Non-centralized optimization-based control schemes for large-scale energy systems

Non-centralized control schemes for large-scale systems, including energy networks, are more flexible, scalable, and reliable than the centralized counterpart. These benefrts are obtained by having a set of local control!ers, each of which is responsible for a partition of the system, instead of one central entity that controls the whole system. Furthermore,in sorne cases, employing a non­ centralized control structure might be necessary due to the intractability problem of the centralized method.Thus, this thesis is devoted to the study of non-centralized optimization-based control approaches for large-scale energy systems. Mainly,this thesis focuses on the communication and cooperation processes of local controllers, which are integral parts of such schemes. Throughout this thesis,the model predictíve control framework is applied to solve the economic dispatch problem of large-scale energy systems. In a non-centralized architecture, local controllers must cooperatively solve the economic dispatch problem, which is formulated as a convex optimization problem with edge-based coupling constraints, at each time step.Therefore, first, the augmented Lagrangian approach is deployed to decompose the problem and to design two distributed optimization methods, which are iterative and require the local controllers to exchange information with each other at each iteration. lt is then shown that the sequence produced by these methods converges to an optima!solution when sorne cond tions, which include how the controllers must communicate and cooperate, are satisfied. However, in practice, the communication process might not always be perfect,i.e.,the required communication assumption does not hold. In the case of communication link failures, the distributed methods might not be able to compute a solution.Therefore,an information exchange protocol that is based on consensus is designed to overcome this problem. Furthermore, the proposed distributed methods are also further·extended such that they work over random communication networks and asynchronous updates, i.e.,when not all controllers always perform the updates . Under this setup, the convergence and the convergence rate of the algorithms are shown. Additionally, the implementation of these distributed methods to an MPC-based economic dispatch is also presented. The discussion includes the techniques that can be used to reduce the number of iterat ions and the performance of the methods in a numerical study. Considering that the aforementioned methods are comrnunication-intensive, an alternative non-centralized scheme, which provides a trade-off between comrnunication intensity and suboptirnality,is proposed.The scheme consists of repartitioning the network online with the aim of obtaining self-sufficient subsystems, forming coalitions for subsystems that are not self-sufficient,and decomposing the economic dispatch problem of the system into coalition-based subproblems. In this scheme, each subsystem only communicates to the others that belong to the sarne coalition;thus, reducing communication. Especially when all subsystems are self-sufficient, exchanging information is not needed. Finally,a cooperation problem during the implementation of the decisions is discussed. Specifically, sorne subsystems do not cornply with the computed decisions to gain better performance at the cost of deteriorating the performance of the other subsystems.A resilient scheme that can cope with this problem is formulated.lt consists of a stochastic method to robustify the decisions against such adversaria! behavior and an identification and mitigation method that is based on hypothesis testing using Bayesian inference.The proposed scheme, in general,can mitigate the effect of non-Los esquemas de control no centralizados aplicados a sistemas a gran escala, entre los que se incluyen las redes energéticas, son más flexibles, escalables y fiables que sus equivalentes centralizados. Dichos beneficios pueden obtenerse empleando un conjunto de controladores locales, donde cada uno de ellos es responsable de una parte del sistema, en lugar de una entidad central que controle la totalidad del sistema.Asimismo,el uso de una estructura de control no centralizada podría ser, en algunos casos, necesario, dado el problema de intratabilidad del método centralizado. Por consiguiente, la presente tesis trata sobre el estudio de enfoques de control no centralizados basados en optimización para redes energéticas a gran escala. Principalmente, esta tesis se centra en los procesos de comunicación y cooperación llevados a cabo por los controladores locales , que constituyen partes esenciales de dichos esquemas . A lo largo de esta tesis, el control predictivo basado en modelos se usa para resolver el problema de expedir energia en redes energéticas a gran escala desde un punto de vista económico. En arquitecturas no centralizadas, los controladores locales deben resolver dicho problema de forma cooperativa, el cual se formula como un problema de optimización convexo con restricciones de acoplamiento en los enlaces entre nodos, que debe ser resuelto en cada instante de tiempo. Para ello, el método de Lagrangiano aumentado se utiliza inicialmente para descomponer el problema y diseñar dos métodos de optimización distribuidos , que son iterativos y requieren que los controladores locales intercambien información entre ellos en cada iteración . A continuación, se muestra que la secuencia generada por estos métodos converge a la solución óptima a condición de que se cumplan ciertas condiciones,incluyendo cómo los controladores deben comunicarse y cooperar. Sin embargo, en la práctica,la comunicación no siempre es perfecta, es decir,el supuesto de comunicación requerido no se cumple. En el caso de fallos en los enlaces de comunicación, los métodos distribuidos podrían no ser capaces de proporcionar una solución. Para paliar este problema, se diseña un protocolo de información basado en consenso.l'v1ás aún, los métodos de optimización distribuidos se extienden a fin de que sean capaces de trabajar en redes con comunicaciones aleatorias y actualizaciones asíncronas, es decir,redes en que no todos los controladores realicen las actualizaciones . En esta configuración se muestran la convergencia y el orden de convergencia de dichos algoritmos. Se muestra, además, la implementación de estos métodos en el control predictivo económico basado en modelos para redes energéticas. La discusión incluye las técnicas que pueden usarse para reducir el número de iteraciones, así como el desempeño de los métodos, a través de un estudio numérico. Teniendo en cuenta que los métodos anteriormente mencionados requieren una comunicación intensa,se propone otro esquema no centralizado que proporciona un compromiso entre intensidad de comunicación y suboptimalidad . Dicha estrategia consiste en volver a particionar en línea el sistema con el objetivo de obtener subsistemas autosuficientes,formando coaliciones de subsistemas que no lo sean por separado,y descomponiendo el problema económico de expedición de energía en subproblemas de tipo coalicional. En este esquema ,cada subsistema se comunica únicamente con aquellos otros subsistemas que pertenezcan a la misma coalición, reduciendo asi el tráfico de comunicación. En particular, cuando todos los subsistemas son autosuficientes, el intercambio de información ya no es necesario. Finalmente,se considera el problema de la cooperación durante la implementación de las decisiones Específicamente, algunos subsistemas no acatan las decisiones tomadas con el fin de lograr un desempeño propio superior a expensas de empeorar el desempeño de otros subsistemas. Es por esto que, con el fin de lidiar con este problema, se propone un esquema resiliente, el cual consiste en un método estocástico para hacer las decisiones más robustas frente a tal comportamiento adverso, y un método de identificación y mitigación basado en evaluación de hipótesis usando inferencia bayesiana. En general, el esquema propuesto logra mitigar el efecto de los subsistemas incumplidores sobre el resto, y en un caso concreto, también permite identificar los subsistemas adversos.Els esquemes de control no centralitzats aplicats a sistemes a gran escala, entre els quals s’inclouen les xarxes energètiques, són més flexibles, escalables i fiables que els seus equivalents centralitzats. Aquests beneficis es poden obtenir fent servir un conjunt de controladors locals, en què cadascun d’ells és responsable d’una part del sistema, en lloc d’una entitat central que controli la totalitat del sistema. Així mateix, l’ús d’una estructura de control no centralitzada podria ser, en alguns casos, necessari, donat el problema d’intractabilitat del mètode centralitzat. Per tant, la present tesi tracta sobre l’estudi d’enfocaments de control no centralitzats basats en optimització per a xarxes energètiques a gran escala. Principalment, aquesta tesi se centra en els processos de comunicació i cooperació duts a terme pels controladors locals, que constitueixen parts essencials d’aquests esquemes. Al llarg d’aquesta tesi, el control predictiu basat en models s’utilitza per a resoldre el problema d’expedició d’energia en xarxes energètiques a gran escala des d’un punt de vista econòmic. En arquitectures no centralitzades, els controladors locals han de resoldre aquest problema de forma cooperativa, formulat com un problema d’optimització convex amb restriccions d’acoblament en els enllaços entre nodes i que ha de ser resolt a cada instant de temps. A tal efecte, el mètode de Lagrangià augmentat s’utilitza inicialment per a descomposar el problema i dissenyar dos mètodes d’optimització distribuïts, que són iteratius i requereixen que els controladors locals intercanviïn informació entre ells a cada iteració. A continuació, es mostra que la seqüència generada per aquests mètodes convergeix a la solució òptima si es compleixen certes condicions, incloent la manera en què els controladors s’han de comunicar i cooperar. No obstant això, a la pràctica, la comunicació no és sempre perfecta, és a dir, el supòsit de comunicació perfecta no es compleix. En el cas de fallades en els enllaços de comunicació, els mètodes distribuïts podrien no ser capaços de proporcionar una solució. Per a resoldre aquest problema, es dissenya un protocol d’informació basat en consens. A més, els mètodes d’optimització distribuïts s’amplien per tal que siguin capaços de treballar en xarxes amb comunicacions aleatòries i actualitzacions asíncrones, és a dir, xarxes en què no tots els controladors realitzin les actualitzacions. En aquestes configuracions es mostren la convergència i l’ordre de convergència d’aquests algoritmes. A més, es mostra també la implementació d’aquests mètodes en el control predictiu econòmic basat en models per a xarxes energètiques. La discussió inclou les tècniques que es poden emprar per a reduir el nombre d’iteracions, així com el rendiment dels mètodes, fent servir un estudi numèric. Tenint en compte que els mètodes anteriorment esmentats requereixen una comunicació intensa, es proposa un altre esquema no centralitzat que proporciona un compromís entre intensitat de comunicació i suboptimalitat. Aquesta estratègia consisteix en tornar a particionar el sistema en línia amb l’objectiu d’obtenir subsistemes autosuficients, formant coalicions de subsistemes que no ho siguin per separat, i descomposant el problema econòmic d’expedició d’energia en subproblemes de tipus coalicional. En aquest esquema, cada subsistema es comunica únicament amb aquells altre subsistemes que pertanyin a la mateixa coalició, reduint així el trànsit de comunicació. En particular, quan tots els sistemes són autosuficients, l’intercanvi d’informació deixa de ser necessari. Finalment, es considera el problema de la cooperació durant la implementació de les decisions. Específicament, alguns subsistemes no acaten les decisions preses amb la finalitat de millorar el propi rendiment a costa de disminuir el d’altres subsistemes. És per això que, a fi de solucionar aquest problema, es proposa un esquema resilient, el qual consisteix en un mètode estocàstic per fer les decisions més robustes davant d’aquest comportament advers, i un mètode d’identificació i mitigació basat en evaluar hipòtesis utilitzant inferència bayesiana. En general, l’esquema proposat aconsegueix mitigar l’efecte que els subsistemes no obedients exerceixen sobre la resta, i en un cas concert, també permet identificar els subsistemes adversos.ABSTRAKSI (Indfonesian) Skema kendali yang tidak tersentralisasi untuk sistem berskala besar, seperti sistem aringan energi, lebih fleksibel, skalabel, dan reliabel dibandingkan dengan skema tersentralisasi. Keuntungan ini diperoleh dari terdapatnya satu set pengendali lokal, yang hanya bertanggung jawab terhadap satu partisi dari sistem tersebut, daripada jika hanya terdapat satu entitas yang mengendalikan seluruh sistem. Bahkan dalam beberapa sistem, penerapan struktur kendali yang tidak tersentralisasi menjadi keharusan karena adanya permasalahan intraktabilitas dari metode tersentralisasi. Oleh karena itu, disertasi ini bertujuan untuk melakukan studi pada metode kendali berdasarkan optimisasi dengan struktur yang tidak tersentralisasi untuk sistem energi berskala besar. Khususnya, disertasi ini memfokuskan pada proses komunikasi dan kooperasi pengendali‐pengendali lokal, yang merupakan bagian integral dalam skema yang dimaksud. Pada disertasi ini, sistem kontrol prediktif (model predictive control (MPC)) diterapkan untuk menyelesaikan optimisasi economic dispatch pada sistem energi berskala besar. Dalam arsitektur yang tidak tersentralisasi, pengendali‐pengendali lokal harus menyelesaikan permasalahan economic dispatch secara kooperatif. Permasalahan economic dispatch ini diformulasikan sebagai optimisasi yang konveks dan memiliki konstrain terkopling. Oleh karena itu, pendekatan Lagrange yang teraugmentasi diterapkan untuk mendekomposisi permasalahan optimisasi terkait. Pendekatan ini juga digunakan untuk merancang dua metode optimisasi terdistribusi, yang iteratif dan mengharuskan pengendali‐pengendali lokal bertukar informasi satu sama lain pada setiap iterasi. Sekuensi yang dihasilkan dari kedua metode tersebut akan terkonvergensi pada suatu solusi yang optimal apabila beberapa kondisi, yang meliputi bagaimana pengendali harus berkomunikasi dan berkooperasi, terpenuhi. Namun, pada praktiknya, proses komunikasi yang terjadi mungkin tidak selalu sempurna, dalam hal ini asumsi pada proses komunikasi yang dibutuhkan tidak terpenuhi. Pada kasus kegagalan jaringan komunikasi, metode terdistribusi yang dirancang mungkin tidak dapat menemukan solusinya. Oleh karena itu, suatu protokol untuk pertukaran informasi yang berdasarkan pada konsensus dirancang untuk mengatasi permasalahan ini. Selanjutnya, dua metode terdistribusi yang telah dirancang juga dikembangkan lebih jauh sehingga metode‐metode tersebut dapat bekerja pada jaringan komunikasi stokastik dengan proses yang asinkron, yaitu proses dimana tidak semua pengendali selalu melakukan pembaruan. Dalam hal ini, konvergensi dan laju konvergensi dari metode yang dirancang dipertunjukkan. Selain itu, implementasi dari metode terdistribusi pada sistem economic dispatch berbasis MPC juga dibahas. Diskusi pada bagian ini mencakup beberapa teknik yang dapat digunakan untuk mengurangi jumlah iterasi dan performa dari metode‐metode yang dirancang pada suatu studi numerik. Dengan pertimbangan bahwa metode‐metode yang disebut sebelumnya membutuhkan komunikasi yang intensif, maka sebuah skema alternatif, yang memberikan trade‐off antara intensitas komunikasi dan suboptimalitas, juga dirancang. Skema ini terdiri dari repartisi sistem online yang bertujuan untuk mendapatkan subsistemsubsistem yang swasembada, pembentukan koalisi untuk subsistem‐subsistem yang tidak swasembada, dan dekomposisi permasalahan economic dispatch menjadi subproblem berbasis koalisi. Dalam skema ini, tiap subsistem hanya perlu berkomunikasi dengan subsistem‐subsistem lain yang berada pada koalisi yang sama; sehingga mengurangi aliran komunikasi. Jika semua subsistem yang terbentuk swasembada, maka pertukaran informasi tidak dibutuhkan sama sekali. Pada akhirnya, disertasi ini juga membahas mengenai suatu permasalahan koperasi dalam masa implementasi keputusan (solusi). Pada permasalahan kooperasi ini, terdapat beberapa subsistem yang tidak menuruti keputusan (solusi), misalnya dengan tujuan untuk mendapatkan kinerja yang lebih baik dan di saat yang bersamaan memperburuk kinerja subsistem lainnya. Maka, sebuah skema resilien yang dapat mengatasi permasalahan ini dirumuskan. Skema tersebut terdiri dari sebuah metode stokastik untuk merobustifikasi keputusan terhadap perilaku adversari dan sebuah metode identifikasi dan mitigasi yang berdasarkan pada pengujian hipotesis dengan menggunakan inferensi Bayes. Skema yang diusulkan, secara umum, dapat memitigasi pengaruh subsistem yang tidak patuh pada subsistem reguler, dan pada kasus tertentu, juga dapat mengidentifikasi subsistem yang menjadi adversari

Decentralized energy management of power networks with distributed generation using periodical self-sufficient repartitioning approach

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.In this paper, we propose a decentralized model predictive control (MPC) method as the energy management strategy for a large-scale electrical power network with distributed generation and storage units. The main idea of the method is to periodically repartition the electrical power network into a group of self-sufficient interconnected microgrids. In this regard, a distributed graph-based partitioning algorithm is proposed. Having a group of self-sufficient microgrids allows the decomposition of the centralized dynamic economic dispatch problem into local economic dispatch problems for the microgrids. In the overall scheme, each microgrid must cooperate with its neighbors to perform repartitioning periodically and solve a decentralized MPC-based optimization problem at each time instant. In comparison to the approaches based on distributed optimization, the proposed scheme requires less intensive communication since the microgrids do not need to communicate at each time instant, at the cost of suboptimality of the solutions. The performance of the proposed scheme is shown by means of numerical simulations with a well-known benchmark case. © 2019 American Automatic Control Council.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Resilient Distributed Energy Management for Systems of Interconnected Microgrids

In this paper, distributed energy management of interconnected microgrids, which is stated as a dynamic economic dispatch problem, is studied. Since the distributed approach requires cooperation of all local controllers, when some of them do not comply with the distributed algorithm that is applied to the system, the performance of the system might be compromised. Specifically, it is considered that adversarial agents (microgrids with their controllers) might implement control inputs that are different than the ones obtained from the distributed algorithm. By performing such behavior, these agents might have better performance at the expense of deteriorating the performance of the regular agents. This paper proposes a methodology to deal with this type of adversarial agents such that we can still guarantee that the regular agents can still obtain feasible, though suboptimal, control inputs in the presence of adversarial behaviors. The methodology consists of two steps: (i) the robustification of the underlying optimization problem and (ii) the identification of adversarial agents, which uses hypothesis testing with Bayesian inference and requires to solve a local mixed-integer optimization problem. Furthermore, the proposed methodology also prevents the regular agents to be affected by the adversaries once the adversarial agents are identified. In addition, we also provide a sub-optimality certificate of the proposed methodology.Comment: 8 pages, Conference on Decision and Control (CDC) 201

Distributed Augmented Lagrangian Method for Link-Based Resource Sharing Problems of Multi-Agent Systems

A multi-agent optimization problem motivated by the management of energy systems is discussed. The associated cost function is separable and convex although not necessarily strongly convex and there exist edge-based coupling equality constraints. In this regard, we propose a distributed algorithm based on solving the dual of the augmented problem. Furthermore, we consider that the communication network might be time-varying and the algorithm might be carried out asynchronously. The time-varying nature and the asynchronicity are modeled as random processes. Then, we show the convergence and the convergence rate of the proposed algorithm under the aforementioned conditions.Comment: 9 page

A resilient approach for distributed MPC-based economic dispatch in interconnected microgrids

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Economic dispatch of interconnected microgrids that is based on distributed model predictive control (DMPC) requires the cooperation of all agents (microgrids). This paper discusses the case in which some of the agents might not comply with the decisions computed by performing a DMPC algorithm. In this regard, these agents could obtain a better performance at the cost of degrading the performance of the network as a whole. A resilient distributed method that can deal with such issues is proposed and studied in this paper. The method consists of two parts. The first part is to ensure that the decisions obtained from the algorithm are robustly feasible against most of the attacks with high confidence. In this part, we employ a two-step randomization-based approach to obtain a feasible solution with a predefined level of confidence. The second part consists in the identification and mitigation of the adversarial agents, which utilizes hypothesis testing with Bayesian inference and requires each agent to solve a mixed-integer problem to decide the connections with its neighbors. In addition, an analysis of the decisions computed using the stochastic approach and the outcome of the identification and mitigation method is provided. The performance of the proposed approach is also shown through numerical simulations.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Accelerated Multi-Agent Optimization Method over Stochastic Networks

We propose a distributed method to solve a multi-agent optimization problem with strongly convex cost function and equality coupling constraints. The method is based on Nesterov's accelerated gradient approach and works over stochastically time-varying communication networks. We consider the standard assumptions of Nesterov's method and show that the sequence of the expected dual values converge toward the optimal value with the rate of $\mathcal{O}(1/k^2)$. Furthermore, we provide a simulation study of solving an optimal power flow problem with a well-known benchmark case.Comment: to appear at the 59th Conference on Decision and Contro

Energy management and peer-to-peer trading in future smart grids: a distributed game-theoretic approach

© 2020 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.We consider the economic dispatch problem for a day-ahead, peer-to-peer (P2P) electricity market of prosumers (i.e., energy consumers who can also produce electricity) in a distribution network. In our model, each prosumer has the capability of producing power through its dispatchable or non-dispatchable generation units and/or has a storage energy unit. Furthermore, we consider a hybrid main grid & P2P market in which each prosumer can trade power both with the main grid and with (some of) the other prosumers. First, we cast the economic dispatch problem as a noncooperative game with coupling constraints. Then, we design a fully-scalable algorithm to steer the system to a generalized Nash equilibrium (GNE). Finally, we show through numerical studies that the proposed methodology has the potential to ensure safe and efficient operation of the power grid.This work was partially supported by NWO under research projects OMEGA (grant n. 613.001.702), P2P-TALES (grant n. 647.003.003), the ERC under research project COS-MOS (802348), the European Union’s Horizon 2020 research and innovationprogramme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 675318 (INCITE)Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Resilient information-exchange protocol for distributed model predictive control schemes

© 20xx IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksDistributed Model Predictive Control (DMPC) strategies require local controllers to share information among each other. Considering the importance of communication in such control strategies and the failures that may occur in the information-sharing network, this paper proposes to apply the distributed consensus algorithm as an information-exchange protocol for DMPC controllers. The advantage of the proposed protocol is twofold. First, it relaxes some communication assumptions usually made for DMPC controllers. Second, under some assumptions, it provides resilience against some communication failures such that the performance and the features of the implemented distributed controller are preserved. A case study of a microgrid system is provided as an example in which some simulations are carried out to illustrate the aforementioned advantages. © 2018 AACC.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Mitigation of communication failures in distributed model predictive control strategies

Information sharing among local controllers is the key feature of any Distributed Model Predictive Control (DMPC) strategy. This paper addresses the problem of communication failures in DMPC strategies and proposes a distributed solution to cope with them. The proposal consists in an information-exchange protocol that is based on distributed projection dynamics. By applying this protocol as a complementary plug-in to a DMPC strategy, the controllers improve the resilience against communication failures and relax the requirements of the communication network. Furthermore, a reconfiguration algorithm, which is a contingency procedure to maintain the connectivity of the network, and a discussion on the selection criteria of the information-sharing network are also presented. In order to demonstrate the performance and advantages of the proposed approach when it is applied to a DMPC strategy, a case study of a power-network control problem is provided.Peer ReviewedPostprint (author's final draft