Şebeke etkileşimli tüketiciler ile toplu talep yönetimi
Aggregated demand side management with grid responsive consumers
Yazar: MUSTAFA ALPARSLAN ZEHİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı binalar = Intelligent buildings ; Elektrik dağıtım şirketleri = Electiricity distrubution companies ; Elektrik güç sistemleri = Electric power systems ; Elektrik mühendisliği = Electricity engineering ; Elektrik piyasası = Electric market ; Elektrik tüketimi = Electric consumption ; Enerji depolama = Energy storage ; Enerji yönetim sistemleri = Energy management systems ; Talep yönetimi = Demand management ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Elektrik güç sistemleri, geçmişten günümüze dek süregelen çeşitli zorlukların yanı sıra, teknolojik gelişmelerin beraberinde getirdiği yeni sorunlar ve tehditler ile karşı karşıyadır. Ayrıca, çevresel, ekonomik ve sosyal yeni eğilimlerin de etkisiyle güç sistemlerinde köklü değişimler yaşanmaktadır. Yeni santraller ve altyapı yatırımlarının yanı sıra, mevcut sistemlerin daha etkin kullanımı da önemli bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır. Özellikle talep tarafında, alçak gerilim dağıtım şebekelerinde bazı yükler, dağıtık üretim ve enerji depolama elemanları, birincil görevlerinin yanı sıra, ikincil görev olarak ana şebeke ve yerel şebekeye çeşitli hizmetler sağlayabilecek şekilde değerlendirilebilme potansiyeline sahiptir. Bu şekilde kullanılan elemanlar, dağıtık enerji sağlayıcılar olarak nitelendirilmektedir. Bireysel olarak yönetildiklerinde sınırlı etkileri ve esneklikleri olan bu cihazların birçoğu birlikte koordine edilebildiğinde büyük çaplı etki ve faydalar sağlanabilmektedir.
Literatürdeki çalışmaların birçoğunda sadece belirli bir tür esnek yük seçilip, bu yükün az sayıda yaklaşımla yönetimi tercih edilmiştir. Gerçek kullanıcılarla yapılan saha uygulamalarının en uzun süreli olanları birkaç ayı geçmemiştir. Oyunlaştırma tekniklerinin denendiği ilgili çalışmalar, az sayıda oyunlaştırma yaklaşımını bir arada uygulamıştır. Talep yönetiminin oyunlaştırılması süreci birçok çalışmada, yararlanılan sosyal davranış teorileri ve yöntemler yeterince anlatılmadan özet olarak sunulmuştur. Oyunlaştırılmış yönetim uygulamalarında ağırlıklı olarak enerji tasarrufu hedeflenip, talebin farklı zaman dilimlerine kaydırılmasına yönelik esnekliklere pek odaklanılmamıştır. Ayrıca, yönetilebilir yüklerin yönetim performansları detaylı olarak ölçülemeyip, bünyesinde birçok farklı etkeni barındıran bina veya tüketici bazlı genel tüketimler dikkate alınmıştır. Buna ek olarak saha uygulamalarının sonuçları analitik olarak detaylarıyla değerlendirilmemiştir. Kullanıcıların yönetim potansiyelinin mali analizi kısa dönemler için yapılıp genelde bir ayı geçmemektedir. Ayrıca, sunulan ekonomik teşvik mekanizmaları büyük çoğunlukla, kullanıcıları sadece bireysel olarak hareket etmeye teşvik edebilmektedir. Dağıtık üretim ve enerji depolama elemanlarının güç ve enerji yönetimi karakteristiklerinin çıkarımına yönelik genel kabul görmüş bir yaklaşım bulunmamaktadır. Ayrıca, bu cihazların toplu yönetim performanslarının sahada incelenmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu cihazların gelişmiş izlenmesi, otonom kontrolü ve kullanıcı dostu arayüzlerle yönetimine yönelik çalışmalar da oldukça başlangıç aşamasında ve sayıca azdır. Yönetilebilir yüklerin yerel şebekenin sorunlarına yönelik yönetimi ile ilgili kavramsal çalışmalar ve kısıtlı kapsama sahip benzetim çalışmaları olsa da, saha denemeleri bulunmamaktadır. Ayrıca, hem ana şebeke, hem de yerel şebekeye yönelik, eş zamanlı, birbiriyle çelişen hedeflerin olduğu durumlarda genel yaklaşım, bu hedeflerden birine öncelik verilerek tüm yüklerin bu hedefe göre yönetilmesi yönündedir.
Bu çalışmada, talep tarafındaki yönetilebilme potansiyeline sahip cihazların toplu yönetimine odaklanılmıştır. Öncelikle, farklı demografik özelliklere sahip birçok kullanıcının elektrik şebekelerindeki zorluklarla ilgili farkındalığını ve talep yönetimi ile oyunlaştırma uygulamalarına eğilimlerini gözlemlemek amacıyla bir anket yapılmıştır. Bir sonraki aşamada, evlerdeki yönetilebilir yükler için, mevcut altyapılarla uygulanabilecek yönetim seçenekleri irdelenmiştir. Sonrasında yönetim seçeneklerini kullanıcılara tüketim istatistikleri ile birlikte sunan, oyunlaştırma teknikleri ve çok zamanlı tarife fiyatlarından yararlanarak, sosyal ve ekonomik teşviklerle kullanıcıları talep yönetimine yönlendiren bir platform geliştirilmiştir. Bu sistem İstanbul'daki 4 evde, gerçek kullanıcılarla, 4 aylık bir izleme dönemini takiben 9 aylık bir uygulama dönemi boyunca denenmiştir. Kullanıcıların platform ve oyunlaştırılmış sistemle etkileşiminin, elde edilen talep yönetimi performansı ve elektrik tasarrufları ile ilişkisi detaylı olarak değerlendirilmiştir. Sahadan elde edilen veriler ışığında, Türkiye'deki gün öncesi ve gün içi elektrik piyasalarının 2018 yılına ait verilerinden de faydalanılarak yönetim potansiyeli ve ekonomik analizler yapılmıştır. Ayrıca, elektrik piyasasına entegre yeni bir teşvik yapısı geliştirilerek toplu yönetim, kullanıcıları işbirliğine yönelten, artan kar miktarının dinamik ve oransal olarak sunulabileceği bir yapıda incelenmiştir. Buna ek olarak, toplu talep yönetimi olaylarının ilerleyen saatlerinde genellikle rastlanan beklenmedik yeni puant talepler ve enerji tüketimi artışlarının da azaltılması için yükleri sürelerine göre yöneten yeni bir yaklaşım geliştirilmiş ve incelenmiştir.
Dağıtık üretim ve enerji depolama sistemlerinin toplu yönetimiyle ilgili çalışmalar bir sonraki aşamada gerçekleştirilmiştir. Büyük ölçekli bir laboratuvarda, farklı tür ve özelliklerde dağıtık üretim ve enerji depolama elemanının güç ve enerji yönetimi olanaklarıyla ilgili testler yapılmıştır. Öncelikle cihazların karakteristik özellikleri ve çalışma sınırları tespit edilmiştir. Ardından bu cihazların toplu yönetimiyle ilgili çok sayıda senaryo incelenerek, cihazların toplu yönetim performansları gözlemlenmiştir. İlerleyen aşamada, cihazların oyunlaştırma tekniklerinden de yararlanılarak toplu yönetimine yönelik aşamalar belirlenip, kullanıcı-toplu yönetici ve şebeke operatörü etkileşimi detaylandırılmıştır.
Tez çalışmasının bir başka bölümünde, esnek yüklerin dağıtım şebekesindeki yerel sorunlara yönelik çözümü incelenmiştir. Gerilim profilinin iyileştirilmesi, hat aşırı yüklenmelerinin giderilmesi ve faz yüklenmelerindeki dengesizliklerin esnek ev yükleri yönetilerek azaltılmasına yönelik testler yapılmıştır. Alçak gerilim dağıtım şebekelerinde, baralardaki güç değişimlerinin bara gerilimlerine etkilerinin çıkarımına yönelik bir yaklaşım geliştirilmiş ve büyük ölçekli bir laboratuvarda denenmiştir. Elde edilen bara gerilim hassasiyetlerinden yararlanılarak, hem ana şebeke, hem de yerel şebekeye yönelik eş zamanlı ve birbiriyle çelişen hedeflere sahip yönetim uygulamaları için bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yaklaşım da hem laboratuvar testleri, hem de kapsamlı benzetim çalışmalarıyla incelenmiştir.
Yapılan çalışma, evlerdeki yönetilebilir yüklerin ana şebeke ve yerel şebeke olaylarında kullanılabilirliği, elde edilebilecek teknik ve mali faydalar, kullanıcıların uzun dönem boyunca talep yönetimine katılımları, elektrik piyasasına entegre ve kullanıcıları toplu katılıma yönelten teşvik yaklaşımları, dağıtık üretim ve enerji depolama elemanlarının toplu yönetim olanak ve performansları, farklı yönetim hedeflerinin alçak gerilim dağıtım şebekelerinde eş zamanlı ve etkin uygulanması ile ilgili faydalı bulgular sunmuştur. Bu çalışmada ortaya konulan yaklaşımlar, aydınlatılan yönetim potansiyelleri-imkanları-olanakları ve edinilen tecrübeler bu alandaki ilerleyen çalışmalar için de yol gösterici niteliktedir.

Abstract:
Electric power system are facing emerging problems and threats due to technological advancements, in addition to longstanding challenges. Moreover, there are fundamental changes in power systems due to emerging environmental, financial and societal trends. In addition to establishment of new power plants and infrastructure expansions, more effective utilization of existing systems gains importance. Especially at the demand side, in low voltage distribution networks, some of the loads, distributed generators and energy storage units have the potential to provide a range of services to both the main grid and the local grid, in addition to fulfilling their primary tasks. The units that are used for this purpose are named as distributed energy resources. In case that these units are managed individually, they have limited impact and flexibilities. On the other hand, coordinated management of many of them can provide large scale impacts and benefits.
The majority of the works in the literature prefer to focus on a single flexible load type and explore a few number of management options. The field applications with real users are limited with a couple of months. In studies on gamification of demand response, the number of adopted gamification elements are considerably few. Furthermore, many studies simply summarize gamification of demand management quite briefly, without providing the details of the used social behavior theories and adopted methods sufficiently. In most of the gamified demand management studies, energy savings are solely focused on, without considering the flexibility of shifting demand to different time periods. Additionally, management performance of flexible loads are not monitored in details. Total consumption of a building or a customer is usually taken into account, which may be influenced by many different external factors. More importantly, the results of field applications are not evaluated quantitatively. Financial analysis for customers is done for small periods and it usually does not exceed one month. Moreover, the provided economical incentive mechanisms are majorly motivating customers to act individually without any collaboration with the others. There are not any common methodology for identification of power and energy management capabilities of distributed generation and energy storage devices. There is also need for field testing of their individual and aggregated management performances. Furthermore, the number of studies on advanced monitoring, autonomous control and coordination over user-friendly interfaces is low. Although there are conceptual and simulation studies with limited scope about local grid oriented management of flexible loads, there have not been conducted many field tests about the proposed approaches. Additionally, in case of conflicting simultaneous main grid and local grid related management events with opposite targets, the general approach is to give priority to one of the events and manage all the flexible loads accordingly.
This study focuses on aggregated management of devices with flexibilities at the demand side. Firstly, a survey was conducted with people with different demographics to observe the public awareness about the challenges in power systems and expectations about possible demand management and gamification options. The survey showed that, there is high awareness about the current challenges in power systems, except environmental negative impacts. Moreover, there is high acceptance of demand management programs, while most of the proposed gamification and additional earning methods were found motivating. Several user groups were identified, highlighting some common and distinctive characteristics. It is important for a demand management program to offer social and financial incentives that carefully address the expectations of the targeted user groups for achieving success. In the next step, the management options for residential flexible loads were discussed. Later on, a platform that provides the management options, together with consumption statistics, social and financial incentives to customers was developed. This system was tested in 4 houses with real residents in Istanbul, for a 4-month of monitoring period, followed by a 9-month of application period. The relation between platform use, achieved demand management performance and energy savings was investigated in details. Active and frequent users of the platform achieved relatively higher demand management performance and savings compared to rare users. The achievable performance and benefits can be improved more by future platforms with deeper consideration of individual consumption habits and management preferences of users, providing them more personalized and adaptive management options and suggestions. Machine learning and artificial intelligence techniques can be useful for this purpose. Larger scale field applications with higher number of customers and buildings can provide more comprehensive observations and findings. Furthermore, similar platforms can be developed for commercial and industrial customers and buildings to highlight and activate their valuable management flexibilities. Using the data gathered from the meters on the field and 2018 statistics of day ahead and intraday electricity markets in Turkey, management potential and financial benefits were analyzed. Close profits were found for day ahead and intraday market participation cases. Moreover, a new market integrated incentive mechanism that motivates customers to collaboratively take part in demand management activities, through incremental dynamic and proportional reflection of guaranteed profits was proposed. The developed mechanism is suitable for all markets that operate with time windows around 15 minutes and higher. It is possible to organize an event at any time of the day. The applicability of these kinds of collaborative mechanisms can be further investigated in pilot demonstrations with large number of customers. Emerging alternative incentive mechanisms can also be compared with the proposed one. A new method that considers load shifting times is developed to reduce generally faced unexpected peaks and extra energy consumptions in the following hours of an aggregated demand response event. The proposed method is tested in stochastic simulation, providing better results compared to ordinary aggregated demand response approach.
In the next stage of the thesis study, aggregated management of distributed generation and storage systems is worked on. In a large scale laboratory, power and energy management capabilities of distributed generation and energy storage units with different types and characteristics were investigated with tests. Firstly, their characteristic features and operational limits were identified. Secondly, several scenarios on their coordinated management is explored to observe their aggregated management performance. After that, a number of steps that should be followed for gamified aggregated management of these units were identified, highlighting device owner-aggregator-grid operator interactions.
In another part of the thesis study, the role of flexible loads to mitigate local problems in distribution grids was explored. Test were conducted in a large scale laboratory for  improvement of voltage profiles, prevention of line overloadings, and mitigation of phase imbalances. A methodology to derive the impact of power exchanges at each bus on bus voltages in the local grid was developed and tested. Using the voltage sensitivities of buses, an approach is proposed for simultaneous deployment of utility-driven and local network oriented management activities in the same local system. This approach is tested through both laboratory tests and comprehensive simulations.
The study provided important findings related to potential of residential flexible loads in utility-driven and local network oriented management activities, achievable technical and financial benefits, participation of real customers in long term demand management activities, electricity market integrated collaborative action promoting incentive mechanism, alternative aggregated management method to reduce unexpected peaks and extra energy consumption in the following hours of management events, aggregated management availability and performance of distributed generation and energy storage assets, simultaneous and effective deployment of conflicting management events in low voltage distribution grids. The proposed approaches, highlighted management potentials-capabilities-availabilities and gained experiences are also valuable for future works in this area of study.