Decentralized management of dispersed energy resources in distribution electricity grids for the provision of ancillary services

Electrical grids have been primarily designed to transfer electricity mainly produced in large generation sites, and deliver it to consumers. Distribution grids constitute the subset of electrical grids, which is closer to consumption. During the last decade the operation of distribution grids has been facing a major transformation, so as to accommodate high RES penetration both at medium and low voltage grids. The operational framework of distribution grids is continuously updated and transformed exploiting the potential of Information and Telecommunication Technologies (ICT) and the newly introduced flexibility of energy resources. In the context of the thesis, nodes of distribution grids have been considered as peers, which process data locally and communicate in order to provide ancillary services.Specifically, the thesis focuses on the following topics: i) the theory of peers and gossip algorithms have been introduced into electricity distribution grids, and the acceleration of gossip algorithms’ convergence has been approached via the mathematical graph analysis, ii) gossip algorithms have been proposed for decentralized calculations of power flows in distribution networks, iii) gossip algorithms have been designed and developed for distributed congestion management, iv) a multi agent system, which integrates the proposed algorithms, has been designed and developed, v) the exploitation of smart meters and other ICT devices is proposed in order to create overlay networks towards the exchange of information and the application of distributed algorithms in distribution network management. The expansion of smart meters’ protocols has been examined and proposed.The thesis begins with a bibliographic review of the current operational and management framework of distribution grids and a detailed review of distributed optimization algorithms, followed by a description of gossip algorithm theory. Based on graph spectral analysis optimal weights are selected to accelerate the convergence of gossip algorithms. Generic gossip algorithms have been extended to calculate power flow equations for radial distribution grids. The proposed gossip algorithms are the core of a distributed framework for congestion management. Nodes are sensing the constraints’ violation at any part of the network by exchanging information within their neighborhood and they are self-triggered to resolve the violation by participation in a totally distributed optimization framework. Applications of gossip algorithms are also applied at the various voltage levels for coordinated congestion management and for local balancing of production-consumption. Moreover, a parametric estimation of telecommunication and calculation load of gossip algorithms is presented.In the second part of the thesis, a multi-agent system is designed and applied for ancillary services provision by distributed energy resources based on the proposed gossip algorithms. Finally, techniques for information coding applied in electronic meters are investigated and an expansion of DLMS/COSEM classes is proposed, in order to enable the application of gossip algorithms for decentralized management of distribution grids through electronic meters.Το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας σχεδιάστηκε με πρωταρχικό του στόχο τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από την παραγωγή στην κατανάλωση. Το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, ως υποσύνολο του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, αποτελεί ουσιαστικά το τμήμα εκείνο που είναι πιο κοντά προς τους καταναλωτές. Την τελευταία δεκαετία παρατηρείται μεγάλη διαφοροποίηση στη λειτουργία των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, ιδίως λόγω της μεγάλης διείσδυσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι οποίες μπορούν να συνδεθούν και στο επίπεδο χαμηλής τάσης πολύ κοντά στο σημείο ζήτησης/κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. H τρέχουσα δομή και λειτουργία των δικτύων διανομής αναθεωρείται και μετασχηματίζεται συνεχώς εκμεταλλευόμενη την ευελιξία των ενεργειακών πόρων και την εξέλιξη των τεχνολογιών πληροφορικής και τηλεπικοινωνιών. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής οι κόμβοι του δικτύου διανομής θεωρούνται ως ομότιμοι κόμβοι, οι οποίοι επεξεργάζονται δεδομένα και επικοινωνούν μεταξύ τους με στόχο την παροχή ενεργειακών επικουρικών υπηρεσιών. Συγκεκριμένα i) εισάγεται η θεωρία ομότιμων κόμβων στα συστήματα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας και προσεγγίζεται η κατάλληλη μαθηματική ανάλυση με στόχο την επιτάχυνση της σύγκλισης των Αλγορίθμων Ομότιμων Κόμβων, ii) προτείνονται αλγόριθμοι ομότιμων κόμβων για αποκεντρωμένους υπολογισμούς ροών φορτίου στα δίκτυα διανομής, iii) σχεδιάζονται και αναπτύσσονται αλγόριθμοι ομότιμων κόμβων για κατανεμημένη διαχείριση συμφορήσεων στα δίκτυα διανομής, iv) σχεδιάζεται και υλοποιείται ένα σύστημα πολλαπλών πρακτόρων με στόχο την κατανεμημένη διαχείριση ενεργειακών πόρων στα δίκτυα διανομής, και v) προτείνεται η αξιοποίηση των ηλεκτρονικών μετρητών και άλλων συσκευών ICT, ώστε να δημιουργηθούν υπερκείμενα δίκτυα με στόχο τη διακίνηση πληροφοριών και την εφαρμογή κατανεμημένων αλγορίθμων για τη διαχείριση των δικτύων διανομής.Μετά από τη βιβλιογραφική επισκόπηση του υφιστάμενου τρόπου λειτουργίας και διαχείρισης των δικτύων διανομής, καθώς και μίας σειράς από αλγορίθμους κατανεμημένης βελτιστοποίησης, περιγράφεται η θεωρία ομότιμων κόμβων. Στη συνέχεια, με βάση τη φασματική θεωρία γράφων επιλέγονται κατάλληλα βάρη για την εξασφάλιση και την επιτάχυνση της σύγκλισης των Αλγορίθμων Ομότιμων Κόμβων. Η γενική διατύπωση των Αλγορίθμων Ομότιμων Κόμβων επεκτείνεται και προσαρμόζεται για υπολογισμούς ροής φορτίου σε ακτινικά δίκτυα διανομής. Οι Αλγόριθμοι Ομότιμων Κόμβων αποτελούν στη συνέχεια τη βάση για την ανάπτυξη του κατάλληλου πλαισίου για την κατανεμημένη διαχείριση συμφορήσεων. Οι κόμβοι του δικτύου αντιλαμβάνονται την παραβίαση των περιορισμών σε οποιοδήποτε σημείο του δικτύου και αναλαμβάνουν μόνοι τους δράση για την επίλυση του προβλήματος σε ένα απόλυτα κατανεμημένο περιβάλλον υπολογισμών και λήψης αποφάσεων. Οι εφαρμογές και τα αποτελέσματα ενισχύονται με την ιεραρχική διατύπωση της κατανεμημένης διαχείρισης συμφορήσεων και την τοπική εξισορρόπηση ζήτησης-παραγωγής. Ακολούθως πραγματοποιείται μία παραμετρική ανάλυση της αποτίμησης του τηλεπικοινωνιακού φόρτου.Στο επόμενο τμήμα της διατριβής, σχεδιάζεται ένα σύστημα πολλαπλών πρακτόρων για παροχή επικουρικών υπηρεσιών από τους ενεργειακούς πόρους, μέσω των Αλγορίθμων Ομότιμων Κόμβων που έχουν προταθεί στην παρούσα διατριβή. Τέλος, αφού διερευνηθούν οι τρόποι κωδικοποίησης και μετάδοσης των πληροφοριών στους ηλεκτρονικούς μετρητές ενέργειας, προτείνεται η κατάλληλη αξιοποίηση και η απαιτούμενη επέκταση των κλάσεων του προτύπου DLMS/COSEM ώστε να υποστηριχθούν οι αλγόριθμοι ομότιμων κόμβων για κατανεμημένη διαχείριση