Συμβολή στην ανάπτυξη κατανεμημένων αλγορίθμων για τον έλεγχο και τη λειτουργία ευφυών δικτύων διανομής

Abstract

Modern power networks face major challenges and newly posed problems for whichalternative solutions are examined, driven by smart grid technologies. However, the rapid increase of networked intelligent electronic devices and data volume in Active Distribution Networks lead the way for the investigation of innovative solutions that would achieve efficient and robust control by dispersing the solution of the centralized problem at the level of each elementary control unit, ensuring at the same time the data privacy of the users. This thesis aims at developing and investigating distributed techniques for the operation and control of Smart Distribution Grids. These methods require the exchange of informationonly between adjacent nodes (peers) and achieve the optimal solution withoutthe need for central coordination. Initially, an overview of the most common distributed optimization models is given, together with a detailed literature review of the studies related to the proposed methods. First, the problem of Economic Dispatch for Distributed Generation (DG) units is tackled, for which the Local Replicator Equation model is employed. The basic algorithm integratesthe technical limits of the units and the generation-demand equality constraintand is thereafter extended to optimality take into account the active power losses. Itachieves this by calculating in a distributed way the Loss Penalty Factors of the DG units. Afterwards, the problem of single-phase load flow is examined. A distributed methodology is developed which is based on the Newton-Raphson algorithm in combination with a distributed protocol for calculating the correction values of voltages and angles. The method exploits an important property of the Jacobian matrix of the power flow equations. The same property is used for reaching a distributed solution for the problem of voltage control which is formulated as a distributed optimization problem that aims at minimizing the active and reactive injections of the grid’s controllable resources, that will alleviate any voltage violations. The method uses a gradient descent algorithm and an optimizationmethod that performs the inversion of the Jacobian matrix of the power flow equations in a distributed manner. The accuracy and the effectiveness of each developed method, is investigated and evaluated through a series of simulation scenarios, first in simplified distribution grids with a few nodes and then in larger networks. In the final chapter the applicability of blockchain technologies, to smart grid problems is investigated, by identifying their potential benefits and limitations. Specific categories of energy related problems are considered particularly relevant for handling them with blockchain technologies. In this direction, two scenarios of decentralized applications are designed and implemented, the first one pertaining to the automation of the electricity supply and the second one to the facilitation of decentralized energy markets in the context of energy communities.

Tα σύγχρονα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις και πρωτόγνωρα προβλήματα, για τα οποία αναζητούνται εναλλακτικές λύσεις μέσα από τις καινοτόμες τεχνολογίες των ευφυών δικτύων. Ωστόσο, η ραγδαία αύξηση της «νοημοσύνης» και του όγκου των δεδομένων στα ευφυή δίκτυα οδήγησε στην διερεύνηση τεχνικών ελέγχου, οι οποίες θα μπορούν να επιτύχουν αποδοτικό και στιβαρό έλεγχο διαφυλάσσοντας την ιδιωτικότητα των χρηστών και κατανέμοντας την επίλυση του εκάστοτε προβλήματος από ένα κεντρικό σημείο, στο επίπεδο κάθε στοιχειώδους μονάδας ελέγχου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη και διερεύνηση κατανεμημένων τεχνικών για τη λειτουργία και τον έλεγχο του ευφυούς Δικτύου Διανομής, οι οποίες θααπαιτούν ανταλλαγή πληροφοριών μόνο μεταξύ γειτονικών (ομότιμων) κόμβων του συστήματος και θα επιτυγχάνουν τη βέλτιστη λύση του προβλήματος απόφασης, χωρίς τη ανάγκη κεντρικού συντονισμού. Αρχικά, πραγματοποιείται μια εποπτική ταξινόμηση μοντέλων κατανεμημένης βελτιστοποίησης και στη συνέχεια αναλυτική βιβλιογραφική ανασκόπηση των σχετικών με τις προτεινόμενες μεθόδους μελετών. Πρώτα, αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της Οικονομικής Κατανομής Φορτίου για μονάδες Διεσπαρμένης Παραγωγής, για την επίλυση του οποίου χρησιμοποιείται το μοντέλο Τοπικών Εξισώσεων Κλωνωτή. Η βασική μέθοδος ενσωματώνει τα τεχνικά όρια των μονάδων και τον εξισωτικό περιορισμό κάλυψης φορτίου και στη συνέχεια επεκτείνεται προκειμένου να λαμβάνει υπόψη τις απώλειες ενεργού ισχύος μέσω του κατανεμημένου υπολογισμού των Συντελεστών Ποινής Απωλειών κάθε μονάδας. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται μεθοδολογία η οποία επιλύει κατανεμημένα το πρόβλημα τηςροής φορτίου για μονοφασικά δίκτυα. Η μέθοδος βασίζεται στον αλγόριθμο Newton-Raphson σε συνδυασμό με ένα κατανεμημένο πρωτόκολλο για τον υπολογισμό των διορθώσεων τάσης και γωνίας. Η μέθοδος εκμεταλλεύεται μια σημαντική ιδιότητα της Ιακωβιανής μήτρας των εξισώσεων ροής φορτίου. Αξιοποιώντας την ίδια ιδιότητα μελετάται και το πρόβλημα της ρύθμισης τάσης, το οποίο διατυπώνεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης για την εύρεση των ελάχιστων εγχύσεων ενεργού και αέργου ισχύος από τους ελεγχόμενους πόρους του ευφυούς ΔΔ με σκοπό την αντιμετώπιση των παραβιάσεων τάσης. Η μέθοδος χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο κατάβασης βαθμίδας σε συνδυασμό με μια μέθοδο κυρτής βελτιστοποίησης που επιλύει κατανεμημένα την αντιστροφή της Ιακωβιανής των εξισώσεων ροής φορτίου του δικτύου. Η ακρίβεια και η αποτελεσματικότητα κάθε προτεινόμενης μεθόδου διερευνάται και αξιολογείται με μια σειρά σεναρίων προσομοίωσης, πρώτα σε απλοποιημένα δίκτυα διανομήςλίγων κόμβων και στη συνέχεια σε μεγαλύτερα, πρότυπα δίκτυα. Στο τελευταίο κεφάλαιο, διερευνάται η δυνατότητα χρήσης τεχνολογιών κατανεμημένωνμητρώων (blockchain) για την αντιμετώπιση προβλημάτων ευφυών δικτύων, αναγνωρίζοντας τις δυνατότητες και τους περιορισμούς που αυτές εμφανίζουν. Προτείνεται η επίλυση συγκεκριμένων κατηγοριών προβλημάτων και σε αυτήν την κατεύθυνση σχεδιάζονται και υλοποιούνται δύο σενάρια αποκεντρωμένων εφαρμογών, ένα για την αυτοματοποίηση της προμήθειας ηλεκτρικής ενέργειας και ένα για την λειτουργία αποκεντρωμένης αγοράς ενέργειας στα πλαίσια των ενεργειακών κοινοτήτων.