Ανάπτυξη Συστήματος Ελέγχου Απομονωμένου Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας Με Τεχνολογία Ευφυών Πρακτόρων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος ελέγχου για συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η δομή του μικροδικτύου και εφαρμόστηκε η τεχνολογία των ευφυών πρακτόρων όσον αφορά τις τεχνικές ελέγχου. Οι στόχοι της εργασίας συνοψίζονται στην κατασκευή ενός ευφυούς ελεγκτή για τον έλεγχο των φορτίων καθώς και τη χρήση μεθόδων μηχανικής μάθησης ώστε να δώσουμε τη δυνατότητα στον ελεγκτή να μαθαίνει από το περιβάλλον του.Το μικροδίκτυο αποτελεί μια νέα μορφή ηλεκτρικών συστημάτων που εντάσσονται στα έξυπνα δίκτυα. Παρομοιάζεται συχνά με μικρογραφία ενός ηλεκτρικού δικτύου στη χαμηλή τάση - ή ακόμη και στη μέση τάση - όπως το γνωρίζουμε σήμερα, το οποίο αποτελείται από φορτία και μικροπηγές, κυρίως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας (CHP) μικρής ισχύος, κυψέλες καυσίμου κ.α. Σημαντικό χαρακτηριστικό του είναι ότι ως προς το συνολικό δίκτυο φαίνεται ως μία οντότητα, η οποία άλλοτε απορροφά ενέργεια από το δίκτυο και άλλοτε αποδίδει σε αυτό. Η τεχνολογία των ευφυών πρακτόρων αποτελεί μία νέα προσέγγιση στον έλεγχο των ηλεκτρικών συστημάτων η οποία εστιάζει στον κατανεμημένο έλεγχο. Αναλυτικότερα, προσφέρει ένα βαθμό αυτονομίας στις μονάδες που απαρτίζουν το σύστημα ενώ προϋποθέτει την επικοινωνία μεταξύ των μονάδων για την επίτευξη αποτελεσματικού ελέγχου. Οι ευφυείς πράκτορες διακρίνονται από νοημοσύνη και κοινωνικότητα. Ως εκ τούτου έχουν τη δυνατότητα να πάρουν τοπικά αποφάσεις που αφορούν τη μονάδα που αντιπροσωπεύουν, αλλά έχουν παράλληλα τη δυνατότητα να επικοινωνήσουν με άλλους πράκτορες για να επιτύχουν στόχους που αφορούν ολόκληρο το σύστημα, όπως είναι για παράδειγμα η επάρκεια σε αποθέματα ενέργειας του μικροδικτύου σε κατάσταση νησιδοποίησης.Η αναμενόμενη αύξηση των μικρών μονάδων παραγωγής με την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας και πολύ πιθανώς των μικροδικτύων θα εισάγει σημαντική πολυπλοκότητα στον κεντρικό έλεγχο του συστήματος. Ο κατανεμημένος έλεγχος που υλοποιείται με τους ευφυείς πράκτορες προβλέπεται να αποδειχθεί ιδιαίτερα ελκυστική λύση.Στην παρούσα εργασία μελετάται αρχικά ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός ευφυούς ελεγκτή φορτίου, ο οποίος θα εγκατασταθεί στο πιλοτικό μικροδίκτυο της Κύθνου. Παράλληλα περιγράφονται οι αλγόριθμοι που υλοποιήθηκαν με σκοπό την επικοινωνία των πρακτόρων, τον συντονισμό των ενεργειών αλλά και την αντιμετώπιση έκτακτων καταστάσεων όπως περιπτώσεις υπέρτασης, υπότασης και υπερέντασης. Σκοπός είναι η όσο το δυνατόν καλύτερη κατανομή φορτίου, ώστε η τροφοδότηση του δικτύου να γίνεται από τα φωτοβολταϊκά και τις μπαταρίες με παράλληλη ελαχιστοποίηση της χρησιμοποίησης της γεννήτριας diesel. Για τις ανάγκες της εφαρμογής, ο ευφυής ελεγκτής είναι εφοδιασμένος με ηλεκτρονικούς διακόπτες οι οποίοι σε περίπτωση ανάγκης διακόπτουν την παροχή σε μη σημαντικά φορτία. Σημειώνεται ακόμα ότι αυτή είναι η πρώτη πρακτική εφαρμογή τεχνολογίας ευφυών πρακτόρων σε μικροδίκτυο σε παγκόσμια κλίμακα. Επίσης, αναπτύσσεται αλγόριθμος για τη βέλτιστη οικονομική λειτουργία ενός μικροδικτύου σε περιβάλλον αγοράς ενέργειας. Χρησιμοποιώντας μηχανική μάθηση, και συγκεκριμένα την τεχνική Q-learning, σκοπός είναι η δυνατότητα του πράκτορα να μαθαίνει από το περιβάλλον του. Οι πράκτορες που ελέγχουν το σύστημα θα πρέπει αυτόνομα να προσδιορίσουν το βέλτιστο σύνολο ενεργειών (αγοράς και πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο) ώστε να μεγιστοποιήσουν το κέρδος. Περιγράφεται αναλυτικά η τεχνική Q-learning, ο αλγόριθμος που υλοποιήθηκε, καθώς και ένα παράδειγμα εφαρμογής του με πραγματικά στοιχεία τιμών αγοράς-πώλησης.