Optimization of Aggregators Energy Resources considering Local Markets and Electric Vehicle Penetration

O sector elétrico tem vindo a evoluir ao longo do tempo. Esta situação deve-se ao facto de surgirem novas metodologias para lidarem com a elevada penetração dos recursos energéticos distribuídos (RED), principalmente veículos elétricos (VEs). Neste caso, a gestão dos recursos energéticos tornou-se mais proeminente devido aos avanços tecnológicos que estão a ocorrer, principalmente no contexto das redes inteligentes. Este facto torna-se importante, devido à incerteza decorrente deste tipo de recursos. Para resolver problemas que envolvem variabilidade, os métodos baseados na inteligência computacional estão a se tornar os mais adequados devido à sua fácil implementação e baixo esforço computacional, mais precisamente para o caso tratado na tese, algoritmos de computação evolucionária (CE). Este tipo de algoritmo tenta imitar o comportamento observado na natureza. Ao contrário dos métodos determinísticos, a CEé tolerante à incerteza; ou seja, é adequado para resolver problemas relacionados com os sistemas energéticos. Estes sistemas são geralmente de grandes dimensões, com um número crescente de variáveis e restrições. Aqui a IC permite obter uma solução quase ótima em tempo computacional aceitável com baixos requisitos de memória. O principal objetivo deste trabalho foi propor um modelo para a programação dos recursos energéticos dos recursos dedicados para o contexto intradiário, para a hora seguinte, partindo inicialmente da programação feita para o dia seguinte, ou seja, 24 horas para o dia seguinte. Esta programação é feita por cada agregador (no total cinco) através de meta-heurísticas, com o objetivo de minimizar os custos ou maximizar os lucros. Estes agregadores estão inseridos numa cidade inteligente com uma rede de distribuição de 13 barramentos com elevada penetração de RED, principalmente energia renovável e VEs (2000 VEs são considerados nas simulações). Para modelar a incerteza associada ao RED e aos preços de mercado, vários cenários são gerados através da simulação de Monte Carlo usando as funções de distribuição de probabilidade de erros de previsão, neste caso a função de distribuição normal para o dia seguinte. No que toca à incerteza no modelo para a hora seguinte, múltiplos cenários são gerados a partir do cenário com maior probabilidade do dia seguinte. Neste trabalho, os mercados locais de eletricidade são também utilizados como estratégia para satisfazer a equação do balanço energético onde os agregadores vão para vender o excesso de energia ou comprar para satisfazer o consumo. Múltiplas metaheurísticas de última geração são usadas para fazer este escalonamento, nomeadamente Differential Evolution (DE), Hybrid-Adaptive DE with Decay function (HyDE-DF), DE with Estimation of Distribution Algorithm (DEEDA), Cellular Univariate Marginal Distribution Algorithm with Normal-Cauchy Distribution (CUMDANCauchy++), Hill Climbing to Ring Cellular Encode-Decode UMDA (HC2RCEDUMDA). Os resultados mostram que o modelo proposto é eficaz para os múltiplos agregadores com variações de custo na sua maioria abaixo dos 5% em relação ao dia seguinte, exceto para o agregador e de VEs. É também aplicado um teste Wilcoxon para comparar o desempenho do algoritmo CUMDANCauchy++ com as restantes meta-heurísticas. O CUMDANCauchy++ mostra resultados competitivos tendo melhor performance que todos os algoritmos para todos os agregadores exceto o DEEDA que apresenta resultados semelhantes. Uma estratégia de aversão ao risco é implementada para um agregador no contexto do dia seguinte para se obter uma solução mais segura e robusta. Os resultados mostram um aumento de quase 4% no investimento, mas uma redução de até 14% para o custo dos piores cenários.The electrical sector has been evolving. This situation is because new methodologies emerge to deal with the high penetration of distributed energy resources (DER), mainly electric vehicles (EVs). In this case, energy resource management has become increasingly prominent due to the technological advances that are taking place, mainly in the context of smart grids. This factor becomes essential due to the uncertainty of this type of resource. To solve problems involving variability, methods based on computational intelligence (CI) are becoming the most suitable because of their easy implementation and low computational effort, more precisely for the case treated in this thesis, evolutionary computation (EC) algorithms. This type of algorithm tries to mimic behavior observed in nature. Unlike deterministic methods, the EC is tolerant of uncertainty, and thus it is suitable for solving problems related to energy systems. These systems are usually of high dimensions, with an increased number of variables and restrictions. Here the CI allows obtaining a near-optimal solution in good computational time with low memory requirements. This work's main objective is to propose a model for the energy resource scheduling of the dedicated resources for the intraday context, for the our-ahead, starting initially from the scheduling done for the day ahead, that is, 24 hours for the next day. This scheduling is done by each aggregator (in total five) through metaheuristics to minimize the costs or maximize the profits. These aggregators are inserted in a smart city with a distribution network of 13 buses with a high penetration of DER, mainly renewable energy and EVs (2000 EVs are considered in the simulations). Several scenarios are generated through Monte Carlo Simulation using the forecast errors' probability distribution functions, the normal distribution function for the day-ahead to model the uncertainty associated with DER and market prices. Multiple scenarios are developed through the highest probability scenario from the day-ahead when it comes to intraday uncertainty. In this work, local electricity markets are used as a mechanism to satisfy the energy balance equation where each aggregator can sell the excess of energy or buy more to meet the demand. Several recent and modern metaheuristics are used to solve the proposed problems in the thesis, namely Differential Evolution (DE), Hybrid-Adaptive DE with Decay function (HyDE-DF), DE with Estimation of Distribution Algorithm (DEEDA), Cellular Univariate Marginal Distribution Algorithm with NormalCauchy Distribution (CUMDANCauchy++), Hill Climbing to Ring Cellular Encode-Decode UMDA (HC2RCEDUMDA). Results show that the proposed model is effective for the multiple aggregators. The metaheuristics present satisfactory results and mostly less than 5% variation in costs from the day-ahead except for the EV aggregator. A Wilcoxon test is also applied to compare the performance of the CUMDANCauchy++ algorithm with the remaining metaheuristics. CUMDANCauchy++ shows competitive results beating all algorithms in all aggregators except for DEEDA, which presents similar results. A risk aversion strategy is implemented for an aggregator in the day-ahead context to get a safer and more robust solution. Results show an increase of nearly 4% in day-ahead cost but a reduction of up to 14% of worst scenario cost

Decision support for participation in electricity markets considering the transaction of services and electricity at the local level

[EN] The growing concerns regarding the lack of fossil fuels, their costs, and their impact on the environment have led governmental institutions to launch energy policies that promote the increasing installation of technologies that use renewable energy sources to generate energy. The increasing penetration of renewable energy sources brings a great fluctuation on the generation side, which strongly affects the power and energy system management. The control of this system is moving from hierarchical and central to a smart and distributed approach. The system operators are nowadays starting to consider the final end users (consumers and prosumers) as a part of the solution in power system operation activities. In this sense, the end-users are changing their behavior from passive to active players. The role of aggregators is essential in order to empower the end-users, also contributing to those behavior changes. Although in several countries aggregators are legally recognized as an entity of the power and energy system, its role being mainly centered on representing end-users in wholesale market participation. This work contributes to the advancement of the state-of-the-art with models that enable the active involvement of the end-users in electricity markets in order to become key participants in the management of power and energy systems. Aggregators are expected to play an essential role in these models, making the connection between the residential end-users, electricity markets, and network operators. Thus, this work focuses on providing solutions to a wide variety of challenges faced by aggregators. The main results of this work include the developed models to enable consumers and prosumers participation in electricity markets and power and energy systems management. The proposed decision support models consider demand-side management applications, local electricity market models, electricity portfolio management, and local ancillary services. The proposed models are validated through case studies based on real data. The used scenarios allow a comprehensive validation of the models from different perspectives, namely end-users, aggregators, and network operators. The considered case studies were carefully selected to demonstrate the characteristics of each model, and to demonstrate how each of them contributes to answering the research questions defined to this work.[ES] La creciente preocupación por la escasez de combustibles fósiles, sus costos y su impacto en el medio ambiente ha llevado a las instituciones gubernamentales a lanzar políticas energéticas que promuevan la creciente instalación de tecnologías que utilizan fuentes de energía renovables para generar energía. La creciente penetración de las fuentes de energía renovable trae consigo una gran fluctuación en el lado de la generación, lo que afecta fuertemente la gestión del sistema de potencia y energía. El control de este sistema está pasando de un enfoque jerárquico y central a un enfoque inteligente y distribuido. Actualmente, los operadores del sistema están comenzando a considerar a los usuarios finales (consumidores y prosumidores) como parte de la solución en las actividades de operación del sistema eléctrico. En este sentido, los usuarios finales están cambiando su comportamiento de jugadores pasivos a jugadores activos. El papel de los agregadores es esencial para empoderar a los usuarios finales, contribuyendo también a esos cambios de comportamiento. Aunque en varios países los agregadores están legalmente reconocidos como una entidad del sistema eléctrico y energético, su papel se centra principalmente en representar a los usuarios finales en la participación del mercado mayorista. Este trabajo contribuye al avance del estado del arte con modelos que permiten la participación activa de los usuarios finales en los mercados eléctricos para convertirse en participantes clave en la gestión de los sistemas de potencia y energía. Se espera que los agregadores desempeñen un papel esencial en estos modelos, haciendo la conexión entre los usuarios finales residenciales, los mercados de electricidad y los operadores de red. Por lo tanto, este trabajo se enfoca en brindar soluciones a una amplia variedad de desafíos que enfrentan los agregadores. Los principales resultados de este trabajo incluyen los modelos desarrollados para permitir la participación de los consumidores y prosumidores en los mercados eléctricos y la gestión de los sistemas de potencia y energía. Los modelos de soporte de decisiones propuestos consideran aplicaciones de gestión del lado de la demanda, modelos de mercado eléctrico local, gestión de cartera de electricidad y servicios auxiliares locales. Los modelos propuestos son validan mediante estudios de casos basados en datos reales. Los escenarios utilizados permiten una validación integral de los modelos desde diferentes perspectivas, a saber, usuarios finales, agregadores y operadores de red. Los casos de estudio considerados fueron cuidadosamente seleccionados para demostrar las características de cada modelo y demostrar cómo cada uno de ellos contribuye a responder las preguntas de investigación definidas para este trabajo

How to trade electricity flexibility using artificial intelligence - An integrated algorithmic framework

In course of the energy transition, the growing share of Renewable Energy Sources (RES) makes electricity generation more decentralized and intermittent. This increases the relevance of exploiting flexibility potentials that help balancing intermittent RES supply and demand and, thus, contribute to overall system resilience. Digital technologies, in the form of automated trading algorithms, may considerably contribute to flexibility exploitation, as they enable faster and more accurate market interactions. In this paper, we develop an integrated algorithmic framework that finds an optimal trading strategy for flexibility on multiple markets. Hence, our work supports the trading of flexibility in a multi-market environment that results in enhanced market integration and harmonization of economically traded and physically delivered electricity, which finally promotes resilience in highly complex electricity systems

Optimal energy management of a microgrid system

Mestrado de dupla diplomação com École Superieure en Sciences AppliquéesA smart management strategy for the energy ows circulating in microgrids is necessary to economically manage local production and consumption while maintaining the balance between supply and demand. Finding the optimum set-points of the various generators and the best scheduling of the microgrid generators can lead to moderate and judicious use of the powers available in the microgrid. This thesis aims to apply an energy management system based on optimization algorithms to ensure the optimal control of microgrids by taking as main purpose the minimization of the energy costs and reduction of the gas emissions rate responsible for greenhouse gases. Two approaches have been proposed to nd the optimal operating setpoints. The rst one is based on a uni-objective optimization approach in which several energy management systems are implemented for three case studies. This rst approach treats the optimization problem in a uni-objective way where the two functions price and gas emission are treated separately through optimization algorithms. In this approach the used methods are simplex method, particle swarm optimization, genetic algorithm and a hybrid method (LPPSO). The second situation is based on a multiobjective optimization approach that deals with the optimization of the two functions: cost and gas emission simultaneously, the optimization algorithm used for this purpose is Pareto-search. The resulting Pareto optimal points represent di erent scheduling scenarios of the microgrid system.Uma estrat egia de gest~ao inteligente dos uxos de energia que circulam numa microrrede e necess aria para gerir economicamente a produ c~ao e o consumo local, mantendo o equil brio entre a oferta e a procura. Encontrar a melhor programa c~ao dos geradores de microrrede pode levar a uma utiliza c~ao moderada e criteriosa das pot^encias dispon veis na microrrede. Esta tese visa desenvolver um sistema de gest~ao de energia baseado em algoritmos de otimiza c~ao para assegurar o controlo otimo das microrredes, tendo como objetivo principal a minimiza c~ao dos custos energ eticos e a redu c~ao da taxa de emiss~ao de gases respons aveis pelo com efeito de estufa. Foram propostas duas estrat egias para encontrar o escalonamento otimo para funcionamento. A primeira baseia-se numa abordagem de otimiza c~ao uni-objetivo no qual v arios sistemas de gest~ao de energia s~ao implementados para tr^es casos de estudo. Neste caso o problema de otimiza c~ao e baseado na fun c~ao pre co e na fun c~ao emiss~ao de gases. Os m etodos de otimiza c~ao utilizados foram: algoritmo simplex, algoritmos gen eticos, particle swarm optimization e m etodo h brido (LP-PSO). A segunda situa c~ao baseia-se numa abordagem de otimiza c~ao multi-objetivo que trata a otimiza c~ao das duas fun c~oes: custo e emiss~ao de gases em simult^aneo. O algoritmo de otimiza c~ao utilizado para este m foi a Procura de Pareto. Os pontos otimos de Pareto resultantes representam diferentes cen arios de programa c~ao do sistema de microrrede

Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users

[EN] The electricity sector is currently undergoing a process of liberalization and separation of roles, which is being implemented under the regulatory auspices of each Member State of the European Union and, therefore, with different speeds, perspectives and objectives that must converge on a common horizon, where Europe will benefit from an interconnected energy market in which producers and consumers can participate in free competition. This process of liberalization and separation of roles involves two consequences or, viewed another way, entails a major consequence from which other immediate consequence, as a necessity, is derived. The main consequence is the increased complexity in the management and supervision of a system, the electrical, increasingly interconnected and participatory, with connection of distributed energy sources, much of them from renewable sources, at different voltage levels and with different generation capacity at any point in the network. From this situation the other consequence is derived, which is the need to communicate information between agents, reliably, safely and quickly, and that this information is analyzed in the most effective way possible, to form part of the processes of decision taking that improve the observability and controllability of a system which is increasing in complexity and number of agents involved. With the evolution of Information and Communication Technologies (ICT), and the investments both in improving existing measurement and communications infrastructure, and taking the measurement and actuation capacity to a greater number of points in medium and low voltage networks, the availability of data that informs of the state of the network is increasingly higher and more complete. All these systems are part of the so-called Smart Grids, or intelligent networks of the future, a future which is not so far. One such source of information comes from the energy consumption of customers, measured on a regular basis (every hour, half hour or quarter-hour) and sent to the Distribution System Operators from the Smart Meters making use of Advanced Metering Infrastructure (AMI). This way, there is an increasingly amount of information on the energy consumption of customers, being stored in Big Data systems. This growing source of information demands specialized techniques which can take benefit from it, extracting a useful and summarized knowledge from it. This thesis deals with the use of this information of energy consumption from Smart Meters, in particular on the application of data mining techniques to obtain temporal patterns that characterize the users of electrical energy, grouping them according to these patterns in a small number of groups or clusters, that allow evaluating how users consume energy, both during the day and during a sequence of days, allowing to assess trends and predict future scenarios. For this, the current techniques are studied and, proving that the current works do not cover this objective, clustering or dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users are developed. These techniques are tested and validated on a database of hourly energy consumption values for a sample of residential customers in Spain during years 2008 and 2009. The results allow to observe both the characterization in consumption patterns of the different types of residential energy consumers, and their evolution over time, and to assess, for example, how the regulatory changes that occurred in Spain in the electricity sector during those years influenced in the temporal patterns of energy consumption.[ES] El sector eléctrico se halla actualmente sometido a un proceso de liberalización y separación de roles, que está siendo aplicado bajo los auspicios regulatorios de cada Estado Miembro de la Unión Europea y, por tanto, con distintas velocidades, perspectivas y objetivos que deben confluir en un horizonte común, en donde Europa se beneficiará de un mercado energético interconectado, en el cual productores y consumidores podrán participar en libre competencia. Este proceso de liberalización y separación de roles conlleva dos consecuencias o, visto de otra manera, conlleva una consecuencia principal de la cual se deriva, como necesidad, otra consecuencia inmediata. La consecuencia principal es el aumento de la complejidad en la gestión y supervisión de un sistema, el eléctrico, cada vez más interconectado y participativo, con conexión de fuentes distribuidas de energía, muchas de ellas de origen renovable, a distintos niveles de tensión y con distinta capacidad de generación, en cualquier punto de la red. De esta situación se deriva la otra consecuencia, que es la necesidad de comunicar información entre los distintos agentes, de forma fiable, segura y rápida, y que esta información sea analizada de la forma más eficaz posible, para que forme parte de los procesos de toma de decisiones que mejoran la observabilidad y controlabilidad de un sistema cada vez más complejo y con más agentes involucrados. Con el avance de las Tecnologías de Información y Comunicaciones (TIC), y las inversiones tanto en mejora de la infraestructura existente de medida y comunicaciones, como en llevar la obtención de medidas y la capacidad de actuación a un mayor número de puntos en redes de media y baja tensión, la disponibilidad de datos sobre el estado de la red es cada vez mayor y más completa. Todos estos sistemas forman parte de las llamadas Smart Grids, o redes inteligentes del futuro, un futuro ya no tan lejano. Una de estas fuentes de información proviene de los consumos energéticos de los clientes, medidos de forma periódica (cada hora, media hora o cuarto de hora) y enviados hacia las Distribuidoras desde los contadores inteligentes o Smart Meters, mediante infraestructura avanzada de medida o Advanced Metering Infrastructure (AMI). De esta forma, cada vez se tiene una mayor cantidad de información sobre los consumos energéticos de los clientes, almacenada en sistemas de Big Data. Esta cada vez mayor fuente de información demanda técnicas especializadas que sepan aprovecharla, extrayendo un conocimiento útil y resumido de la misma. La presente Tesis doctoral versa sobre el uso de esta información de consumos energéticos de los contadores inteligentes, en concreto sobre la aplicación de técnicas de minería de datos (data mining) para obtener patrones temporales que caractericen a los usuarios de energía eléctrica, agrupándolos según estos mismos patrones en un número reducido de grupos o clusters, que permiten evaluar la forma en que los usuarios consumen la energía, tanto a lo largo del día como durante una secuencia de días, permitiendo evaluar tendencias y predecir escenarios futuros. Para ello se estudian las técnicas actuales y, comprobando que los trabajos actuales no cubren este objetivo, se desarrollan técnicas de clustering o segmentación dinámica aplicadas a curvas de carga de consumo eléctrico diario de clientes domésticos. Estas técnicas se prueban y validan sobre una base de datos de consumos energéticos horarios de una muestra de clientes residenciales en España durante los años 2008 y 2009. Los resultados permiten observar tanto la caracterización en consumos de los distintos tipos de consumidores energéticos residenciales, como su evolución en el tiempo, y permiten evaluar, por ejemplo, cómo influenciaron en los patrones temporales de consumos los cambios regulatorios que se produjeron en España en el sector eléctrico durante esos años.[CA] El sector elèctric es troba actualment sotmès a un procés de liberalització i separació de rols, que s'està aplicant davall els auspicis reguladors de cada estat membre de la Unió Europea i, per tant, amb distintes velocitats, perspectives i objectius que han de confluir en un horitzó comú, on Europa es beneficiarà d'un mercat energètic interconnectat, en el qual productors i consumidors podran participar en lliure competència. Aquest procés de liberalització i separació de rols comporta dues conseqüències o, vist d'una altra manera, comporta una conseqüència principal de la qual es deriva, com a necessitat, una altra conseqüència immediata. La conseqüència principal és l'augment de la complexitat en la gestió i supervisió d'un sistema, l'elèctric, cada vegada més interconnectat i participatiu, amb connexió de fonts distribuïdes d'energia, moltes d'aquestes d'origen renovable, a distints nivells de tensió i amb distinta capacitat de generació, en qualsevol punt de la xarxa. D'aquesta situació es deriva l'altra conseqüència, que és la necessitat de comunicar informació entre els distints agents, de forma fiable, segura i ràpida, i que aquesta informació siga analitzada de la manera més eficaç possible, perquè forme part dels processos de presa de decisions que milloren l'observabilitat i controlabilitat d'un sistema cada vegada més complex i amb més agents involucrats. Amb l'avanç de les tecnologies de la informació i les comunicacions (TIC), i les inversions, tant en la millora de la infraestructura existent de mesura i comunicacions, com en el trasllat de l'obtenció de mesures i capacitat d'actuació a un nombre més gran de punts en xarxes de mitjana i baixa tensió, la disponibilitat de dades sobre l'estat de la xarxa és cada vegada major i més completa. Tots aquests sistemes formen part de les denominades Smart Grids o xarxes intel·ligents del futur, un futur ja no tan llunyà. Una d'aquestes fonts d'informació prové dels consums energètics dels clients, mesurats de forma periòdica (cada hora, mitja hora o quart d'hora) i enviats cap a les distribuïdores des dels comptadors intel·ligents o Smart Meters, per mitjà d'infraestructura avançada de mesura o Advanced Metering Infrastructure (AMI). D'aquesta manera, cada vegada es té una major quantitat d'informació sobre els consums energètics dels clients, emmagatzemada en sistemes de Big Data. Aquesta cada vegada major font d'informació demanda tècniques especialitzades que sàpiguen aprofitar-la, extraient-ne un coneixement útil i resumit. La present tesi doctoral versa sobre l'ús d'aquesta informació de consums energètics dels comptadors intel·ligents, en concret sobre l'aplicació de tècniques de mineria de dades (data mining) per a obtenir patrons temporals que caracteritzen els usuaris d'energia elèctrica, agrupant-los segons aquests mateixos patrons en una quantitat reduïda de grups o clusters, que permeten avaluar la forma en què els usuaris consumeixen l'energia, tant al llarg del dia com durant una seqüència de dies, i que permetent avaluar tendències i predir escenaris futurs. Amb aquesta finalitat, s'estudien les tècniques actuals i, en comprovar que els treballs actuals no cobreixen aquest objectiu, es desenvolupen tècniques de clustering o segmentació dinàmica aplicades a corbes de càrrega de consum elèctric diari de clients domèstics. Aquestes tècniques es proven i validen sobre una base de dades de consums energètics horaris d'una mostra de clients residencials a Espanya durant els anys 2008 i 2009. Els resultats permeten observar tant la caracterització en consums dels distints tipus de consumidors energètics residencials, com la seua evolució en el temps, i permeten avaluar, per exemple, com van influenciar en els patrons temporals de consums els canvis reguladors que es van produir a Espanya en el sector elèctric durant aquests anys.Benítez Sánchez, IJ. (2015). Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59236TESI