Συμβολή στην ανάπτυξη κατανεμημένων αλγορίθμων για τον έλεγχο και τη λειτουργία ευφυών δικτύων διανομής

Abstract

Tα σύγχρονα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις και πρωτόγνωρα προβλήματα, για τα οποία αναζητούνται εναλλακτικές λύσεις μέσα από τις καινοτόμες τεχνολογίες των ευφυών δικτύων. Ωστόσο, η ραγδαία αύξηση της «νοημοσύνης» και του όγκου των δεδομένων στα ευφυή δίκτυα οδήγησε στην διερεύνηση τεχνικών ελέγχου, οι οποίες θα μπορούν να επιτύχουν αποδοτικό και στιβαρό έλεγχο διαφυλάσσοντας την ιδιωτικότητα των χρηστών και κατανέμοντας την επίλυση του εκάστοτε προβλήματος από ένα κεντρικό σημείο, στο επίπεδο κάθε στοιχειώδους μονάδας ελέγχου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη και διερεύνηση κατανεμημένων τεχνικών για τη λειτουργία και τον έλεγχο του ευφυούς Δικτύου Διανομής, οι οποίες θα απαιτούν ανταλλαγή πληροφοριών μόνο μεταξύ γειτονικών (ομότιμων) κόμβων του συστήματος και θα επιτυγχάνουν τη βέλτιστη λύση του προβλήματος απόφασης, χωρίς την ανάγκη κεντρικού συντονισμού. Αρχικά, πραγματοποιείται μια εποπτική ταξινόμηση μοντέλων κατανεμημένης βελτιστοποίησης και στη συνέχεια αναλυτική βιβλιογραφική ανασκόπηση των σχετικών με τις προτεινόμενες μεθόδους μελετών. Πρώτα, αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της Οικονομικής Κατανομής Φορτίου για μονάδες Διεσπαρμένης Παραγωγής, για την επίλυση του οποίου χρησιμοποιείται το μοντέλο Τοπικών Εξισώσεων Κλωνωτή. Η βασική μέθοδος ενσωματώνει τα τεχνικά όρια των μονάδων και τον εξισωτικό περιορισμό κάλυψης φορτίου και στη συνέχεια επεκτείνεται προκειμένου να λαμβάνει υπόψη τις απώλειες ενεργού ισχύος μέσω του κατανεμημένου υπολογισμού των Συντελεστών Ποινής Απωλειών κάθε μονάδας. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται μεθοδολογία η οποία επιλύει κατανεμημένα το πρόβλημα της ροής φορτίου. Η μέθοδος βασίζεται στον αλγόριθμο Newton-Raphson σε συνδυασμό με ένα κατανεμημένο πρωτόκολλο για τον υπολογισμό των διορθώσεων τάσης και γωνίας. Η μέθοδος εκμεταλλεύεται μια σημαντική ιδιότητα της Ιακωβιανής μήτρας των εξισώσεων ροής φορτίου. Αξιοποιώντας την ίδια ιδιότητα μελετάται και το πρόβλημα της ρύθμισης τάσης, το οποίο διατυπώνεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης για την εύρεση των ελάχιστων εγχύσεων ενεργού και αέργου ισχύος από τους ελεγχόμενους πόρους του ευφυούς ΔΔ με σκοπό την αντιμετώπιση των παραβιάσεων τάσης. Η μέθοδος χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο κατάβασης βαθμίδας σε συνδυασμό με μια μέθοδο κυρτής βελτιστοποίησης που επιλύει κατανεμημένα την αντιστροφή της Ιακωβιανής των εξισώσεων ροής φορτίου του δικτύου. Η ακρίβεια και η αποτελεσματικότητα κάθε προτεινόμενης μεθόδου διερευνάται και αξιολογείται με μια σειρά σεναρίων προσομοίωσης, πρώτα σε απλοποιημένα δίκτυα διανομής λίγων κόμβων και στη συνέχεια σε μεγαλύτερα, πρότυπα δίκτυα. Στο τελευταίο κεφάλαιο, διερευνάται η δυνατότητα χρήσης τεχνολογιών κατανεμημένων μητρώων (blockchain) για την αντιμετώπιση προβλημάτων ευφυών δικτύων, αναγνωρίζοντας τις δυνατότητες και τους περιορισμούς που αυτές εμφανίζουν. Προτείνεται η επίλυση συγκεκριμένων κατηγοριών προβλημάτων και σε αυτήν την κατεύθυνση σχεδιάζονται και υλοποιούνται δύο σενάρια αποκεντρωμένων εφαρμογών, ένα για την αυτοματοποίηση της προμήθειας ηλεκτρικής ενέργειας και ένα για τη λειτουργία αποκεντρωμένης αγοράς ενέργειας στα πλαίσια των ενεργειακών κοινοτήτων.