Ανάπτυξη συστημάτων διαχείρισης ενέργειας που ενσωματώνουν υπολογιστική νοημοσύνη για το σχεδιασμό και έλεγχο αυτόνομων μικροδικτύων
Authors: Καραβάς Χρήστος-Σπυρίδων 
Published: September 2021

Η αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού, η αστικοποίηση και ο εκσυγχρονισμός του τρόπου ζωής έχουν οδηγήσει σε ένα από τα πιο αξιοσημείωτα ζητήματα της παγκόσμιας ατζέντας, που είναι η συνεχής αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης ενέργειας. Σήμερα, εκατομμύρια άνθρωποι δε μπορούν να καλύψουν τις ενεργειακές τους ανάγκες και επίσης υπάρχουν πολλές περιοχές παγκοσμίως χωρίς πρόσβαση σε δίκτυο ηλεκτροδότησης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το πρόβλημα της ηλεκτροδότησης αντιμετωπίζεται κυρίως με τη χρήση ηλεκτρογεννητριών που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα που έχουν σημαντικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι μια εναλλακτική, βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον λύση. Η ραγδαία χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει οδηγήσει στην αλλαγή της λειτουργίας των δικτύων, όπου η χρήση υβριδικών συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συστήματα αποθήκευσης και ηλεκτρογεννήτριες σχηματίζουν επιμέρους υποδίκτυα, τα οποία ονομάζονται μικροδίκτυα. Τα μικροδίκτυα βασίζονται στην κατανεμημένη παραγωγή ισχύος με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών και αναδεικνύονται στα πιο εξελιγμένα τεχνολογικά δίκτυα. Τα μικροδίκτυα μπορούν να λειτουργήσουν είτε σε διασύνδεση με κεντρικό δίκτυο ηλεκτροδότησης είτε αυτόνομα καλύπτοντας τις ανάγκες της περιοχής που εξυπηρετούν. Ένα ακόμη σημαντικό διεθνές κοινωνικό πρόβλημα αποτελεί η διαθεσιμότητα πόσιμου νερού. Οι περισσότερες περιοχές στο κόσμο που αντιμετωπίζουν έλλειψη πόσιμου νερού είναι κυρίως παράκτιες ή νησιωτικές, που όμως διαθέτουν υψηλό ηλιακό ή/και αιολικό δυναμικό. Οπότε, ο συνδυασμός συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με συστήματα αφαλάτωσης αποτελεί μία ιδανική λύση για τη παροχή υψηλής ποιότητας καθαρού νερού. Επίσης, ένας πολύ σημαντικός λόγος της αύξησης στη κατανάλωση των ορυκτών καυσίμων αποτελεί η χρήση τους ως καύσιμο για μετακινήσεις. Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτικό οικολογικό καύσιμο των μετακινήσεων καθώς μπορεί να παραχθεί μέσω μονάδων ηλεκτρόλυσης που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ισχύ και νερό. Τόσο τα συστήματα αφαλάτωσης όσο και οι μονάδες ηλεκτρόλυσης καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια και μπορούν να αποτελέσουν μονάδες ενός μικροδικτύου. Καθώς το μικροδίκτυο γίνεται όλο και πιο περίπλοκο, συστήματα διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου είναι απαραίτητα για τη βέλτιστη λειτουργία του. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη συστημάτων διαχείρισης και ελέγχου υβριδικών συστημάτων ενέργειας και μικροδικτύων με τη χρήση ευφυών πρακτόρων που ενσωματώνουν τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης, με σκοπό τη βέλτιστη λειτουργία τους. Αρχικά δίδεται μια σύντομη περιγραφή των αποκεντρωμένων συστημάτων διαχείρισης ενέργειας σε ενεργειακά συστήματα, παρουσιάζοντας τα πλεονεκτήματα της χρήσης τους σε σχέση με τα συγκεντρωτικά συστήματα διαχείρισης ενέργειας, και γίνεται αναφορά στη χρήση της τεχνολογίας των συστημάτων πολλαπλών πρακτόρων, δίδοντας παράλληλα κάποια βασικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής τους. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης που μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα σύστημα ευφυών πρακτόρων. Κατόπιν παρουσιάζεται ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας που βασίζεται σε ένα σύστημα πολλαπλών ευφυών πρακτόρων για ένα αυτόνομο μικροδίκτυο. Κάθε μονάδα του μικροδικτύου ελέγχεται από ένα ευφυή πράκτορα. Οι πράκτορες επικοινωνούν και συνεργάζονται μεταξύ τους με σκοπό την ομαλή λειτουργία του μικροδικτύου. Μερικές μονάδες του μικροδικτύου (η μονάδα αφαλάτωσης, η μονάδα ηλεκτρόλυσης και η κυψέλη καυσίμου) μπορούν να λειτουργούν σε μερικό φορτίο. Ο ευφυής πράκτορας που ελέγχει την αντίστοιχη μονάδα επιλέγει το σημείο λειτουργίας της, χρησιμοποιώντας τη θεωρία των Ασαφών Γνωστικών Χαρτών. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε η θεωρία σμηνών για την εύρεση του βέλτιστου οικονομικά μικροδικτύου που καλύπτει πλήρως τις ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια, πόσιμο νερό και υδρογόνο ως καύσιμο, της περιοχής που εξυπηρετεί. Μέσω της βελτιστοποίησης, επιλέχθηκε η διαστασιολόγηση της κάθε μονάδας του μικροδικτύου. Το προτεινόμενο σύστημα διαχείρισης ενέργειας συγκρίθηκε με ένα συγκεντρωτικό σύστημα διαχείρισης ενέργειας και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση ενός αποκεντρωμένου συστήματος διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου με τη χρήση ευφυών συνεργατικών πρακτόρων μπορεί να εφαρμοστεί με επιτυχία στο σχεδιασμό και στον έλεγχο ενός μικροδικτύου, παρουσιάζοντας μικρότερο κίνδυνο πλήρους κατάρρευσης του συστήματος, καθώς μια πιθανή αποτυχία ορισμένων πρακτόρων δεν μεταφράζεται σε ολική κατάρρευση του συστήματος διαχείρισης ενέργειας, και παράλληλα κατάφερε να αξιοποιήσει και να ελέγξει καλύτερα τις διαθέσιμες μονάδες του μικροδικτύου, γεγονός που με τη σειρά του οδήγησε σε ένα οικονομικότερο αποτέλεσμα. Ένα άλλο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η εύρεση του βέλτιστου συστήματος που περιλαμβάνει μια μονάδα αφαλάτωσης τροφοδοτούμενη με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο της Γεωργικής Μηχανολογίας του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών, η πειραματική διερεύνηση μια μονάδας αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης θαλασσινού νερού. Έπειτα, εξετάστηκαν διάφορα σενάρια ως προς τη βέλτιστη, τεχνικά και οικονομικά, σχεδίαση του συστήματος τροφοδοτούμενο με ενέργεια από φωτοβολταϊκά. Μελετήθηκαν οι περιπτώσεις όπου το σύστημα είτε τροφοδοτείται απευθείας από τη φωτοβολταϊκά συστοιχία, είτε περιλαμβάνει και μονάδες αποθήκευσης ενέργειας με τη στήριξη διαφόρων συστημάτων διαχείρισης ενέργειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το βέλτιστο σύστημα είναι το σύστημα που περιλαμβάνει μια μικρής χωρητικότητας συστοιχίας συσσωρευτών και ελέγχεται από ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας που ενσωματώνει τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης. Έπειτα, σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εγκαταστάθηκε στο εργαστήριο ένα αυτόνομο μικροδίκτυο για τη τροφοδοσία μια μονάδας αφαλάτωσης. Το μικροδίκτυο περιλαμβάνει δύο μονάδες αποθήκευσης ενέργειας. Η πρώτη αποτελεί μία καινοτόμα μονάδα ηλεκτρικής αποθήκευσης που αποτελείται από μια συστοιχία υβριδικών πυκνωτών, ενώ η δεύτερη αποτελεί μια υδραυλική αποθήκη ενέργειας μέσω της χρήσης πιεστικών δοχείων. Το μικροδίκτυο ελέγχεται από ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας που βασίζεται σε συνεργατικούς ευφυείς πράκτορες με σκοπό τη μεγιστοποίηση της παραγωγής πόσιμου νερού μέσω της βέλτιστης αξιοποίησης των μονάδων παραγωγής ενέργειας και των μονάδων αποθήκευσης. Τέλος, καθώς εξετάστηκε, τόσο μέσω προσομοίωσης όσο και πειραματικά, η χρήση συνεργατικών ευφυών πρακτόρων για ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου ενός μικροδικτύου και παρουσιάστηκαν τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής αυτής, στη συνέχεια εξετάστηκε η χρήση ανταγωνιστικών ευφυών πρακτόρων. Σε ένα μικροδίκτυο μπορεί οι πράκτορες να έχουν ως κοινό σκοπό τη πλήρη κάλυψη των αναγκών αλλά μπορεί να έχουν παράλληλα και διαφορετικούς στόχους ή οι στρατηγικές του καθενός να επηρεάζουν τις ενέργειες των άλλων. Στη βάση αυτή, σχεδιάστηκε ένα σύστημα πολλαπλών πρακτόρων για ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας ενός μικροδικτύου, όπου οι πράκτορες είτε συνεργάζονται είτε ανταγωνίζονται. Δημιουργήθηκαν δύο παίγνια ελέγχου, ένα συνεργατικό και ένα ανταγωνιστικό. Για την επίλυση και την εύρεση του σημείου ισορροπίας των παιγνίων χρησιμοποιήθηκε η ισορροπία Nash. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση του προτεινόμενου συστήματος πολλαπλών πρακτόρων για ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας ενός αυτόνομου μικροδικτύου, παρουσιάζει λιγότερες απώλειες ενέργειας και δίνει τη δυνατότητα σχεδιασμού ενός οικονομικότερου μικροδικτύου.