Software system for multi-criteria planning and management of hybrid microgrids

Abstract

Efficient operation and management of energy systems in the context of increasing penetration of distributed resources and renewable energy sources combined with energy storages, gird-tied configurations and deregulated energy market context pose a complex energy-dispatching problem, the one conventional energy management systems are not able to cope with. This complexity also hinders faster adoption of renewables and aggravates their cost effectiveness. This thesis proposes an innovative software system, which brings advanced microgrid planning, and operation algorithms while leveraging existing supervision and control systems to collect data and information from the field level but also to forward desired control action. Moreover, the thesis also proposes innovative approach for seamless integration with diverse, legacy, ICT systems thus contributing to system large-scale applicability. Following is a breakdown of concrete results and outputs with emphasis on their specific advancements comparted to existing approaches. Similarly, to existing approaches the underlying methodology of microgrid planning tool considers hybrid energy infrastructures with both conventional and renewable energy sources, converters and storages, featured by their mathematical representation. However, proposed methodology advances existing tools and planning approaches by simultaneously considering both electric and thermal energy domain, by considering both grid-tied and isolated deployment scenarios and, foremost, by leveraging demand side flexibility for optimized dimensioning of energy assets. Moreover, multi-criteria decision-making algorithms are used to rank multiple feasible planning alternatives. For the purpose of determining expected energy demand profile, an approach to leverage user habits and behaviour together with characteristics of existing energy infrastructure, rather than building physics, was developed. The developed microgrid management tool aimed at providing additional intelligence to existing supervision and control systems resulting in the cost savings typically exceeding 10%, as demonstrated in a real world use case, at the cost of ICT system retrofit. The achieved level of cost savings is comparable to those of retrofit of energy assets, which require considerable higher investments. The underlying microgrid management methodology complements existing approaches that optimize energy imports for a desired demand and available storages, by introducing appliance-level demand response actions, which can be immediately translated into control actions. Lastly, an ontology-based facility model of complex facilities and corresponding energy infrastructure was developed together with unified messaging format to enable semantic interoperability of existing diverse, legacy, supervision and control systems, which use proprietary communication protocols. By employing semantic web technologies and leveraging existing models and standards, the developed model stores contextual knowledge about the entire facility, and not just energy infrastructure, thus enables enhancement of energy management algorithms and allowing for application of dynamic energy efficiency measures.

Efikasno upravljanje energetskom infrastrukturom u kontekstu sve većeg udela distribuiranih resursa i obnovljivih izvora energije u kombinaciji sa skladištima energije postaje sve veći izazov. Kada se još ima u vidu da su ovakvi hibridni sistemi sve češće povezani na distributivnu mrežu i da funkcionišu u kontekstu liberalnog tržišta energije, postaje jasno zašto postojeći sistemi za upravljanje imaju sve više problema da ostvare efikasan rad. Ova složenost upravljanja takođe otežava i bržu penetraciju obnovljivih izvora i doprinosi nepredvidivosti po pitanju njihove ekonomičnosti. Ova teza predlaže inovativni softverski sistem koji donosi napredne algoritme za planiranje i upravljanje hibridnim mikro-mrežama, pri čemu se oslanja na postojeće sisteme nadzora upravljanja za potrebe prikupljanja podataka i neophodnih informacija sa fizičkog sloja, ali i za prosleđivanje i sprovođenje donesene kontrolne akcije. Imajući u vidu ovu vrstu zavisnosti od postojećih sistema, jedan od doprinosa teze je bio upravo razvoj inovativnog pristupa za jednostavnu integraciju sa postojećim IKT sistemima koji često koristite posebne, nestandardne, protokole i mehanizme za komunikaciju. S tim u vezi, predloženo rešenje prevazilazi potrebe za komunikacionom i semantičkom interoperabilnosti i otvara prostor za napredno rezonovanje. U nastavku je dat kratak pregled konkretnih rezultata kao i osnovnih doprinosa u odnosu na postojeća rešenja. Pre svega, razvijen je alat za planiranje, odnosno dizajn, mikro-mreže koji slično postojećim pristupima razmatra hibridne energetske infrastrukture sa konvencionalnim i obnovljivim izvorima energije, različitim elementima za konverziju kao i skladištima energije putem odgovarajućih matematičkih modela različite kompleksnosti. Međutim, predložena metodologija unapređuje postojeće alate i pristupe u planiranju kroz integralno razmatranje domena električne i toplotne energije, razmatranja kako izolovanih sistema tako i onih povezanih na distributivnu mrežu, ali pre svega, primenom fleksibilnosti na strani potrošnje za optimalno dimenzionisanje elemenata mikro-mreže. Pored toga, za potrebe rangiranja višestrukog broja prihvatljivih alternativa, korišćeni su posebni algoritmi za višekriterijumsko odlučivanje. Takođe, razvijen je inovativni model potrošnje koji ima zadatak da utvrdi očekivani profila potrošnje energije. Predloženi model se ne naslanja na uobičajene modele koji se zasnivaju na fizičkom modelu zgrade već se uvodi metodologiju koja polazi od navika i zahteva samog korisnika kao i postojećih potrošača. U okviru teze, razvijen je i alat za upravljanje mikro-mrežom koji ima za cilj nadogradnju postojećih sistema za upravljanje. Naime, razvijeni alat je testiran u realnom okruženju gde je ostvario prosečne uštede troškova reda 10% kroz jednostavnu, softversku, nadgradnju postojeće upravljačke infrastrukture. Dobijeni rezultati su potpuno uporedivi sa onima koji se dobijaju prilikom neuporedivo većih investicija koje se tiču zamene pojedinih uređaja za neke efikasnije. Predložena metodologija, koja je implementirana u okviru ovog alata, se konceptualno oslanja na neke od postojećih pristupa ali pravi kvalitativni pomak u odnosu na njih jer uvodi u razmatranje upravljanje potrošnjom, i to na nivou pojedinačnih uređaja, što dalje omogućuje direktnu primenu rezultata optimizacije na odgovarajuće kontrolne akcije, što nije slučaj sa postojećim metodama. Konačno, u okviru teze je razvijen i model kompleksnih objekata i njihove odgovarajuće energetske infrastrukture kao i unificirani model za komunikaciju kako bi se omogućila semantička interoperabilnost postojećih nadzornih i kontrolnih sistema koji često koriste posebne, nestandardne, komunikacijske protokole. Korišćenjem tehnologija semantičkog veba i polazeći od već postojećih modela i standarda, razvijeni model služi kao baza znanje o čitavom sistemu, a ne samo energetskoj infrastrukturi, čime se omogućava unapređenje algoritama za upravljanje energijom i omogućava primena dinamičkih mera energetske efikasnosti.