Published December 12, 2019 | Version v1
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Coordination in Microgrid Networks Using Multi-agent Systems/Modeling and Coordination of interconnected microgrids using distributed artificial intelligence approaches

Description

As renewable sources penetrate the current electrical system to relief global warming and energy shortage, microgrid (MG) emerges to reduce the impact of intermittent generation on the utility grid. Additionally, it improves the automation and intelligence of the power grid with plug-and-play characteristics. Inserting more MGs into a distribution network promotes the development of the smart grid. Thus MG networks existing in the power system are in prospect. Coordinating them could gain a system with high reliability, low cost, and strong resistance to electrical faults. Achieving these profits relies on developed technologies of communication, control strategy, and corresponding algorithms. Dispatching power in distributed MGs while coordinating elements within the individual MG demands a decentralized control system, in which the multi-agent system possesses advantages. It is applied to the MG network for establishing a physically and electrically distributed system. Based on the multi-agent system, this thesis mainly studies the coordination control in the MG network and its modeling. It aims at promoting control performance in terms of efficiency, reliability, economic benefit and scalability. According to the holonic structure, two methods are considered to enable the system scalability, including the coordination with neighboring MGs and within the extensive coordinating area. Then a simulation platform is established to validate the proposed approaches with Python language. The control strategies for coordination between MGs and their neighbors are proposed to maintain the complete load supply and global security operation while minimizing the generation cost. Centralized control in the coordination group is applied for economic energy management. It uses a Newton-Raphson method to dispatch power among neighboring MGs by simplifying the relationship between MG generation cost and its output power into a quadratic function. An average consensus theorem is adopted to calculate the caused network power flow, and the results are compared with the maximal capacity on the line to keep safe operation. To improve the economic benefits, the approximated relationship between MG output power and the caused generation cost is improved in another strategy. It builds a market for neighboring power trade. Here, the bid is derived from the average generation cost on maximal output. This method maintains the operation privacy of individual MG. Power flow calculation is simplified to be proportional to the angle difference between the two terminates of the connecting line. Both strategies are tested on a 13-node, and 34-node network. Their performance shows that both approaches possess scalability and could economically compensate for the lack of load supply in faulted MG. For the control strategy with higher reliability and profit, the coordination strategy within a selected extensive area of MGs is proposed. Expanding the coordination area based on neighboring MGs provides more energy sources to the demanded MG. It ensures enough power to compensate imbalance and offers more choices for power dispatching. The selection of the coordination area adopts the distributed evolutionary algorithm programming to the multi-agent system to accelerate the calculation speed. Quadratic programming in Gurobi is used to solve the power dispatching problem. Another genetic algorithm is also adopted to solve the problem of optimal power dispatching with a quadratic generation cost for microturbine. The performance of this strategy is tested, and the results show that it has comprehensive advantages on reliability, scalability, and profit compared with centralized and market methods. (author)

Abstract (French)

A mesure que les sources renouvelables s'integrent dans le systeme electrique actuel pour attenuer le rechauffement planetaire et la penurie d'energie fossile, les microreseaux (MG) emergent comme une solution permettant de reduire l'impact de la production intermittente sur les reseaux publics. En outre, ils permettent d'ameliorer l'automatisation et l'intelligence des reseaux avec des caracteristiques plug-and-play. L'integration d'un plus grand nombre de MG dans un reseau de distribution permettrait d'arriver a un systeme avec une grande fiabilite, un faible cout, et une forte resilience aux pannes. La realisation de ces objectifs repose sur des technologies de communication, des strategies de controle et plusieurs types d'algorithmes. La repartition de la puissance entre MG et la coordination des elements au sein de chaque MG exige un systeme de controle decentralise, pour lequel un systeme multiagents presentent des avantages. Il est utilise pour etablir un systeme distribue physiquement et du point de vue de la prise de decision. Basee sur cette approche, cette these etudie principalement le controle et la coordination d'un reseau de MG. Il vise a permettre une meilleure performance de controle en termes d'efficacite, de fiabilite, d'avantages economiques et d'evolutivite. Grace a une structure holonique, deux methodes sont etudiees pour permettre l'evolutivite du systeme. Une plateforme de simulation est etablie pour valider les approches proposees avec le langage Python. Dans une premiere approche, une strategie de controle pour la coordination entre plusieurs MG voisins est proposee. Elle permet de maintenir la charge complete et la fiabilite de fonctionnement tout en minimisant le cout de production. Le controle centralise dans le groupe de coordination est utilise pour realiser le dispatching entre MG et leurs composants. La methode de Newton-Raphson permet de repartir la puissance entre les MG voisins en simplifiant la relation entre le cout de production des MG et leur puissance de sortie par une fonction quadratique. Un theoreme de consensus moyen est adopte pour calculer le flux de puissance qui en resultent sur les differentes lignes, et les resultats sont compares avec la capacite maximale de chaque ligne pour assurer un fonctionnement sur. Pour ameliorer encore les avantages economiques, l'approximation de la relation entre la puissance de production des MG et le cout de production est amelioree dans une autre strategie. Elle repose sur un marche de l'electricite entre MG voisins. Ici, les offres sont derivees du cout moyen de production sur la production maximale. Cette methode preserve la confidentialite des informations de chaque MG. Le calcul du flux de puissance est simplifie pour etre proportionnel a la difference d'angle entre les deux extremites de la ligne de raccordement. Les deux strategies sont testees sur des reseaux de 13 et 34 noeuds. Les resultats montrent que les deux approches sont fonctionnelles et pourraient economiquement compenser le manque d'approvisionnement en charge dans des MG defectueux. Dans une seconde approche, pour encore ameliorer la fiabilite et les profits, une strategie de coordination au sein d'une vaste zone integrant de multiples MG est proposee. L'elargissement de la zone de coordination fournit plus de moyens de repondre aux besoins et annuler le desequilibre en puissance resultant d'un defaut. La determination de la zone de coordination repose sur un algorithme evolutionnaire distribue s'appuyant sur systeme multi-agent pour accelerer la vitesse de calcul. La programmation quadratique dans Gurobi est ensuite utilisee pour resoudre le probleme de repartition de puissance. Un autre algorithme genetique est egalement mis en oeuvre pour resoudre le probleme de la repartition optimale de la puissance avec un cout de production quadratique pour la microturbine. La performance de cette strategie est testee, et les resultats montrent qu'elle presente des avantages sur la fiabilite, l'evolutivite et le profit par rapport aux methodes centralisees et de marche. (auteur)

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Original title (English)
Modelisation et coordination de micro-reseau interconnectees en utilisant l'intelligence artificielle distribuee

Publishing Information

Imprint Pagination
148 p.
Report number
FRNC-TH--12047

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Notes
[140 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses