Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018O sistema energético atravessará uma profunda transformação nos próximos anos à medida que a produção renovável distribuída, a flexibilidade no lado do consumo e as funcionalidades
de SmartGrid são implementadas. Este processo, conduzido em grande parte pelas imposições
causadas pelos efeitos das alterações climáticas, implica profundas transformações na produção e consumo de energia e torna a transição energética extremamente urgente. Simultaneamente, novos players, entidades e modelos de negócio têm emergido em quase todos os níveis da cadeia energética desde a produção, a transmissão, distribuição e comercialização até à gestão da rede elétrica, num movimento conduzido pelo processo de particionamento (unbundling) do sistema elétrico e pela exigência de um sistema mais descentralizado e horizontal. O efeito combinado desta nova paisagem energética torna possíveis novas funcionalidades e arquitecturas de sistema na mesma medida em que coloca enormes problemas de natureza física e matemática mas também enormes questões económicas, sociais e políticas que terão, necessariamente, de ser abordadas e resolvidas. A Gestão do Consumo é um termo abrangente que representa tanto os mecanismos de Resposta na Procura (Demand Response) ou a Gestão no Lado da Procura (Demand-Side Management) e que se impõe como um dos problemas actuais mais importantes em sistemas energéticos inteligentes caracterizados por altas penetrações renováveis e mecanismos de mercado. Para resolver estes problemas, um conjunto de métodos matemáticos e computacionais têm sido propostos nos últimos anos. Otimização distribuída e sistemas inteligentes, sistemas baseados em agentes de software e teoria de jogos encontram-se entre algumas das ferramentas usadas para otimizar o consumo de energia e determinar o agendamento e a alocação ótima de equipamentos e máquinas para consumidores residenciais, comerciais e industriais. Na sequência de trabalhos prévios disponíveis na literatura da especialidade, o presente trabalho propõe um modelo geral para abordar o problema da otimização de cargas através de arquitecturas e métodos baseados no paradigma dos Agentes. O trabalho começa por definir agentes em pontos críticos da rede elétrica e os seus processos internos de raciocínio representados por modelos de otimização matemática. Seguidamente as interações entre agentes são modeladas como um jogo de dois níveis (bi-level game) entre uma entidade gestora da rede e consumidores de energia tipificados de forma a coordenar o carregamento de diversos equipamentos, incluindo veículos elétricos, e determinar uma solução admissível para o sistema global. A funcionalidade geral do modelo proposto é demonstrada através da sua implementação em software proprietário e recorrendo a um conjunto de dados específicos. Está, então, pronto para ser complementado e refinado no futuro de forma a ser aplicado em problemas do mundo real, de grandes dimensões, mas também novas implementações em software open source de forma a ficar acessível a novos utilizadores.The energy system is expected to go through a phase change in coming years as distributed generation, demand flexibility and SmartGrid features gets implemented. The main driver for
this process, climate change, imposes constraints on energy production and consumption making energy transition extremely urgent. Simultaneously, new players, entities and business
models have emerged at almost all levels of the energy chain from production, transmission, distribution and commercialization down to power grid management driven by the unbundling
process and the call for a more decentralized and horizontal energy system. The combined effect of this new energy landscape makes new system’s architectures and functionalities desirable and possible, but poses huge physical, mathematical, engineering, economic and political questions and problems that need to be tackled. Load Management is one broad term
depicting Demand-Side Management and Demand Response mechanisms and is one of the pressing problems on smart energy systems. To solve them, a plethora of computational and
mathematical methods have been proposed in recent years. Distributed optimization and intelligence, software agents, agent-based systems and game theory are among the tools used
to optimize load consumption and determine optimal device scheduling for residential, commercial and industrial power consumers Following previous work found in literature, the present work proposes a general framework to treat the load optimization problem using agent-based architectures and models. We start by defining agents at critical points within the power grid as well as their internal reasoning process depicted by mathematical optimization models. We then proceed to model the cooperative interactions between agents as a Bi-level game between a grid entity and typified power consumers in order to coordinate the charging of several appliances and electrical vehicles and determine a feasible solution for the global system. We show the general functionality of the framework by implementing it in software and applying it to specific datasets. The framework is suitable for further refinement and development when applied to real world problems
