Information models and systems for next generation energy markets

Abstract

The power grid is considered to be the most complex machine built by humanity. This system is currently experiencing a major transition. This transition has to face the increasing needs for energy in combination with the pressing problem of climate change. The main object of this dissertation is to exploit the ways in which, active participation, both from demand and supply side, in energy markets can result in power and economic stability. This PhD thesis is about exploiting recent developments in Power Grids, Data Analytics, Game Theory, Internet of Things and Blockchain to design and develop a prototype system that incorporates the following desirable characteristics:1) Incorporates business logic into devices for participation in open energy markets without intermediaries, such as for devices consuming energy in residential houses and distributed energy sources both connected in a smart grid.2) Provides, through machine learning, intelligence to these devices required for market efficiency and stability.3) Enables market decentralization by designing effective consensus algorithms tailored to the needs of the power grid.4)Integrates power and economic stability considering both physical laws, ruling the power grid and social abilities, of the market participants.The information models and systems designed and implemented in this work are tested in large scale experiments, simulating power girds with distributed generation with high penetration of renewable energy sources and active demand that responds to pricing signals.

Το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας θεωρείται το πιο πολύπλοκο σύστημα που έχει κατασκευαστεί από την ανθρωπότητα. Αυτό το σύστημα βιώνει σήμερα μια σημαντική μετάβαση. Μέσω αυτής της μετάβασης πρέπει αντιμετωπιστεί η αυξανόμενη ανάγκη για ενέργεια σε συνδυασμό με το πιεστικό πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής. Ο κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι να αξιοποιήσει τους τρόπους με τους οποίους η ενεργός συμμετοχή, τόσο από πλευράς ζήτησης όσο και από πλευράς προσφοράς, στις αγορές ενέργειας μπορεί να οδηγήσει σε ενεργειακή και οικονομική ισορροπία.Αυτή η διδακτορική διατριβή αφορά στην αξιοποίηση των πρόσφατων εξελίξεων στα Δίκτυα Ηλεκτρικής Ενέργειας, την Ανάλυση Δεδομένων, τη Θεωρία Παιγνίων, το Διαδίκτυο των πραγμάτων και της τεχνολογίας του Blockchain για να σχεδιάσει και να αναπτύξει ένα πρωτότυπο σύστημα που ενσωματώνει τα ακόλουθα επιθυμητά χαρακτηριστικά:1)Ενσωματώνει την επιχειρησιακή λογική σε συσκευές για συμμετοχή σε ανοικτές αγορές ενέργειας χωρίς μεσάζοντες, όπως για συσκευές που καταναλώνουν ενέργεια σε κατοικίες και κατανεμημένες πηγές ενέργειας που συνδέονται σε ένα έξυπνο δίκτυο.2)Παρέχει, μέσω της μηχανικής μάθησης, πληροφορίες για αυτές τις συσκευές που απαιτούνται για την αποτελεσματικότητα και τη σταθερότητα της αγοράς.3)Επιτρέπει την αποκέντρωση της αγοράς σχεδιάζοντας αποτελεσματικούς αλγόριθμους συναίνεσης προσαρμοσμένους στις ανάγκες του ηλεκτρικού δικτύου.4)Ενσωματώνει την ενεργειακή και την οικονομική σταθερότητα όσον αφορά τόσο τους φυσικούς νόμους, που ορίζουν την λειτουργία του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας όσο και τις κοινωνικές δυνατότητες των συμμετεχόντων στην αγορά.Τα πληροφοριακά μοντέλα και συστήματα που σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία δοκιμάζονται με πειράματα μεγάλης κλίμακας, τα οποία προσομοιώνουν ηλεκτρικά δίκτυα με κατανεμημένη παραγωγή, υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ενεργή ζήτηση που ανταποκρίνεται σε σήματα τιμής.