Demand side management in smart electricity networks

Abstract

Η Διδακτορική Διατριβή του Γεωργίου Τσαούσογλου έχει τίτλο «Διαχείριση Ζήτησης σε Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας: Αλγοριθμικές, Οικονομικές και Παιγνιοθεωρητικές πτυχές της ενεργού συμμετοχής των χρηστών», με επιβλέποντα τον καθηγητή Εμμανουήλ Βαρβαρίγο. Η βασική συνεισφορά της διατριβής αφορά την αντιμετώπιση προβλημάτων στρατηγικής συμπεριφοράς από μεμονωμένους ευφυείς πράκτορες και το σχεδιασμό μηχανισμών που επιτυγχάνουν τον αποδοτικό συντονισμό πολλών πρακτόρων. Στη συνέχεια ακολουθεί ανάλυση της δομής της Διδακτορικής Διατριβής.Στο πρώτο εισαγωγικό κεφάλαιο παρουσιάζονται οι σύγχρονες κατευθύνσεις των Έξυπνων Δικτύων Ενέργειας και περιγράφονται οι ανάγκες και οι στόχοι των τεχνικών Διαχείρισης Ζήτησης. Περιγράφεται επίσης η Αρχιτεκτονική ενός επικοινωνιακού δικτύου που περιλαμβάνει έξυπνες συσκευές, έξυπνους μετρητές και συστήματα διαχείρισης αποφάσεων για οικιακά συστήματα ενέργειας. Τέλος, επισημαίνεται το πρόβλημα της στρατηγικής συμπεριφοράς ευφυών πρακτόρων και παρουσιάζεται μια εισαγωγή στη θεωρία σχεδιασμού μηχανισμών στο πλαίσιο της οποίας μοντελοποιούνται και αντιμετωπλιζονται τέτοιου είδους προβλήματα. Το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής ασχολείται με μηχανισμούς διαχείρισης ζήτησης σε πραγματικό χρόνο. Παρουσιάζονται τα μοντέλα που περιγράφουν ένα τέτοιο σύστημα καθώς και οι επιθυμητές ιδιότητες ενός μηχανισμού διαχείρισης ζήτησης. Αυτές αφορούν στην αποδοτικότητα, ασφάλεια απέναντι σε στρατηγικούς παίκτες, ταχύτητα σύγκλισης σε ισορροπία και διατήρησης της ασφάλειας των προσωπικών δεδομένων των χρηστών. Στη συνέχεια προτείνεται ο μηχανισμός «Modified Clinching Auction» ο οποίος είναι ο πρώτος στη βιβλιογραφία των συστημάτων διαχείρισης ζήτησης που επιτυγχάνει βέλτιστη ικανοποίηση των τεσσάρων επιθυμητών ιδιοτήτων που περιγράφηκαν. Οι ιδιότητες του μηχανισμού αποδεικνύονται θεωρητικά ενώ παρουσιάζονται και αποτελέσματα που προέκυψαν από προσομοιώσεις σε περιβάλλον Matlab, τα οποία επιβεβαιώνουν τα θεωρητικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος του δευτέρου κεφαλαίου γίνεται εκτενής αναφορά στο ζήτημα της δίκαιης κατανομής των υπηρεσιών ανά τους συμμετέχοντες πράκτορες. Περιγράφεται η μέχρι τώρα βιβλιογραφία και προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος τιμολόγησης υπηρεσιών διαχείρισης ζήτησης. Παρουσιάζεται η απόδειξη σύγκλισης του αλγορίθμου στην ισορροπία Nash και μελετώνται οι ιδιότητες του σημείου ισορροπίας. Τέλος, ο αλγόριθμος υλοποιείται σε περιβάλλον Matlab, και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοιώσεων που αφορούν στο δείκτη της δίκαιης τιμολόγησης υπηρεσιών και δείχνουν τη σημαντική βελτίωση που πετυχαίνει σε σχέση με τη βιβλιογραφία Στο τρίτο κεφάλαιο της διατριβής μελετάται η περίπτωση χρονοπρογραμματισμού φορτίων από την προηγούμενη ημέρα μέσω δυναμικής τιμολόγησης. Παρουσιάζονται οι συνήθεις μέθοδοι της βιβλιογραφίας και εντοπίζεται το πρόβλημα της ικανοποίησης καθολικών περιορισμών χωρίς να παραβιάζεται η ιδιότητα της οικονομικής ισορροπίας του συστήματος. Στη συνέχεια, σχεδιάζεται ένας νέος μηχανισμός και αποδεικνύεται η σύγκλισή του σε ισορροπία Nash μέσω της τεχνικής των παιγνίων δυναμικού (potential games). Αποδεικνύονται επίσης ιδιότητες του μηχανισμού που αφορούν στην οικονομική ισορροπία του συστήματος. Ο μηχανισμός ολοκληρώνεται από έναν αλγόριθμο simulated annealing που βρίσκει τη βέλτιστη τιμή παραμέτρων του μηχανισμού έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η ικανοποίηση των καθολικών περιορισμών. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοιώσεων που έγιναν σε περιβάλλον Matlab και επιβεβαιώνουν τις παραπάνω ιδιότητες. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου περιγράφεται το πρόβλημα της εξασφάλισης της υλοποίησης των συμφωνηθέντων υπηρεσιών κατά το χρόνο εκτέλεσης. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάζεται μία πολιτική τιμολόγησης που αποτρέπει τους χρήστες από το να παρεκκλίνουν από τον προγραμματισμό του σημείου ισορροπίας. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πολιτικής στη συμπεριφορά των ευφυών πρακτόρων και μελετώνται για διάφορες τιμές των παραμέτρων της πολιτικής. Οι προσομοιώσεις έγιναν σε περιβάλλον Python. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο, συνοψίζονται οι συνεισφορές της διατριβής και προτείνονται κατευθύνσεις για περαιτέρω έρευνα και προέκτασή της.