title: Contribution to the operation of deregulated electricity markets under high penetration of energy storage and renewable energy sources

title: Συμβολή στην λειτουργία πλήρως απελευθερωμένων αγορών ηλεκτρικής ενέργειας με μεγάλη διείσδυση συστημάτων αποθήκευσης και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας
Creators: name: Συμιακακης Ματθαιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: In this study, we delve into the modelling of electricity market end-users and the design and implementation of a hierarchical blockchain-powered electricity market for peer-to-peer trading. This work harnesses the potential of decentralized energy trading by creating a structured framework where end-users can participate actively in electricity trading across multiple market levels. The entire process was anchored in a three-tiered market structure: the Community level, the District level, and the overarching Smart Grid level. To achieve this, we first modelled residential prosumers, renewable energy sources, Electric Vehicle aggregators, and medium to large consumers and producers that would participate in a peer-to-peer market to identify their characteristics and behaviours before generating their value-price pairs for market participation. With that knowledge we then designed and implemented a hierarchical blockchain-powered electricity market framework to facilitate p2p energy trading between end-users. The proposed market was built using the Hyperledger Fabric framework featuring a multi blockchain design with a sophisticated per-hierarchical-level smart contracts implementation. The design and implementation of the proposed market scheme focused on scalability, and privacy by implementing aggregation of orders at each market level. Our framework was then put to the test in a comprehensive case study that consisted of 50 simulations, and showcased a scenario of 1056 prosumers of various sizes. The results highlighted the system’s proficiency in facilitating trading across multiple market tiers. By leveraging aggregated pricing, the system was able to achieve a commendable clearance of quantities for all participating prosumers. A performance analysis was also conducted to gauge the system’s operational capabilities. The results from this examination were quite promising, with our implementation showcasing exceptional throughput rates and impressive latency numbers, especially when compared to similar Hyperledger Fabric architectures. These findings, combined with the positive outcomes of our case study, underline the potential of our design for real-world adoption.
description: Στην παρούσα εργασία, εμβαθύνουμε στη μοντελοποίηση των τελικών χρηστών της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας και στο σχεδιασμό και την υλοποίηση μιας ιεραρχικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιόντας την τεχνολογία blockchain για συναλλαγές μεταξύ ομοτίμων (Peer-to-Peer). Η εργασία αυτή αξιοποιεί τις δυνατότητες των αποκεντρωμένων συναλλαγών ενέργειας δημιουργώντας ένα δομημένο πλαίσιο όπου οι τελικοί χρήστες μπορούν να συμμετέχουν ενεργά στις συναλλαγές ηλεκτρικής ενέργειας σε πολλαπλά επίπεδα αγοράς. Η όλη διαδικασία υλοποιήθηκε μέσω αγοράς τριών επιπέδων: το επίπεδο της Κοινότητας, το επίπεδο της Περιφέρειας και το γενικότερο επίπεδο του έξυπνου δικτύου (Smart Grid). Για να το επιτύχουμε αυτό, μοντελοποιήσαμε πρώτα τους οικιακούς παραγωγούς-καταναλωτές (prosumers), τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τους συσσωρευτές ηλεκτρικών οχημάτων και τους μεσαίους έως μεγάλους καταναλωτές και παραγωγούς που θα συμμετείχαν σε μια ομότιμη αγορά για να προσδιορίσουμε τα χαρακτηριστικά και τις συμπεριφορές τους πριν δημιουργήσουμε τα ζεύγη τιμών-αξίας για τη συμμετοχή τους στην αγορά. Με αυτή τη γνώση σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε στη συνέχεια ένα ιεραρχικό πλαίσιο αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας με blockchain για τη διευκόλυνση των p2p συναλλαγών ενέργειας μεταξύ τελικών χρηστών. Η προτεινόμενη αγορά κατασκευάστηκε με τη χρήση του Hyperledger Fabric framework που διαθέτει σχεδιασμό πολλαπλών blockchain με χρήση έξυπνων συμβολαίων ανά ιεραρχικό επίπεδο. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση του προτεινόμενου συστήματος αγοράς επικεντρώθηκε στην επεκτασιμότητα, την επεκτασιμότητα και την προστασία της ιδιωτικής ζωής με την υλοποίηση της συγκέντρωσης των εντολών σε κάθε επίπεδο αγοράς. Στη συνέχεια, το πλαίσιό μας δοκιμάστηκε σε μια ολοκληρωμένη μελέτη περίπτωσης που περιλάμβανε 50 προσομοιώσεις και παρουσίαζε ένα σενάριο με 1056 prosumers διαφόρων μεγεθών. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την επάρκεια του συστήματος στη διευκόλυνση των συναλλαγών σε πολλαπλά επίπεδα αγοράς. Αξιοποιώντας τη συγκεντρωτική τιμολόγηση, το σύστημα μπόρεσε να επιτύχει μια αξιέπαινη εκκαθάριση των ποσοτήτων για όλους τους συμμετέχοντες prosumers. Πραγματοποιήθηκε επίσης ανάλυση επιδόσεων για τη μέτρηση των λειτουργικών δυνατοτήτων του συστήματος. Τα αποτελέσματα αυτής της εξέτασης ήταν αρκετά ελπιδοφόρα, με την υλοποίησή μας να επιδεικνύει εξαιρετικά ποσοστά απόδοσης και εντυπωσιακούς αριθμούς καθυστέρησης, ιδίως σε σύγκριση με παρόμοιες αρχιτεκτονικές Hyperledger Fabric. Τα ευρήματα αυτά, σε συνδυασμό με τα θετικά αποτελέσματα της μελέτης μας, υπογραμμίζουν τις δυνατότητες του σχεδιασμού μας για ευρύτερη υιοθέτηση σε πραγματικά σενάρια.