112367209-pat00242
About,
Figure 112021112367209-pat00243
is expressed as
Figure 112021112367209-pat00244
Wow
Figure 112021112367209-pat00245
is a set of coefficients representing the percentage of power load to constant impedance, constant current and constant active and reactive power,
Figure 112021112367209-pat00246
Wow
Figure 112021112367209-pat00247
satisfies the equation,
Figure 112021112367209-pat00248
is the square vector of the magnitude of the three-phase voltage of generation u at time t
삭제delete 삭제delete 삭제delete 프로세서 및 메모리를 포함하는 장치에서 수행하는 3상 불평형 저전압 배전 네트워크에서 홈 에너지 관리 시스템(HEMS) 최적화 방법으로서,
상기 3상 불평형 저전압 배전 네트워크로부터 전력을 공급 받는 복수의 세대 각각으로부터 전력 소비 데이터를 수집하는 단계;
상기 HMES 최적화를 위해 스케줄링 기간 동안의 총 전기료 및 세대 불편 비용과 관련되며, 시간 t에서의 위상
Figure 112021112367209-pat00254
에 대한 목적함수를 구성하는 단계; 및
상기 목적함수에 대해 무효 전력 제약 조건, 3상 선형 전압 제약 조건, 전압 의존 부하 모델, 태양광 발전(PV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 무효 전력, 전압 및 부하 시 탭 절환기를 고려하여 상기 수집된 전력 소비 데이터로부터 가전 제품의 부하 감소 및 부하 쉬프팅을 위한 최적화 해를 계산하는 단계를 포함하되,
상기 전압 의존 부하 모델은 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터, 시간 t에서 선로 uv의 3상 유효 및 무효 선로 흐름 및 선로 임피던스를 이용하여 정의되고,
상기 목적함수는 스케줄링 기간 (T)에 대해 다음과 같이 정의되고,
[수학식]
Figure 112021112367209-pat00255

여기서,
Figure 112021112367209-pat00256
는 시간 t에 그리드로부터 TOU 기반으로 구입하는 가격,
Figure 112021112367209-pat00257
는 시간 t에서 위상
Figure 112021112367209-pat00258
에 대한 세대 u의 순 유효 전력 소비량,
Figure 112021112367209-pat00259
는 시간 t에 그리드로 TOU 기반으로 판매하는 가격,
Figure 112021112367209-pat00260
는 시간 t에서 위상
Figure 112021112367209-pat00261
에 대한 세대 u의 그리드 공급을 위한 순 유효 전력 소비량,
Figure 112021112367209-pat00262
는 위상
Figure 112021112367209-pat00263
에서 세대 u의 불편 비용에 대한 패널티 파라미터,
Figure 112021112367209-pat00264
Figure 112021112367209-pat00265
는 시간 t에서 위상
Figure 112021112367209-pat00266
에 대한 세대 u의 불편 비용(discomfort cost)임
시간 t에서 세대 u의 3상 유효 및 무효 부하에 대한 다음과 같은 선형화된 전압 의존 모델을 고려한 홈 에너지 관리 시스템 최적화 방법.
[수학식]
Figure 112021112367209-pat00267

[수학식]
Figure 112021112367209-pat00268

여기서,
Figure 112021112367209-pat00269
Figure 112021112367209-pat00270
에 대해,
Figure 112021112367209-pat00271
로 표현되고,
Figure 112021112367209-pat00272
Figure 112021112367209-pat00273
는 일정한 임피던스, 일정한 전류 및 일정한 유효 및 무효 전력에 대한 전력 부하의 백분율을 나타내는 계수의 셋이며,
Figure 112021112367209-pat00274
Figure 112021112367209-pat00275
방정식을 만족시키며,
Figure 112021112367209-pat00276
는 시간 t에서 세대 u의 3상 전압 크기의 제곱 벡터임
A method for optimizing a home energy management system (HEMS) in a three-phase unbalanced low voltage distribution network performed in a device comprising a processor and a memory, the method comprising:
collecting power consumption data from each of a plurality of households receiving power from the three-phase unbalanced low voltage distribution network;
For the HMES optimization, related to the total electricity cost and household inconvenience cost during the scheduling period, the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00254
constructing an objective function for and
Reactive power constraint, three-phase linear voltage constraint, voltage dependent load model, reactive power of photovoltaic (PV) and energy storage system (ESS), voltage and on-load tap-changer are taken into account for the objective function. calculating an optimization solution for load reduction and load shifting of household appliances from the obtained power consumption data,
The voltage dependent load model is defined using the square vector of the three-phase voltage magnitude of generation u at time t, three-phase effective and reactive line flow and line impedance of line uv at time t,
The objective function is defined as follows for the scheduling period (T),
[Equation]
Figure 112021112367209-pat00255

here,
Figure 112021112367209-pat00256
is the purchase price based on TOU from the grid at time t,
Figure 112021112367209-pat00257
is the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00258
net active power consumption of generation u for
Figure 112021112367209-pat00259
is the selling price based on TOU as a grid at time t,
Figure 112021112367209-pat00260
is the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00261
net active power consumption for grid supply of generation u for
Figure 112021112367209-pat00262
is the phase
Figure 112021112367209-pat00263
a penalty parameter for the inconvenience cost of generation u,
Figure 112021112367209-pat00264
Figure 112021112367209-pat00265
is the phase at time t
Figure 112021112367209-pat00266
is the inconvenience cost of generation u for
Home energy management system optimization method considering the following linearized voltage dependence model for three-phase active and reactive loads of generation u at time t.
[Equation]
Figure 112021112367209-pat00267

[Equation]
Figure 112021112367209-pat00268

here,
Figure 112021112367209-pat00269
Is
Figure 112021112367209-pat00270
About,
Figure 112021112367209-pat00271
is expressed as
Figure 112021112367209-pat00272
Wow
Figure 112021112367209-pat00273
is a set of coefficients representing the percentage of power load to constant impedance, constant current and constant active and reactive power,
Figure 112021112367209-pat00274
Wow
Figure 112021112367209-pat00275
satisfies the equation,
Figure 112021112367209-pat00276
is the square vector of the magnitude of the three-phase voltage of generation u at time t
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X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant