Crawford-Sobel meet Lloyd-Max on the grid

The main contribution of this work is twofold. First, we apply, for the first time, a framework borrowed from economics to a problem in the smart grid namely, the design of signaling schemes between a consumer and an electricity aggregator when these have non-aligned objectives. The consumer's objective is to meet its need in terms of power and send a request (a message) to the aggregator which does not correspond, in general, to its actual need. The aggregator, which receives this request, not only wants to satisfy it but also wants to manage the cost induced by the residential electricity distribution network. Second, we establish connections between the exploited framework and the quantization problem. Although the model assumed for the payoff functions for the consumer and aggregator is quite simple, it allows one to extract insights of practical interest from the analysis conducted. This allows us to establish a direct connection with quantization, and more importantly, to open a much more general challenge for source and channel coding.Comment: ICASSP 2014, 5 page

Charging Games in Networks of Electrical Vehicles

In this paper, a static non-cooperative game formulation of the problem of distributed charging in electrical vehicle (EV) networks is proposed. This formulation allows one to model the interaction between several EV which are connected to a common residential distribution transformer. Each EV aims at choosing the time at which it starts charging its battery in order to minimize an individual cost which is mainly related to the total power delivered by the transformer, the location of the time interval over which the charging operation is performed, and the charging duration needed for the considered EV to have its battery fully recharged. As individual cost functions are assumed to be memoryless, it is possible to show that the game of interest is always an ordinal potential game. More precisely, both an atomic and nonatomic versions of the charging game are considered. In both cases, equilibrium analysis is conducted. In particular, important issues such as equilibrium uniqueness and efficiency are tackled. Interestingly, both analytical and numerical results show that the efficiency loss due to decentralization (e.g., when cost functions such as distribution network Joule losses or life of residential distribution transformers when no thermal inertia is assumed) induced by charging is small and the corresponding "efficiency", a notion close to the Price of Anarchy, tends to one when the number of EV increases.Comment: 8 pages, 4 figures, keywords: Charging games - electrical vehicle - distribution networks - potential games - Nash equilibrium - price of anarch

Minimizing the impact of EV charging on the electricity distribution network

The main objective of this paper is to design electric vehicle (EV) charging policies which minimize the impact of charging on the electricity distribution network (DN). More precisely, the considered cost function results from a linear combination of two parts: a cost with memory and a memoryless cost. In this paper, the first component is identified to be the transformer ageing while the second one corresponds to distribution Joule losses. First, we formulate the problem as a non-trivial discrete-time optimal control problem with finite time horizon. It is non-trivial because of the presence of saturation constraints and a non-quadratic cost. It turns out that the system state, which is the transformer hot-spot (HS) temperature here, can be expressed as a function of the sequence of control variables; the cost function is then seen to be convex in the control for typical values for the model parameters. The problem of interest thus becomes a standard optimization problem. While the corresponding problem can be solved by using available numerical routines, three distributed charging policies are provided. The motivation is threefold: to decrease the computational complexity; to model the important scenario where the charging profile is chosen by the EV itself; to circumvent the allocation problem which arises with the proposed formulation. Remarkably, the performance loss induced by decentralization is verified to be small through simulations. Numerical results show the importance of the choice of the charging policies. For instance, the gain in terms of transformer lifetime can be very significant when implementing advanced charging policies instead of plug-and-charge policies. The impact of the accuracy of the non-EV demand forecasting is equally assessed.Comment: 6 pages, 3 figures, keywords: electric vehicle charging, electricity distribution network, optimal control, distributed policies, game theor

Modélisation et optimisation de l'interaction entre véhicules électriques et réseaux d'électricité : apport de la théorie des jeux

This thesis studies the technical and economical interaction between electric vehicles and electrical networks. The recent development of electric mobility leads to the analysis of potential impacts of electric vehicle charging on the electrical networks, but also to the possible support that these particular electric consumers could provide in the future smart grids. In this direction, most of the results given in this thesis also apply to a washing machine, a water-heater, a TV, as soon as these equipments are capable of being smart! When the decisions of flexible electric consumers interact, the considered framework naturally offers a unique exercise area for the tools of game-theory. The interpretation is straightforward when the considered problem is strategic by definition, but these tools allow also shedding light on other aspects: algorithmic coordination, information exchange, etc. The description of the benefits of using game-theory in this context is the aim of this work. This is done according to three aspects. In these three directions, a particular attention is drawn to the case of rectangular charging profiles, which are very practical, but often ignored by the literature. First, algorithmic issues arise when coordinating the charging of electric vehicles in a same area of the electrical network. A charging algorithm is proposed and analyzed. This is done by studying an underlying auxiliary game. This game is proved to belong to the class of potential games under very general physical and economic assumptions. In turn, it inherits from the strong properties of this class of games, namely convergence and an efficiency result in the case of a large number of electric vehicles. Considering information exchange, a model is proposed to design a good communication scheme between an operator of the electrical system and an electric vehicle. Both agents have an interest in exchanging information to schedule optimally the charging profile of the electric vehicle but they do not share the same objective. This framework is closely related to Cheap-talk in game theory and to quantization in signal processing. Amongst others, this work explains interesting connections between both topics. Furthermore, a method, which is used offline, is given to obtain a good communication mechanism between both agents. Finally, game theory is used in its traditional form, studying the strategic interaction when groups of a large number of electric vehicles – seen as fleets – coexist with individual vehicles. This allows the application of the very recent concept of composite games. In the three parts of the work, simulations are conducted in a French realistic distribution network, which could be the first part of the electrical system severely impacted by a non-coordinated charging. This highlights the robustness of rectangular charging profiles against forecasting errors on the parameters of the models.Cette thèse étudie l'interaction technico-économique entre véhicules électriques et réseaux d'électricité. Le développement récent de la mobilité électrique invite en effet à analyser les impacts potentiels de la recharge de ces véhicules sur les réseaux électriques, mais aussi le soutien que ceux-ci pourraient apporter dans les réseaux du futur. Ce travail s'inscrit résolument dans le cadre des réseaux d'électricité intelligents ; la plupart des résultats de cette thèse s'appliquent tout aussi bien à un lave-linge, un chauffe-eau, une télévision tant que l'on leur prête la capacité d'intelligence ! Dès lors que les décisions des consommateurs électriques flexibles interagissent, ce cadre d'étude offre un terrain de jeu propice aux outils de théorie des jeux. Ceux-ci ont un apport direct lorsque le problème considéré a un fondement stratégique, mais leur application permet aussi de proposer des solutions sur des aspects où la théorie des jeux n'est pas forcément attendue : algorithmique, dans l'échange d'information entre acteurs, etc. La description de cet apport est l'objet principal de ce travail de thèse et se décompose en trois parties. En fil rouge, le cas des profils de charge rectangulaires – soutenus par de nombreux arguments pratiques mais souvent délaissés par les chercheurs – est analysé. En premier lieu, des questions algorithmiques se posent pour coordonner la charge de véhicules électriques dans un même périmètre du système électrique. Proposant et étudiant un algorithme de coordination, il est montré comment les propriétés fondamentales de celui-ci - sa convergence, l'efficacité de ses points de convergence – peuvent être déduite d'un jeu auxiliaire sous-jacent. L'analyse de ce jeu est faite en montrant qu'il appartient à la classe des jeux de potentiel, sous des hypothèses physiques et économiques très générales. Sur le plan de l'échange d'information, un modèle est proposé pour réfléchir à la bonne communication entre un opérateur du réseau et un véhicule. Ces deux agents ont intérêt à communiquer pour planifier la charge intelligente du véhicule électrique, mais ont des objectifs distincts. Ce cadre est très proche du Cheap-talk en théorie des jeux, mais aussi de la problématique de la quantification en traitement du signal. Ce travail tisse au passage des liens entre ces sujets. Il propose aussi une méthode pour que l'agent du réseau et le véhicule s'accordent hors-ligne sur un bon mécanisme d'échange d'information. Enfin, la théorie des jeux est appliquée dans un cadre plus habituel, pour analyser le jeu des acteurs. Ceci est fait quand des ensembles de véhicules de taille importante, vus comme des flottes, cohabitent avec des véhicules individuels. Ceci offre un terrain de jeu applicatif aux outils très récents des jeux composites. Dans ces trois directions de recherche, des simulations sont effectuées dans le cadre d'un réseau de distribution d'électricité, maille du système électrique qui pourrait vivre des impacts significatifs si la charge est non-coordonnée. En particulier, elles montrent la robustesse des méthodes proposées face aux incertitudes sur les données lorsque des profils de charge rectangulaires sont considérés

La vulnérabilité réticulée

Dans son discours sur l’État de l’Union du 12 février 2013, le président des États-Unis Barack Obama dénonça ouvertement les risques accrus de piratage informatique et l’importance de s’en prémunir activement. Ces trois dernières années, les révélations relatives à la vulnérabilité des dispositifs informatiques furent si nombreuses, qu’elles suscitèrent des réactions de plus en plus vives, qui engagent à un renouvellement de notre conception de la sécurité. En plus d’une apparente généralisation de cette vulnérabilité inédite, les attaques informatiques sont d’autant plus déstabilisantes qu’elles reposent sur les propriétés spécifiques des réseaux de télécommunication numériques, qui se distinguent très significativement d’autres formes de vulnérabilité plus conventionnelles pour lesquels des dispositifs techniques spécifiques furent développés. En particulier, la frontière semble être particulièrement affectée par ce type d’attaques. Elles s’appuient en effet sur un système technique qui n’est structurellement pas conforme au découpage territorial du Monde selon les États-nations. En changeant l’espace, Internet a en effet démultiplié les relations entre des espaces autrement disjoints, créant du contact où il y avait de l’écart. En faisant du Monde un lieu, ce sont les lieux du Monde qui se trouvent affectés par le risque d’être vulnérables à des atteintes réticulaires à leur intégrité. Dès lors, quel peut être l’espace légitime du politique susceptible d’organiser la spatialité spécifique d’Internet ? Cet espace présente certes des opportunités remarquables pour l’humanité, mais il réduit tout autant la souveraineté et la maîtrise de ses composantes particulières

Quantification en présence de divergence d'intérêts : application aux réseaux d'électricité intelligents

National audienceMotivated by an application to smart grid, this paper generalizes the problem of scalar quantization in the case in which an agent, the consumer, determines the quantization cells and the other agent, the electrical network operator called aggregator, determines the representatives. We know that the standard quantization consists of two fictitious agents, which can be identified as a single one, minimizing the distorsion on the cells and on the representatives. In this paper, we consider a variation of that framework where the payoff functions maximized by the two agents are distincts. Their difference is called bias and implies a new strategic approach to the problem. Using tools from game theory, this work will highlight some key differences between the "strategic quantization" and the standard quantization, namely all communication ressources are not necessarily used, the bias between the payoffs has an influence on the quantity of exchanged information and the speed of convergence of methods analogous to the Llyod-Max algorithm in the strategic caseMotivé par une application issue des « Smart Grid », les « réseaux d'électricité intelligents », cet article généralise le problème de la quantification scalaire dans le cas où un agent, un consommateur, détermine les cellules de quantification et l'autre, un opérateur de réseau appelé agrégateur, les représentants. À la différence de la quantification classique où deux agents, fictifs et que l'on peut supposer ne faire qu'un, minimisent la distorsion sur les cellules et les représentants, les utilités maximisées ici par les deux agents sont distinctes. Leur différence est mesurée par un biais et va conduire à une réinterprétation stratégique du problème de quantification. Reprenant des outils de théorie des jeux, cet article va montrer quelques différences fondamentales entre le cas de la « quantification stratégique » et celui de la quantification classique : toutes les ressources de communication ne sont pas forcément utilisées, le biais entre utilité va fortement conditionner la quantité d'information échangée et la vitesse de convergence des méthodes analogues à l'algorithme de Lloyd-Max dans le cas stratégique