Energy management and consumer modeling in smart grid systems

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες, η ενεργειακή αποδοτικότητα αποτελεί μείζον ερευνητικό θέμα, καθώς οι ενεργειακές απαιτήσεις των σύγχρονων κοινωνιών αυξάνονται συνεχώς. Οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί στην βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας του εκμοντερνισμένου δικτύου ισχύος, δηλαδή του έξυπνου δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο έχει εξελιχθεί σε ένα πολυσύνθετο οικοσύστημα με διάφορους παράγοντες/φορείς όπως καταναλωτές, φορείς εκμετάλλευσης (διαχειριστές) και παραγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας οι οποίοι έχουν διαφορετικούς ενεργούς ρόλους στο σύστημα. Έχουν επίσης επικεντρωθεί στην βελτιστοποίηση της ενεργειακής αποδοτικότητας των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνιών (ΤΠΕ), οι οποίες αποτελούν απαραίτητη προϋπόθεση για την ανάπτυξη αποδοτικών έξυπνων δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, η εξέλιξη βασικών τεχνολογίων, όπως η αποθήκευση ενέργειας, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας(ΑΠΕ), η επικοινωνία και ο έλεγχος, άνοιξε τον δρόμο σε νέες ερευνητικές κατευθύνσεις. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, παρουσιάζουμε μερικά καίρια ερευνητικά προβλήματα στο πλαίσιο αυτής της ερευνητικής περιοχής, και διερευνούμε τη χρήση μεθόδων ελέγχου και βελτιστοποίησης για την προσέγγιση τους. Συγκεκριμένα, στόχος μας είναι να αντιμετωπίσουμε α) προκλήσεις σε επίπεδο συστήματος που αφορούν την ενσωμάτωση αποθηκών ενέργειας και ΑΠΕ στο έξυπνο δικτύο ηλεκτρικής ενέργειας και β) προκλήσεις που σχετίζονται με τον ίδιο καταναλωτή. Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, όπως η αδιάλειπτη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος (UPS) ή οι μπαταρίες, και τα επαναφορτιζόμενα υβριδικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα (PHEVs), είναι πρωταρχικοί πόροι για την βελτιστοποίηση της αποτελεσματικότητας του έξυπνου δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίοι πρέπει να ενσωματωθούν και να διαχειρισθούν κατάλληλα σε συστήματα έξυπνων δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετούμε δύο θεμελιώδη προβλήματα που αφορούν την διαχείριση και διαστασιολόγηση αποθηκών ενέργειας σε έξυπνα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, αρχικά,παρουσιάζουμε το πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου αποθήκευσης ενέργειας που αντιμετωπίζει ένας προμηθευτής ενέργειας, το οποίο αφορά την λήψη αποφάσεων σχετικά με το πότε και πόσο να φορτίσει και να αποφορτίσει μια συσκευή αποθήκευσης έτσι ώστε να επιτύχει έναν συγκεκριμένο αντικειμενικό σκοπό βελτιστοποίησης σε όρους κόστους παραγωγής ενέργειας. Επιλύουμε το παραπάνω πρόβλημα, αρχικά για μία μοναδική συσκευή αποθήκευσης και έπειτα για πολλαπλές συσκευές αποθήκευσης οι οποίες χρησιμοποιούνται από κοινού από πολλαπλά μικρο-δικτύα. Ο αντικειμενικός στόχος του προβλήματος μας οδηγεί σε πολιτικές που προσπαθούν να διατηρήσουν μια ισορροπημένη κατανάλωση ισχύος στο δίκτυο ανά πάσα στιγμή. Έπειτα, μελετούμε ένα πρόβλημα τοποθέτησης, διαστασιολόγησης και διαχείρισης αποθηκών ενέργειας με δεδομένο ένα διαθέσιμο μπάτζετ αποθήκευσης, όπου ο στόχος είναι να ελαχιστοποιηθεί το κόστος παραγωγής ενέργειας. Μας ενδιαφέρει ο τρόπος με τον οποίο η τοποθέτηση και ο έλεγχος της χωρητικότητας αποθήκευσης επηρεάζουν το συνολικό κόστος παραγωγής ενέργειας. Η πολιτική που προκύπτει από την επίλυση του προβλήματος εμπλέκει διάφορες παραμέτρους όπως τα προφίλ ζήτησης των καταναλωτών, και περιορισμούς ροής και ισορροπίας ισχύος. Οι ΑΠΕ βασίζονται κυρίως σε ενέργεια που ρέει φυσικά μέσω του περιβάλλοντος σε συνεχή αλλά χρονικά μεταβαλλόμενη βάση, και τα τελευταία χρόνια έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον λόγω της σημαντικής τους προοπτικής να μειώσουν το αποτύπωμα άνθρακα. Στην παρούσα διατριβή, μελετούμε τη χρήση ΑΠΕ και τεχνικών χρονοπρογραμματισμού με στόχο την μείωση του αποτυπώματος άνθρακα που προκαλείται από ένα σύστημα ΤΠΕ, συγκεκριμένα, από το πρόγραμμα ανίχνευσης παγκόσμιου ιστού μιας μηχανής διαδικτυακής αναζήτησης. Αυτό το πρόγραμμα ανακαλύπτει και κατεβάζει νέες ιστοσελίδες του παγκόσμιου ιστού καθώς επίσης, ανανεώνει σελίδες που έχουν κατεβεί προηγουμένως στον αποθηκευτικό χώρο του ιστού (web repository). Eισάγουμε το πρόβλημα της πράσινης (οικολογικής) ανίχνευσης παγκόσμιου ιστού, όπου αντικειμενικός σκοπός είναι να αναπτύξουμε μια πολιτική ανανέωσης σελίδων η οποία να διατηρεί τις ιστοσελίδες όσο το δυνατόν περισσότερο ανανεωμένες και τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, που η διαδικασία ανίχνευσης ιστού προκαλεί σε απομακρυσμένους διακομιστές διαδικτύου, αρκετά χαμηλές. Εξάγουμε μια βέλτιστη πολιτική η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε πραγματικό χρόνο βασιζόμενη μόνο στον τύπο της ενέργειας που καταναλώνεται από τους διακομιστές διαδικτύου και στην παλαιότητα των σελίδων που βρίσκονται στον αποθηκευτικό χώρο του ιστού. Αναπτύσσουμε επίσης ευριστικές πολιτικές έχοντας ως πρότυπο την βέλτιστη πολιτική και μελετούμε την απόδοση τους μέσω πειραμάτων με πραγματικά δεδομένα. Οι δραστηριότητες διαχείρισης ζήτησης για το έξυπνο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας έχουν ως στόχο να μειώσουν ή να εξομαλύνουν την κατανάλωση ενέργειας παρέχοντας στους καταναλωτές δυναμικές τιμές ή κίνητρα υπό την μορφή χρηματικών ή μη χρηματικών ανταμοιβών. Διάφορες τεχνικές διαχείρισης ζήτησης έχουν προταθεί, ωστόσο, ένα βασικό θέμα στον σχεδιασμό και στην λειτουργία τους είναι η στρατολόγηση των χρηστών. Ο σχεδιασμός σοβαρών παιγνίων είναι μια αναδυόμενη περιοχή που μπορεί να αντιμετωπίσει με ακρίβεια το ζήτημα της μεγιστοποίησης της συμμετοχής των χρηστών σε διάφορα πλαίσια. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, συζητούμε την χρήση των σοβαρών παιγνίων στο ζήτημα της διαχείρησης της ζήτησης στα έξυπνα ηλεκτρικά δίκτυα. Εισάγουμε το πρόβλημα του βέλτιστου σχεδιασμού σοβαρών παιγνίων έχοντας ως στόχο την επιβολή συνετής κατανάλωσης ενέργειας. Παρουσιάζουμε ένα μαθηματικό μοντέλο ενός απλού μηχανισμού παιχνιδοποίησης μέσω του οποίου ένας σχεδιαστής σοβαρού παιγνίου (π.χ. μια οντότητα διαχείρισης ζήτησης) επιδιώκει να παρακινήσει τους καταναλωτές να μειώσουν την ενεργειακή τους κατανάλωση σε ώρες αιχμής (υψηλής ζήτησης) στήνοντας έναν διαγωνισμό και παρέχοντας τους κίνητρα στο πλαίσιο ενός σοβαρού παιγνίου. Ο σχεδιαστής επιλέγει βέλτιστα τις παραμέτρους του παιγνίου έτσι ώστε οι επιλογές των καταναλωτών, οι οποίες μεγιστοποιούν την χρησιμότητα/όφελος των καταναλωτών, να ελαχιστοποιούν το κόστος παραγωγής ενέργειας του προμηθευτή ενέργειας.Τέλος, οι περισσότερες προτεινόμενες στρατηγικές διαχείρισης ζήτησης υποθέτουν ότι οι καταναλωτές λαμβάνουν αποφάσεις ορθολογικά και ότι επιλέγουν τις δράσεις τους λύνοντας πολύπλοκα προβλήματα βελτιστοποίησης. Ωστόσο, οι καταναλωτές είναι άνθρωποι και οι αποφάσεις τους, οι οποίες οδηγούνται από διάφορους παράγοντες, απέχουν πολύ από τη λογική. Προς αυτή την κατεύθυνση, συζητούμε τον ρόλο των δεδομένων στο χτίσιμο μοντέλων που βασίζονται στην ανθρώπινη συμπεριφορά, τα οποία χρησιμοποιούνται για την δημιουργία προφίλ των καταναλωτών ενέργειας και την πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους σε προγράμματα διαχείρησης ζήτησης και σε καμπάνιες/εκστρατείες μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας. Στόχος μας είναι να ανακαλύψουμε μέσω αυτών των μοντέλων τους διαφορετικούς παράγοντες που καθορίζουν τις πράξεις/δράσεις των καταναλωτών και την διαφορετική βαρύτητα που δίνεται σε αυτούς. Παρουσιάζουμε δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για την μοντελοποίηση των καταναλωτών, οι οποίες έχουν ως γνώμονα τα δεδομένα και βασίζονται σε ένα δημοφιλές εργαλείο μηχανικής μάθησης και σε ένα γνωσιακό ευριστικό μοντέλο. Δείχνουμε ότι και οι δύο προσεγγίσεις επιτυγχάνουν στο να συλλάβουν την διαφορετική βαρύτητα/σημασία που ο κάθε καταναλωτής δίνει στους διαφορετικούς παράγοντες και την αβεβαιότητα στις πράξεις των καταναλωτών. Εισάγουμε επίσης το πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής κινήτρων και εργασιών μείωσης φορτίου που αντιμετωπίζει ο σχεδιαστής μιας καμπάνιας μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας. Στόχος του σχεδιαστή είναι να κατευθύνει εργασίες και κίνητρα κατάλληλα βάσει των διαφορετικών προφίλ των καταναλωτών, έτσι ώστε να εκπληρώσει βέλτιστα τον σκοπό της καμπάνιας.