smart grid model - wordpress.com€¦ · smart grid model 1 october 2014 ieee/acm toulouse....
TRANSCRIPT
Optimization in a complex system:
How to optimize the consumption, the production and the distribution of the energy in a Smart Grid.
Multicriteria optimization:
-Resilience.-Reliability.-Minimal cost (flow, production, consumption).-Supply and demand management.
Problematic
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The actual Energy Grid is based on Nikola Tesla works (1888).
Shortcoming:- Structure: integration of Renewable
Energy, management of batteries, NTIC.
- Consumption: congestion, network latency, profitability of plants.
Smart Grid : network integrating behaviors and actions of users.
Industrial goals
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Global behavior:
- To smooth the curve
- To optimize supply and demand
- To guarantee QoS.
New network characteristics
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• Self-Healing
• Flexibility
• Predictive
• Interactive
• Optimal
• Sure.
Actual models
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Most of simulations/models are done
on a specific case with a limited
evolution.
Disadvantage of Cartesian approach:
- Computational time depending of
the size of the instance.
- Data storage, data mining.
- Models are not « plug-and-play »
and « friendly ».
Objective: to optimize in real time a context-free Smart Grid.
A complex system
• It is difficult to find an objective function solving the overall problem.
• The number of variables involved range up to thousands of entities.
Kirkpatrick et al. (1983)
• To find an apppropriateclass of algorithms for optimizing local applications.
• Parameters between each applications should be granted.
Grefenstette (1986)
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Goal: to find a method in order to analyse and define a model of a complex system.
Bottom-up analysis
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Global equilibrium
Feedback
Global objectives
Algorithms
Optimization
• Interaction
• Communication
• Behaviors
Subsystem
Structure Agent Goal
Would it not be better and permissive to understand the fundamentals and drivers of Smart Grid rather than imposing new and often incompatible technologies?
Smart Grid: network and local objectives
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T&D network
Local network
Several competitive goals:
• To minimize the cost for producers, consumers and during distribution.
• To avoid congestion, under/overproduction.
• To maximize the using of local Renewable Energies.
• To manage the batteries.
Device’s data for a smart management
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Device Power, in Watts Consumption scheme Usage time Average consumption
Converted data for the model:
• Devices (Consumer or Producer).• Consumption: Power, in Watts.• Priority: it depends on several data of the device and
its impact on demand-side management.• Cost: used by each device in all algorithms.
Industrial data
General process
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• Bottom-up– First allocation following
prognostics
– If prognostics are true, the iteration is ended.
• Top-down– Equilibrium between supplies
and demands
– Final allocation and stats for future iterations.
Bottom - up
Top - down
Local level
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Update
• Data update (devices, sensors, batteries).
First allocation
• To compare prognostics to data.
First allocation II
• Result of local knapsack problem.
Iteration: each 5min.
Microgrid level
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Game theory
• Demand-side management
• Feedback with T&D
• Prognostics are calculated (infinite values).
Final allocation
• Local knapsack problem
• Knapsack bottom-up resolution.
Strategies
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Strategies Priority Cost
Simple device using Standard Standard
Peak shaving Increasing Decreasing
Conservation Increasing Decreasing
Load shifting Increasing/Decreasing ‘’
Congestion Increasing Standard
Under-consumption Decreasing Standard
Over-consumption Standard Increasing
- Priority: impact of feedback on the priority of the devices- Cost: impact of feedback on the cost of the strategy.
T&D level
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Graph update
• Network data update.
Max flow, min cost
• Busacker et Gowen algorithm.
Equilibrium
• Using of infinite consumption and infinite production to identify bottleneck.
T&D network
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• Idea • Network
How to build a dynamic graph ?
Benefits: real time management, detailed network, easy to parametrize.
Adhesion function and interior function for a given criterion.
To define lower and upper cost.
To prevent congestion.
Resolved by Busacker and Gowenalgorithms.
Smart Grid: an iteration.
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- Local first allocation;- Game between microgrids and producers;- Feedback (by infinite values);- Equilibrium: local to microgrid allocation by
knapsack problem resolution.
How to smooth the curve ?
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• Slope and regularity • K-Lipschitz function
Local algorithm cannot see the overall results.
General knapsack problem
• Knapsack problem under constraints:
– our tout instant T
– max 𝑖=1𝑛 𝑥𝑖 𝑢𝑖
• xi=1 si la demande en énergie est satisfaite à l’instant T, 0 sinon.
• Ui= valeur calculée lors du sac-à-dos ou lors des enchères (modèle économique).
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– For each iteration
max
𝑖=1
𝑛
𝑥𝑖 𝑢𝑖
s.t. 𝑖=1𝑛 𝑥𝑖𝑤𝑖 ≤ 𝑊
𝑗
𝑖=1𝑛 𝑎𝑖
𝑘 𝑤𝑖 ≤ 𝑊𝑘
𝑖=1𝑚 𝑎𝑖
𝑘 = 𝑥𝑖
𝑗=1𝑎𝑙𝑙(𝑗)𝑊𝑗 = 𝑘=1
all(𝑘)𝑊𝑘
• j for each microgrid
• k for each flow• Wj consumption of each
microgrid.
How to increase the efficiency of algorithms ?
How to enhance the system ?
• Convex maximization:– Knapsack problem is a
quadratic convex maximization problem.
– Two quick and simple algorithms to resolve this problem (<5min for 300 entities).
• Enhance the model:– To compare result of the KP
with the iteration with same data.
– Some parameters impact the effect of each strategy costs.
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Local benefits
• Benefits:– Using of local renewable
energy.
– Battery/electric vehicles management with some plugin.
– Minimal using of the general distribution network.
– Gross and net consumption.
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Global benefits
• For the producer:– The curve is smoothed– No more peaks– Reduction of carbon
uses.
• For the consumers:– Demand-side
management reduce global cost.
– Reduced cost in function of participation.
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Publications
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Journal
Guérard, G., Amor, S. B., & Bui, A. (2012). Survey on smart grid modelling. International Journal of Systems, Control and
Communications, 4(4), 262-279.
Ahat, M., Amor, S. B., Bui, M., Bui, A., Guérard, G., & Petermann, C. (2013). Smart grid and optimization. American Journal of
Operations Research, 3, 196.
Guérard, G., & Tseveendorj, I. (2014), Inscribed Ball and Enclosing Box for Convex Maximization Problems. Optimization Letters (2nd
revised edition).
Conferences
Guérard, G., Amor, S. B., & Bui, A. (2012, April). Approche système complexe pour la modélisation des smart grids. In 13th Roadef
Conference, Angers, France (pp. 263-264).
Guérard, G., Amor, S. B., & Bui, A. (2012). A Complex System Approach for Smart Grid Analysis and Modeling. In KES (pp. 788-797).
Amor, S. B., Bui, A., & Guérard, G. (2013). Méthode d’Analyse d’un Système Complexe pour la Recherche Opérationnelle: Smart Grid.
Recherche Opérationnelle et Aide à la DEcision Française (ROADEF’13).
MAGO14, Guérard, G., & Tseveendorj, I. (2014) Largest Inscribed Ball and Minimal Enclosing Box for Convex Maximization Problems.
IEEE/ACM'14, Guérard, G., Amor, S. B., & Bui, A. (2014). A Context-Free Smart Grid Model Using Complex System Approach.
ProjectEPIT 2.0 (Bouygues, Alstom; Renault, Supélec, Eurodecision) 2011-2014
GARE (SNCF) 2011-2012
•
Ancienne itération
• Exemple :– 2 centrales– 2 microgrids– 5 maisons
• Résultats / pronostiques :– Maison1 : 4/4– Maison2 : 5/7– Maison3 : 17/12– Maison4 : 4/9– Maison5 : 10/6– Centrale1 : 20/20– Centrale2 : 21/20
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Mise à jour des consommations
Maison1 Maison2 Maison3 Maison4 Maison5
1/0/811/1/803/0/835/2/7520/4/20
Prévision : 4Conso_moy : 5
1/0/161/0/162/1/153/0/184/3/75/3/5
Prévision: 6Conso_moy: 7
1/01/010/0
Prévision: 12
1/0/331/1/323/0/353/2/294/1/328/4/8
Prévision: 8Conso_moy: 9
1/03/0
Prévision: 6
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Calcul de la valeur d’un appareil i dans une maison : valeuri=(poidsmax*prioritémax)-(poidsi*prioritéi) + poidsi
Consommation résiduelle : le niveau local ne demande que ce qu’il ne produit pas lui-même (de même pour le microgrid).
-> Demande nette de consommationDSM : seul les appareils intelligents/domotique peuvent avoir une priorité supérieur à 0.
Type de jeux : utilité maximale
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Stratégie local : somme des utilités*consommation/priorité (>1)Stratégie T&D : somme des (utilité/priorité-v)*consommationv (valeur unitaire) : moyenne de l’utilité par unité de consommation
Stratégie(Utilité)
Maison 1 v=34
Maison 2V=10
Maison 3 Maison 4V=22,5
Maison 5
0 330/194 77/27 Done 138/47 Done
1 410/240 107/37 298/56,5
2 620/257,5 341,5/32,5
3 none 125/-36
4 720/-322,5 357,5/-131,5
5 none
Enchère (consommation)
10 7 12 12 4
Mise-à-jour du routage
• Mise-à-jour– Centrale2 : production de 21 à 20
– Microgrid2 : consommation de 31 à 25
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Graphe résiduel et nouveau routage
1. Mise-à-jour du réseau :• Production• Mise en place du graphe résiduel
2. Mise-à-jour du routage.3. Flot max par Ford-Fulkerson.
Nouveau routage et rétroaction
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Résolution par Ford-fulkerson
1. Nous récompensons les deux Microgrids.2. Surproduction sur les deux centrales.
4. Détection des goulots d’étranglement(production et consommation) et de lacongestion.
Enchères finales
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• Microgrid1– Maison1 : enchère de 4. – Maison2 : enchère de 8.
– Total : 12,– Prévision : 10,– Reçu i-1 : 9.
• Microgrid2– Maison3 : enchère de 13.– Maison4 : enchère de 11.– Maison5 : enchère de 4.
– Total : 28, – Prévision : 26, – Reçu i-1 : 31.
Consommation finale
Maison1 Maison2 Maison3 Maison4 Maison5
1/0/811/1/803/0/835/2/7520/4/20
Reçu : 4Consommé : 4Reste : 0
1/0/161/0/162/1/153/0/184/3/75/3/5
Reçu : 8Consommé : 7Reste : 1
1/01/010/0
Reçu : 13Consommé : 12Reste : 1
1/0/331/1/323/0/353/2/294/1/328/4/8
Reçu : 11Consommé : 9Reste : 2
1/03/0
Reçu : 4Consommé : 4Reste : 0
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Poids/Priorité/Valeur, le résultat du KP local est en rouge, et du KP microgrid en vert.Il est possible de faire un jeu final pour la distribution des ressources.
Microgrid1 reste : 1Consommé : 1Reste : 0
Microgrid2 reste : 3Consommé : 3Reste : 0
Résultats de l’itération
• Exemple :– 2 centrales– 2 microgrids– 5 maisons
• Résultats / pronostiques :– Maison1 : 4/4+– Maison2 : 7/7+– Maison3 : 12/12-– Maison4 : 12/12– Maison5 : 4/4+– Centrale1 : 20/20+– Centrale 2 : 20/20+
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