Optimization of energy-constrained resources in radial distribution networks with solar PV

The research objective of the proposed dissertation is to make best use of available distributed energy resources to meet dynamic market opportunities while accounting for AC physics of unbalanced distribution networks and the uncertainty of distributed solar photovoltaics (PV). With ever increasing levels of renewable generation, distribution system operations must shift from a mindset of static unidirectional power flows to dynamic, unpredictable bidirectional flows. To manage this variability, distributed energy resources (DERs; e.g.,solar PV inverters, inverter-based batteries, electric vehicles, water heaters, A/Cs) need to be coordinated for reliable and resilient operation. This introduces the challenge of coordinating such resources at scale and within confines of the existing distribution system. It also becomes important to develop efficient and accurate models of the distribution system to achieve desired operating objectives such as tracking a market reference, reduction in operation cost or voltage regulation. This work surveys, discusses the challenges and proposes solutions to the modeling and optimization of realistic distribution systems with significant penetration of renewables and controllable DERs, including energy storage. To contain this increase in system complexity as result of the large number of controllable DERs available, the distribution system has to be adapted from a passive Volt-Var focused operator to a more active manager of resources. To approach this challenge, in this work, we propose two main approaches. The first is a utility centric approach, where the utility controls the dispatch of flexible resources based on solving an optimization problem. This approach would require the utility to have all the network and resource data and also the control over customer devices. Another approach is a more aggregator centric approach, where an aggregator is an entity that represents an aggregation of many diverse DERs or a Virtual Battery (VB). In this approach, it is the role of the aggregator to dispatch DERs, whereas the utility provides certain bounds and limits (calculated offline), which the aggregator (which dispatches resources in real-time) must operate under. The benefits of such an approach lie in improved data-privacy and real-time dispatch. We present simulation results validating the proposed methods on various standard IEEE and realistic distribution feeders

Environmental analysis for application layer networks

Die zunehmende Vernetzung von Rechnern über das Internet lies die Vision von Application Layer Netzwerken aufkommen. Sie umfassen Overlay Netzwerke wie beispielsweise Peer-to-Peer Netzwerke und Grid Infrastrukturen unter Verwendung des TCP/IP Protokolls. Ihre gemeinsame Eigenschaft ist die redundante, verteilte Bereitstellung und der Zugang zu Daten-, Rechen- und Anwendungsdiensten, während sie die Heterogenität der Infrastruktur vor dem Nutzer verbergen. In dieser Arbeit werden die Anforderungen, die diese Netzwerke an ökonomische Allokationsmechanismen stellen, untersucht. Die Analyse erfolgt anhand eines Marktanalyseprozesses für einen zentralen Auktionsmechanismus und einen katallaktischen Markt. --Grid Computing

Urban Systems Modeling

The eight papers included in this volume attempt to address a number of current urban modeling issues. Some contributions focus on problems found on the interface between urban planning and urban modeling, while others propose more efficient computational algorithms. Still other papers take a critical view on methods and approaches which have so far been dominant in the field. On the substantive side, the topics vary from urban transportation systems to housing allocation, the urban environment and general planning theory. The diversity of topics represents an essential condition for further progress to be achieved in urban modeling

Traffic prediction and bilevel network design

Cette thèse porte sur la modélisation du trafic dans les réseaux routiers et comment celle-ci est intégrée dans des modèles d'optimisation. Ces deux sujets ont évolué de manière plutôt disjointe: le trafic est prédit par des modèles mathématiques de plus en plus complexes, mais ce progrès n'a pas été incorporé dans les modèles de design de réseau dans lesquels les usagers de la route jouent un rôle crucial. Le but de cet ouvrage est d'intégrer des modèles d'utilités aléatoires calibrés avec de vraies données dans certains modèles biniveaux d'optimisation et ce, par une décomposition de Benders efficace. Cette décomposition particulière s'avère être généralisable par rapport à une grande classe de problèmes communs dans la litérature et permet d'en résoudre des exemples de grande taille. Le premier article présente une méthodologie générale pour utiliser des données GPS d'une flotte de véhicules afin d'estimer les paramètres d'un modèle de demande dit recursive logit. Les traces GPS sont d'abord associées aux liens d'un réseau à l'aide d'un algorithme tenant compte de plusieurs facteurs. Les chemins formés par ces suites de liens et leurs caractéristiques sont utilisés afin d'estimer les paramètres d'un modèle de choix. Ces paramètres représentent la perception qu'ont les usagers de chacune de ces caractéristiques par rapport au choix de leur chemin. Les données utilisées dans cet article proviennent des véhicules appartenant à plusieurs compagnies de transport opérant principalement dans la région de Montréal. Le deuxième article aborde l'intégration d'un modèle de choix de chemin avec utilités aléatoires dans une nouvelle formulation biniveau pour le problème de capture de flot de trafic. Le modèle proposé permet de représenter différents comportements des usagers par rapport à leur choix de chemin en définissant les utilités d'arcs appropriées. Ces utilités sont stochastiques ce qui contribue d'autant plus à capturer un comportement réaliste des usagers. Le modèle biniveau est rendu linéaire à travers l'ajout d'un terme lagrangien basé sur la dualité forte et ceci mène à une décomposition de Benders particulièrement efficace. Les expériences numériques sont principalement menés sur un réseau représentant la ville de Winnipeg ce qui démontre la possibilité de résoudre des problèmes de taille relativement grande. Le troisième article démontre que l'approche du second article peut s'appliquer à une forme particulière de modèles biniveaux qui comprennent plusieurs problèmes différents. La décomposition est d'abord présentée dans un cadre général, puis dans un contexte où le second niveau du modèle biniveau est un problème de plus courts chemins. Afin d'établir que ce contexte inclut plusieurs applications, deux applications distinctes sont adaptées à la forme requise: le transport de matières dangeureuses et la capture de flot de trafic déterministe. Une troisième application, la conception et l'établissement de prix de réseau simultanés, est aussi présentée de manière similaire à l'Annexe B de cette thèse.The subject of this thesis is the modeling of traffic in road networks and its integration in optimization models. In the literature, these two topics have to a large extent evolved independently: traffic is predicted more accurately by increasingly complex mathematical models, but this progress has not been incorporated in network design models where road users play a crucial role. The goal of this work is to integrate random utility models calibrated with real data into bilevel optimization models through an efficient Benders decomposition. This particular decomposition generalizes to a wide class of problems commonly found in the literature and can be used to solved large-scale instances. The first article presents a general methodology to use GPS data gathered from a fleet of vehicles to estimate the parameters of a recursive logit demand model. The GPS traces are first matched to the arcs of a network through an algorithm taking into account various factors. The paths resulting from these sequences of arcs, along with their characteristics, are used to estimate parameters of a choice model. The parameters represent users' perception of each of these characteristics in regards to their path choice behaviour. The data used in this article comes from trucks used by a number of transportation companies operating mainly in the Montreal region. The second article addresses the integration of a random utility maximization model in a new bilevel formulation for the general flow capture problem. The proposed model allows for a representation of different user behaviors in regards to their path choice by defining appropriate arc utilities. These arc utilities are stochastic which further contributes in capturing real user behavior. This bilevel model is linearized through the inclusion of a Lagrangian term based on strong duality which paves the way for a particularly efficient Benders decomposition. The numerical experiments are mostly conducted on a network representing the city of Winnipeg which demonstrates the ability to solve problems of a relatively large size. The third article illustrates how the approach used in the second article can be generalized to a particular form of bilevel models which encompasses many different problems. The decomposition is first presented in a general setting and subsequently in a context where the lower level of the bilevel model is a shortest path problem. In order to demonstrate that this form is general, two distinct applications are adapted to fit the required form: hazmat transportation network design and general flow capture. A third application, joint network design and pricing, is also similarly explored in Appendix B of this thesis