Distributed optimization for intelligent demand response in smart grids

Abstract

Over the recent past years, big research effort has been dedicated towards addressing a generic solution in Smart-Grid operation control problems. The integration of smart-metering, renewable energy resources, electric vehicle charging and energy storage have recently emerged in the electrical system scene and have caused the Demand Response problem to gain even more interest. Throughout the literature, various optimization techniques have been used to minimize the operation cost on Smart-Grid nodes, like buildings, microgrids and charging stations by reducing energy consumption, emissions and improving the quality of life and service of consumers. However, such an operation, is by no means an easy task. In this work, we present a series of novel algorithms which are aiming to optimize the operation of Smart-Grid nodes. More specifically, through different test cases of smart buildings, microgrids and electric vehicle charging stations, we validate the performance of these algorithms in minimizing the energy consumption, the financial cost, the emissions and the grid dependency of these test cases without neglecting the user comfort and needs. Furthermore, these operations take place under dynamically changing conditions like weather conditions, renewable energy resources, fluctuating energy prices and heterogeneous occupancy schedules.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, μεγάλη ερευνητική προσπάθεια έχει αφιερωθεί στην εύρεση μιας λύσης στα προβλήματα ελέγχου της λειτουργίας των "Ευφυών" Ηλεκτρικών Δικτύων. Η ενσωμάτωση των έξυπνων μετρητών, των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων και της αποθήκευσης ενέργειας ανέκυψε πρόσφατα στη σκηνή του ηλεκτρικού συστήματος και προκάλεσε ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον στο πρόβλημα της "Ευφυούς" ηλεκτρικής ζήτησης. Στην βιβλιογραφία χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές βελτιστοποίησης για την ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας των κόμβων ενός Ηλεκτρικού Δικτύου , όπως τα κτίρια, τα μικροσυστήματα και οι σταθμοί φόρτισης ηλεκτικών οχημάτων, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας, τις εκπομπές ρύπων και βελτιώνοντας την ποιότητα ζωής και την εξυπηρέτηση των καταναλωτών. Ωστόσο, μια τέτοια διαδικασία και μελέτη, δεν είναι ένα καθόλου εύκολο έργο. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζουμε μια σειρά καινοτόμων αλγορίθμων που στοχεύουν στη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των κόμβων ενός ηλεκτρικού δικτύου. Συγκεκριμένα, μέσω διάφορων συστημάτων προσομοίωσης έξυπνων κτιρίων, μικροδικτύων και σταθμών φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, επικυρώνουμε την απόδοση αυτών των αλγορίθμων στην ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας, του οικονομικού κόστους, των εκπομπών ρύπων και της εξάρτησης από το δίκτυο, χωρίς να παραμελούμε την άνεση του χρήστη και τις ανάγκες του. Επιπλέον, οι ενέργειες αυτές πραγματοποιούνται υπό δυναμικά μεταβαλλόμενες συνθήκες όπως οι καιρικές συνθήκες, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, οι διακυμάνσεις των τιμών της ηλεκτρικής ενέργειας και τα ετερογενή χρονοδιαγράμματα χρήσης.