배전계통 혼잡 환경에서 분산전원 경제성 향상을 위한 이중 계층 최적화 기반 출력제한 기법 = Bilevel Optimization-Based Output Curtailment for Improving the Economics of Distributed Energy Resources under Distribution System Congestion

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Distributed Energy Resources (DERs), such as renewable energy sources for carbon neutrality, are being increasingly integrated into distribution networks at a large scale. While DERs offer significant environmental benefits, their inherent variability increases the complexity of distribution system operation and leads to growing challenges such as voltage fluctuations, reverse power flows, and line congestion. To address these issues, conventional distribution system operation has relied on curtailment commands issued by the Distribution System Operator (DSO) to regulate DER generation. Although this approach is effective in ensuring system security and stability, it has limitations in adequately guaranteeing the economic performance of DER operators. In particular, curtailment strategies based on single OPF formulations are effective in alleviating network congestion but primarily focus on minimizing DSO operating costs, without explicitly considering the revenue of DER operators.
This paper proposes a bi-level optimization–based DER scheduling method that simultaneously considers the perspectives of the DSO, whose objective is to minimize operating costs under network congestion conditions, and DER operators, whose objective is to maximize revenue through power generation. The upper level is formulated as the DSO, and the lower level is formulated as the DER operators, enabling the simultaneous modeling of both stakeholders’ objectives. Furthermore, to integrate the conflicting objectives of the two levels into a unified optimization framework, the lower-level optimization problem is reformulated as a set of upper-level constraints using a Lagrangian-based Karush–Kuhn–Tucker (KKT) conditions. The proposed bi-level optimization– based DER scheduling framework provides a practical distribution system operation strategy that simultaneously ensures system stability and improves DER economic performance.

국문 초록 (Abstract)

탄소 중립을 위한 신재생에너지원 등의 분산전원(Distributed Energy Resource, DER)이 배전계통에 대규모로 연계되고 있다. 이러한 DER은 친환경적이라는 장점 이 있지만, DER의 변동성으로 인해 배전계통 운영의 복잡성이 커지고, 전압 변동, 역조류, 선로 혼잡과 같은 계통 문제가 점점 커지고 있다. 기존의 배전계통 운영 방 식은 이러한 문제를 해결하기 위해 배전계통운영자가(Distribution System Operator, DSO) 출력제한(Curtailment) 명령을 통해 DER의 발전량을 제어하였다. 이는 계통의 안전과 안정성을 확보하는데는 효과적이지만, DER 사업자의 경제성을 충분히 보장하지 못한다는 한계가 있다. 특히, 단일 OPF 기반의 출력제한 명령은 전력계통에 혼잡을 완화하는데는 효과가 있지만, DSO 중심의 운영 비용 최소화에 초점을 두고 있어, DER 사업자의 수익을 고려하지는 않는다. 본 논문에서는 전력계통 혼잡 상황에서 운영 비용을 최소화를 목표로 하는 DSO 와 발전량을 통해 수익최대화를 목표로 하는 DER 사업자의 입장을 동시에 고려할 수 있는 이중 계층 최적화 기반의 DER 스케줄링 기법을 제안한다. 상위 레벨을 DSO, 하위 레벨을 DER로 구성하였으며, 두 계층의 입장을 동시에 고려하여 모델 링한다. 또한, 두 계층의 상충되는 목적을 하나의 최적화 프레임워크 내에서 통합하 기 위해, 하위 레벨의 최적화 문제를 라그랑주 함수 기반 KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 조건을 활용하여 상위 레벨 제약식으로 변환한다. 본 연구는 제안한 이중 계층 최적화 기반 DER 스케줄링 기법을 사용하여 계통 안정성 과 DER 경제성을 동시에 고려할 수 있는 실질적인 배전계통 운영 방안을 제시한 다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 논문의 구성 및 개요 2
• Ⅱ. OPF 알고리즘 분석 및 구현 4
• 2.1 OPF 분석 4
• 2.2 이중 계층 최적화 기법 10
• Ⅲ. 이중 계층 최적화 기반 분산전원 스케줄링 13
• 3.1 이중 계층 최적화 문제의 수학적 모델 13
• 3.2 라그랑주 함수 모델링 및 KKT 조건 15
• Ⅳ. 사례 연구 및 결과 분석 18
• 4.1 시뮬레이션 설정 19
• 4.2 사례 연구 23
• 4.3 사례 연구 결과 분석 39
• V. 결론 41
• 참고문헌 43
• Abtract 46