Non-cooperative game models for the management of distributed energy resources on the residential sector
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Pedro Olmo Stancioli Vaz de Melo
Adriano Chaves Lisboa
Delberis Araujo Lima
Daniel Monte
Miguel Heleno
Adriano Chaves Lisboa
Delberis Araujo Lima
Daniel Monte
Miguel Heleno
Resumo
Transactive control (TC) has emerged as a form of coordinating the multiple agents in power systems (consumers, producers, DSOs, TSOs, aggregators etc.) while considering their particularities, priorities, interests, and autonomy. The idea is to optimize the allocation of resources (e.g. generation, controllable devices and loads) by enabling actors to interact with each other and exchange information about consumption, generation, constraints and preferences until an equilibrium solution is reached. This market-based control is naturally decentralized and entails a transparent decision-making process. These characteristics make TC an attractive solution for controlling distributed energy resources (DERs), specially in the residential sector, in which privacy is a main concern and a large number of consumers exist. In order to contribute to the development and performance evaluation of game theoretic algorithms in the context of transactive control, this thesis proposes a game theoretic framework for including integer and energy variant loads to the set of appliances managed by the TC approach. The theoretical impacts of including such loads is studied, while considering different game models: 1) with quadratic total cost function and per-timeslot billing; 2) with quadratic total cost function and proportional-to-consumption billing; and 3) with peak pricing total cost function and proportional-to-consumption billing. Multiple aspects of the proposed games are analyzed, such as existence and multiplicity of Nash Equilibria, fairness and equity of the different billings, and cheating behavior. The games are simulated using real data from an LV community in the South of Spain with 201 consumers, and results corroborate the theoretical developments of the thesis.
Abstract
O controle transativo (TC) surgiu como uma forma de coordenar os múltiplos agentes dos
sistemas de energia (consumidores, produtores, operadores de sistemas de distribuição,
operadores de sistema de transmissão, agregadores etc.) considerando suas particularidades,
prioridades, interesses e autonomia. A ideia é otimizar a alocação de recursos (por exemplo,
geração, dispositivos controláveis e cargas) permitindo que os atores interajam entre si e
troquem informações sobre consumo, geração, restrições e preferências até que um equilíbrio
seja alcançado. Esse controle é naturalmente descentralizado e envolve um processo de
tomada de decisão transparente. Essas características tornam o TC uma solução atrativa
para o controle de recursos energéticos distribuídos (DERs), principalmente no setor
residencial, onde a privacidade é uma das principais preocupações e existe um grande
número de consumidores. Com o objetivo de contribuir para o desenvolvimento e avaliação
de desempenho de algoritmos de teoria dos jogos no contexto de controle transativo, esta
tese propõe um arcabouço teórico de jogos para incluir cargas inteiras e com energia
variante ao conjunto de aparelhos gerenciados pela abordagem TC. Os impactos teóricos
da inclusão de tais cargas são estudados, considerando diferentes modelos de jogo: 1) com
função de custo total quadrático e faturamento por horário; 2) com função de custo total
quadrática e faturamento proporcional ao consumo; e 3) com função de custo total de preço
de pico e faturamento proporcional ao consumo. Múltiplos aspectos dos jogos propostos
são analisados, como existência e multiplicidade de Equilíbrios de Nash, justiça e equidade
dos diferentes faturamentos e comportamento de trapaça. Os jogos são simulados usando
dados reais de uma comunidade de baixa tensão no sul da Espanha com 201 consumidores,
e os resultados corroboram os desenvolvimentos teóricos da tese.
Assunto
Engenharia elétrica, Recursos energéticos, Energia elétrica - Distribuição - Baixa tensão
Palavras-chave
Energy communities, Load scheduling, Non-cooperative games, Thermostatically controlled loads, Transactive control