Reducción de las pérdidas de potencia en redes eléctricas inteligentes aplicando la teoría de juegos cooperativos

Resumo

El sistema de energía de próxima generación, conocido como red eléctrica inteligente, es visto como una nueva forma de distribuir la electricidad de manera efectiva y sostenible a los clientes. El acelerado crecimiento de la demanda de energía, tanto en términos de calidad como de cantidad y los limitados recursos energéticos, hace que sea necesario desarrollar una gestión energética inteligente, cuyas características principales serían la gestión del lado de la demanda o el intercambio de energía a gran escala, en particular, los mecanismos de gestión de energía en la red inteligente deben tratar con una compleja red de energía dinámica, compuesta por compañías de servicios públicos, fuentes de energía tradicionales, así como nuevos dispositivos de propiedad del cliente, como unidades de almacenamiento, cocinas de inducción o vehículos eléctricos. El objetivo principal de esta investigación es desarrollar nuevos mecanismos de gestión energética que representen adecuadamente las decisiones y los procesos de control del lado de clientes y empresas de servicios públicos en la red inteligente. Si bien ha habido considerables avances en investigaciones de la gestión del lado de la demanda, integración de unidades de almacenamiento e ideas relacionadas, la mayoría de los trabajos se basan en conceptos clásicos de teoría de juegos, como los juegos no cooperativos, y no tienen en cuenta el comportamiento del usuario en el mundo real y su impacto en la operación de la red inteligente y de los mercados energéticos. De hecho, la mayoría de los modelos existentes propuestos hasta ahora se basan en la suposición ideal de que los clientes de la red pueden hacer una racional y perfecta decisión; por ejemplo, incluso si es tecnológicamente beneficioso para las compañías eléctricas el ofrecer mecanismos de fijación de precios dinámicos destinados a reducir la demanda en horas pico, los clientes pueden no suscribirse a tales características; por ejemplo, en un caluroso día de verano, los clientes no pueden permitir que la compañía eléctrica reduzca su uso de aire acondicionado durante las horas pico, a pesar de los beneficios asociados a la red y/o los precios más bajos ofrecidos. En consecuencia, existe la necesidad de desarrollar un marco novedoso que capture el comportamiento realista del usuario durante la administración de energía, teniendo en cuenta los beneficios y costos asociados entre los clientes y la red eléctrica. Estudiar el comportamiento realista del usuario en la gestión de la energía enfrenta numerosos desafíos, primero, la introducción de unidades de almacenamiento para el comercio de energía entre los clientes y la red puede conducir a la competencia y la cooperación en diferentes niveles que pueden involucrar interacciones complejas entre clientes, compañías eléctricas y proveedores de energía. En segundo lugar, debido a la naturaleza heterogénea a gran escala de la red inteligente, es necesario implementar protocolos distribuidos de gestión de energía, en los que, el centro de control solo proporcione una pequeña cantidad de información de los clientes. Finalmente, la participación de dispositivos propietarios del cliente genera incertidumbres derivadas del propio comportamiento impredecible de los usuarios finales. Esta tesis presenta un enfoque innovador hacia un modelo eficiente de energía a través de la aplicación de la teoría de juegos cooperativos con utilidad transferible en la que la gestión, la capacidad y el control de los recursos energéticos distribuidos se integran para proporcionar soluciones energéticas óptimas que permitan el logro de importantes ahorros en costos asociados, dependiendo de la disminución de las pérdidas de energía. Primero, se describe en detalle la evolución y la situación actual de los sistemas eléctricos y los conceptos basados en redes inteligentes que se han encontrado en la literatura. A partir de la realización de este estudio, se puede concluir que existen numerosos modelos de gestión eficiente de la energía, así como diferentes formas de resolverlos, pero todos tienen un denominador común ya que en ninguno de estos estudios se ha estudiado completamente la teoría de juegos cooperativos con utilidad transferible. Se ha observado que la gestión eficiente de la red eléctrica ha evolucionado de un entorno determinista centralizado a una red estocástica o aleatoria distribuida. Para mantener los objetivos de una red inteligente, es necesario capturar este comportamiento estocástico a través de una nueva metodología de juegos cooperativos, por eso este estudio ha considerado la teoría de juegos para ver el comportamiento de las coaliciones, teniendo en cuenta los hábitos de uso del consumidor. Para adaptar las tecnologías avanzadas de energía, comunicaciones, control e información, debemos trabajar con herramientas matemáticas y técnicas sólidas que puedan garantizar el intercambio de información, una operación eficiente, mejorar en muchos casos las pérdidas técnicas de energía y elevar sus índices de calidad y confiabilidad, haciendo que la red sea capaz de: resolver cualquier problema, especialmente en gestión de la demanda, gestión de clientes, toma de decisiones, intercambio de energía, almacenamiento de energía, planes de contingencia, sistemas de información georreferenciados, entre otros. En este contexto, este trabajo de investigación presenta un enfoque novedoso basado en la teoría de juegos cooperativos de utilidad transferible que puede servir como marco para capturar el comportamiento realista del usuario en la administración de la red inteligente. Tener en cuenta una configuración de toma de decisiones tan realista nos permitirá ir más allá de los conceptos clásicos de teoría de juegos para explorar cómo un usuario percibe las acciones de sus oponentes y cómo este usuario evalúa su propia función de utilidad. Nuestros resultados principales se basan en el comportamiento del usuario dentro de la gestión energética, mediante el desarrollo de tres modelos dentro de la teoría de juegos: el modelo no cooperativo, cooperativo y cooperativo con utilidad transferible. En el primer modelo, presentamos el comportamiento de las pérdidas de potencia entre los clientes y la red eléctrica, modelando y analizando los mercados de comercialización de energía. Para este primer juego, estudiamos varias propiedades del equilibrio y evaluar el desempeño de la adopción de un enfoque de teoría de juegos no cooperativos en lugar de los esquemas heurísticos convencionales. En el segundo escenario, estudiamos el uso de juegos cooperativos con valores reales, en particular, desarrollamos un análisis de las constantes o pérdidas propias de los conductores para la transmisión de la electricidad, así como las distancias máximas según estándares internacionales de cableado en sistemas de distribución eléctrica, logrando obtener datos ponderando la observación sobre la operación de sus oponentes, así como el caso en que un cliente puede tener su propia evaluación subjetiva de las ganancias y pérdidas logradas al utilizar el almacenamiento de energía. Nuestros resultados muestran que ignorar el comportamiento del usuario durante la carga o descarga de las unidades de almacenamiento pueden conducir a un rendimiento no deseado o inesperado en términos de carga de la red y los ingresos de la compañía eléctrica. Tercero, estudiamos el lado de la demanda de energía como un factor para obtener una mejor utilidad; en este escenario los clientes pueden decidir si suscribirse o no a consumir energía de la empresa distribuidora de electricidad o prefieren transferir energía entre sus vecinos.