Σχεδιασμός, ανάπτυξη και πειραματική αξιολόγηση κατανεμημένων αλγορίθμων διαχείρισης έξυπνων δικτύων ενέργειας

Abstract

The growing energy demand over the last decades, has led scientific research towards innovative techniques of production, management, and forecasting of energy. In this context, the concept of smart grid refers to decentralized energy production, with the main focus on optimizing the efficiency of energy systems. The purpose of this doctoral dissertation is the study and analysis of intelligent electricity networks. In the first chapter, a brief introduction is made, the basic concepts of a "smart grid" are analyzed: As a new idea for the power supply system, the smart grid includes many advanced technologies, methodologies, new algorithms and creative architectures as a service but also for business operation, problem solving, such as reducing carbon emissions, optimizing resource allocation, network security and improving reliability and power supply in the best possible way. Chapter 2 then focuses on exploring the needs and identifying innovative ideas that will contribute to the research and development of the 5G PPP / 5G initiative to implement the use of smart grids with 5G technologies.In the 3th chapter, a topology of connecting an intelligent building with an intelligent network is analyzed. Efficient wireless data transmission techniques are studied, considering a building with three floors. In Chapter 4, a review is made of all the technologies of construction and charging of electric cars. Electric cars are a new type of cargo for the smart grid. For this purpose, the main characteristics and requirements of the inter-vehicle communications (Vehicle to Grid - V2G) are presented and analyzed, as well as the future developments and scenarios in matters of electrification. In addition, issues of integration with the fifth generation (5G) mobile cellular networks that are currently being developed are highlighted, in order to ensure the excellent quality of transmission and reception in vehicle-network communication to improve the user experience. This integration extends to the technology of autonomous vehicles (AVs) as it requires optimized processing of information from different sources, in order to ensure advanced traffic management in all its aspects. Chapter 5, deals with how user behavior can be configured so that different behaviors can be controlled. The simulation tools, interfaces, and extensible principles are then reviewed to provide a platform in which building modeling, control, and user behavior simulation are disconnected from power or network simulators and implemented as components. Its main contribution is the presentation of the basic functionality of such a smart network simulation tool which allows the independent development of the data and the utilization of the best tools at the sector level for quick examination in the form of a prototype. The main contribution of Chapter 6 is the presentation of the basic functionality of a smart grid simulation tool, which allows the independent development of the data and the utilization of the best tools at the sector level for quick examination in the form of a prototype. Finally, the seventh chapter analyzes the main conclusions of the dissertation, which will contribute to the already acquired knowledge and experience gained by other researchers, but also submits suggestions for future research.

H ολοένα αυξανόμενη ενεργειακή ζήτηση τις τελευταίες δεκαετίες έχει οδηγήσει στην αναζήτηση καινοτόμων τεχνικών παραγωγής, διαχείρισης και πρόβλεψης ενέργειας. Στο πλαίσιο αυτό, η έννοια του ευφυούς δικτύου αναφέρεται στην αποκεντρωμένη παραγωγή ενέργειας, με κύριο γνώμονα την βελτιστοποίηση της απόδοσης των ενεργειακών συστημάτων. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση ευφυών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Στο πρώτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται μια σύντομη εισαγωγή, αναλύονται οι βασικότερες έννοιες ενός «έξυπνου δικτύου» (smart grid): Ως μια νέα ιδέα για το σύστημα παροχής ενέργειας, το έξυπνο δίκτυο περιλαμβάνει πολλές προηγμένες τεχνολογίες, μεθοδολογίες, νέους αλγόριθμους και δημιουργικές αρχιτεκτονικές ως υπηρεσία αλλά και για την λειτουργία των επιχειρήσεων, την επίλυση προβλημάτων, όπως μείωση εκπομπών άνθρακα, βελτιστοποίηση κατανομής πόρων, ασφάλεια δικτύου και βελτίωση αξιοπιστίας και παροχής ενέργειας κατά τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Εν συνεχεία, το Δεύτερο κεφάλαιο εστιάζεται στη διερεύνηση των αναγκών και στην αναγνώριση καινοτόμων ιδεών που θα συμβάλουν στην έρευνα και στην ανάπτυξη της πρωτοβουλίας 5G ΡΡΡ / 5G για την υλοποίηση της χρήσης ευφυών δικτύων με τεχνολογίες 5G. Στο Τρίτο κεφάλαιο, αναλύεται μια τοπολογία διασύνδεσης ενός έξυπνου κτιρίου με ευφυές δίκτυο. Μελετώνται αποδοτικές τεχνικές ασύρματης μετάδοσης δεδομένων, σε θεωρητικό οικοδόμημα τριών ορόφων. Στο Τέταρτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται μια ανασκόπηση σε όλες τις τεχνολογίες κατασκευής και φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα συνιστούν ένα νέο είδος φορτίου για το έξυπνο δίκτυο. Για το σκοπό αυτό παρουσιάζονται και αναλύονται τα κύρια χαρακτηριστικά και οι απαιτήσεις των επικοινωνιών μεταξύ οχημάτων – δικτύου (Vehicle to Grid - V2G) , καθώς και οι μελλοντικές εξελίξεις και τα σενάρια σε θέματα εξηλεκτρισμού. Επιπλέον, επισημαίνονται ζητήματα ενσωμάτωσης με τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας πέμπτης γενιάς (5G) που αναπτύσσονται επί του παρόντος, ώστε να διασφαλιστεί η άριστη ποιότητα μετάδοσης και λήψης στην επικοινωνία οχημάτων – δικτύου για την βελτίωση της εμπειρίας του χρήστη. Η εν λόγω ενσωμάτωση επεκτείνεται και στην τεχνολογία αυτόνομων οχημάτων (Autonomous Vehicles - AVs) δεδομένου ότι απαιτείται βελτιστοποιημένη επεξεργασία πληροφοριών από διαφορετικές πηγές, προκειμένου να εξασφαλιστεί η προηγμένη διαχείριση της κυκλοφορίας σε όλες τις πτυχές της. Το Πέμπτο κεφάλαιο επεξεργάζεται πώς μπορεί να διαμορφωθεί η συμπεριφορά των χρηστών έτσι ώστε να μπορούν να ελεγχθούν διαφορετικές συμπεριφορές. Στη συνέχεια, αναθεωρούνται τα εργαλεία προσομοίωσης, οι υποδομές διασύνδεσης καθώς και οι αρχές που μπορούν να επεκταθούν προκειμένου να παρασχεθεί μια πλατφόρμα στην οποία η μοντελοποίηση και η προσομοίωση συμπεριφοράς κτιρίων, ελέγχου και συμπεριφοράς των χρηστών αποσυνδέονται από εξομοιωτές ισχύος ή δικτύου και υλοποιούνται ως συνιστώσες. Η κύρια συμβολή του είναι η παρουσίαση της βασικής λειτουργικότητας ενός τέτοιου εργαλείου προσομοίωσης έξυπνου δικτύου το οποίο επιτρέπει την ανεξάρτητη ανάπτυξη των στοιχείων και την αξιοποίηση των καλύτερων εργαλείων σε επίπεδο τομέα για γρήγορη εξέταση υπό μορφή πρωτοτύπου. Η κύρια συμβολή του Έκτου κεφαλαίου είναι η παρουσίαση της βασικής λειτουργικότητας ενός εργαλείου προσομοίωσης έξυπνου δικτύου, το οποίο επιτρέπει την ανεξάρτητη ανάπτυξη των στοιχείων και την αξιοποίηση των καλύτερων εργαλείων σε επίπεδο τομέα για γρήγορη εξέταση υπό μορφή πρωτοτύπου. Τέλος, στο Έβδομο κεφάλαιο αναλύονται τα βασικότερα συμπεράσματα της διατριβής, τα οποία θα συμβάλουν στην ήδη κεκτημένη γνώση και εμπειρία, την οποία αποκόμισαν άλλοι ερευνητές, αλλά κατατίθενται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.