Outline The electric grid as it is The smart grid - PDF document

12-06-13 ¡ Real-­‑Time ¡Distributed ¡Conges5on ¡Control ¡ for ¡Electrical ¡Vehicle ¡Charging ¡ Catherine ¡Rosenberg ¡ (University ¡of ¡Waterloo) ¡ Joint ¡work ¡with ¡Omid ¡Ardakanian ¡and ¡Srinivasan ¡Keshav ¡ Outline ¡ ü The ¡electric ¡grid ¡as ¡it ¡is ¡ ü The ¡smart ¡grid ¡ ü ISS4E: ¡Internet ¡research ¡and ¡the ¡smart ¡grid ¡ ü Real-­‑Time ¡Distributed ¡Conges5on ¡Control ¡for ¡Electrical ¡ Vehicle ¡Charging ¡ ¡ 2 ¡ 1

12-06-13 The ¡Electric ¡Grid ¡ Major ¡components ¡of ¡the ¡electric ¡grid: ¡ ¡ • Genera5on ¡ – Electricity ¡produc5on ¡ – Natural ¡gas, ¡coal, ¡hydro, ¡nuclear, ¡renewables, ¡etc ¡ ¡ • Transmission ¡ – Network ¡of ¡high ¡voltage ¡power ¡lines ¡ – Analogous ¡to ¡fiber ¡links ¡in ¡the ¡internet ¡core ¡ • Distribu5on ¡ – Lower ¡voltage ¡power ¡lines ¡carrying ¡electricity ¡from ¡ transmission ¡lines ¡to ¡consumers ¡ – Analogous ¡to ¡access ¡networks ¡in ¡the ¡Internet ¡ 3 ¡ ¡ Today’s ¡Transmission ¡Grid ¡ ¡ § Transmission ¡Capacity... ¡ ü Designed ¡to ¡meet ¡annual ¡15 ¡mn ¡ peak ¡– ¡with ¡redundant ¡ capacity.. ¡ ü Planning/Implementa5on ¡requires ¡several ¡years ¡– ¡many ¡ projects ¡are ¡commi\ed ¡for ¡construc5on ¡well ¡before ¡they ¡ are ¡needed... ¡ ¡ ¡ The ¡transmission ¡system, ¡for ¡the ¡most ¡part, ¡is ¡sophis1cated, ¡reliable, ¡ reasonably ¡secure ¡... ¡BUT ¡...It ¡operates ¡at ¡peak ¡capacity ¡for ¡short ¡ 1mes ¡each ¡year. ¡ 2

12-06-13 The ¡Distribu;on ¡Network ¡ § Essen5ally ¡a ¡radial ¡network ¡– ¡the ¡loss ¡of ¡a ¡major ¡feeder ¡line ¡results ¡ in ¡customer ¡outages... ¡ § Technology ¡is ¡mixed ¡(Some ¡is ¡REALLY ¡OLD!!) ¡ • Some ¡equipment ¡installed ¡more ¡than ¡75 ¡years ¡ago ¡remains ¡in ¡ opera5on. ¡ • System ¡is ¡generally ¡designed ¡for ¡“one ¡way” ¡flow ¡– ¡to ¡the ¡users... ¡ • Monitoring ¡of ¡customer ¡service ¡has ¡been ¡limited... ¡ ¡ • The ¡u5lity ¡has ¡limited ¡means ¡of ¡iden5fying ¡local ¡overloads ¡– ¡or ¡ thed. ¡ The ¡System ¡Operator ¡has ¡Real ¡Challenges ¡ • Electricity ¡is ¡consumed ¡the ¡instant ¡that ¡it ¡is ¡created ¡–there ¡is ¡ prac5cally ¡no ¡storage ¡on ¡the ¡network ¡for ¡electricity... ¡The ¡ u5lity ¡has ¡the ¡task ¡of ¡ensuring ¡that ¡the ¡genera5on ¡meets ¡the ¡ demand– ¡on ¡a ¡second ¡by ¡second ¡basis.. ¡ • Large ¡generators ¡– ¡in ¡par5cular ¡the ¡newer ¡ones, ¡do ¡not ¡change ¡ load ¡easily ¡or ¡quickly... ¡Yet... ¡ ü When ¡someone ¡turns ¡on ¡a ¡stove, ¡or ¡even ¡a ¡light... ¡A ¡ generator ¡somewhere ¡is ¡adjusted ¡to ¡meet ¡the ¡demand... ¡ • Adding ¡capacity ¡at ¡ peak ¡;mes ¡is ¡expensive... ¡At ¡off-­‑peak ¡5mes ¡ it ¡is ¡very ¡cheap. ¡ 3

12-06-13 Issues ¡with ¡the ¡Grid ¡ • Grid ¡is ¡over-­‑provisioned ¡(sized ¡for ¡the ¡peak), ¡no ¡ storage ¡-­‑ ¡always ¡need ¡to ¡match ¡demand ¡with ¡supply. ¡ ¡ ¡ Philip Giudice, Commissioner, Massachusetts Department of Energy, Nov. 30, 2009 “ 15% of the generating capacity in Massachusetts is needed fewer than 88 hours per year ” 7 ¡ Issues ¡with ¡the ¡Grid ¡ • Reliability ¡ – Outdated ¡switches, ¡lack ¡of ¡sensors ¡results ¡in ¡poor ¡ visibility ¡of ¡the ¡grid ¡ 8 ¡ 4

12-06-13 In ¡Summary ¡ • Power ¡systems ¡operators ¡can ¡control... ¡ ü Genera5on ¡ ü Transmission ¡ ü Distribu5on ¡ • Loads, ¡for ¡the ¡most ¡part ¡are ¡uncontrolled... ¡ ü Demand ¡Response ¡– ¡Some ¡control ¡of ¡industrial ¡loads ¡to ¡reduce ¡ peak ¡loads ¡ ¡ ü Exis5ng ¡metering ¡systems ¡do ¡not ¡provide ¡customers ¡with ¡ informa5on ¡needed ¡to ¡monitor ¡and ¡avoid ¡peak ¡periods ¡ U;li;es ¡control ¡the ¡supply ¡of ¡energy ¡– ¡but ¡have ¡very ¡ limited ¡control ¡over ¡the ¡demand... ¡ The ¡system ¡is ¡sized ¡for ¡the ¡peak ¡ Facts ¡ • If ¡the ¡grid ¡were ¡just ¡5% ¡more ¡efficient ¡ – equivalent ¡to ¡permanently ¡elimina5ng ¡the ¡fuel ¡and ¡ greenhouse ¡gas ¡emissions ¡from ¡ 53 ¡million ¡cars. ¡ ¡ ¡ • If ¡every ¡American ¡household ¡replaced ¡just ¡one ¡ incandescent ¡bulb ¡with ¡CFL ¡ – would ¡conserve ¡enough ¡energy ¡to ¡light ¡3 ¡million ¡homes ¡ ¡ è ¡ Terrific ¡opportuni5es ¡for ¡improvement. ¡ http://www.oe.energy.gov/ 10 ¡ 5

12-06-13 Outline ¡ • The ¡electric ¡grid ¡as ¡it ¡is ¡ • The ¡smart ¡grid ¡ • ISS4E: ¡Internet ¡research ¡and ¡the ¡smart ¡grid ¡ • Real-­‑Time ¡Distributed ¡Conges5on ¡Control ¡for ¡ Electrical ¡Vehicle ¡Charging ¡ ¡ 11 ¡ The ¡Smart ¡Grid ¡ Bi-­‑direc5onal ¡ Renewables ¡and ¡ energy ¡flows ¡ DG ¡ ¡-­‑ ¡millions ¡ ¡-­‑ ¡non-­‑tradi5onal ¡ ¡-­‑ ¡intermi\ent ¡ Smart ¡Grid ¡ Consumer ¡in ¡the ¡loop ¡ Reliable ¡& ¡fast ¡ (incen5viza5on) ¡ communica5on ¡+ ¡ sensors ¡ New ¡(elas5c) ¡loads: ¡ EVs ¡+ ¡smart ¡ Storage ¡ appliances ¡ 12 ¡ 6

12-06-13 The ¡Smart ¡Grid ¡Is ¡ ¡About ¡ Objec5ves: ¡ • Upgrading ¡the ¡Distribu5on ¡ Network ¡ • Improve ¡efficiency ¡ – Customers ¡-­‑ ¡near ¡real ¡5me ¡data ¡ • Reduce ¡total ¡GHG ¡Emissions ¡ – U5li5es ¡ • Increase ¡u5liza5on ¡(defer ¡ • Be\er ¡monitoring ¡of ¡loads ¡and ¡ capital ¡expenses) ¡ devices ¡ • Maintain ¡or ¡improve ¡ • Be\er ¡distribu5on ¡protec5on ¡– ¡ allow ¡remote ¡genera5on ¡ reliability ¡and ¡security ¡ (Distributed ¡Genera5on ¡& ¡ ¡ Micro ¡grids) ¡ • Reduc5on ¡of ¡thed ¡ ¡ • Controlling ¡demand ¡ ¡ 13 ¡ ¡ Rolling ¡out ¡the ¡smart ¡grid ¡will ¡ require ¡massive ¡change ¡ A ¡highly ¡dynamic ¡system ¡ A ¡rela5vely ¡sta5c, ¡ with ¡elas5c ¡loads ¡and ¡ predictable, ¡stable ¡ millions ¡of ¡points ¡of ¡control ¡ system ¡with ¡inelas5c ¡ loads ¡and ¡a ¡few ¡points ¡of ¡ control ¡ A paradigm shift 14 ¡ 7

12-06-13 Outline ¡ • The ¡electric ¡grid ¡as ¡it ¡is ¡ • The ¡smart ¡grid ¡ • ISS4E: ¡Internet ¡research ¡and ¡the ¡smart ¡grid ¡ • Real-­‑Time ¡Distributed ¡Conges5on ¡Control ¡for ¡ Electrical ¡Vehicle ¡Charging ¡ ¡ 15 ¡ Our ¡Research ¡ ¡ ¡ ¡ Use ¡Internet ¡ concepts ¡to ¡smarten ¡the ¡grid ¡ 16 ¡ 8

12-06-13 Can ¡Internet ¡Research ¡Help? ¡ • The ¡Internet ¡resembles ¡the ¡smart ¡grid ¡ – Cri5cal ¡infrastructure ¡ ¡ – Large-­‑scale ¡ – Heterogeneous ¡ – Hierarchical ¡ – Matches ¡geographically ¡distributed ¡demands ¡with ¡ distributed ¡genera5on ¡ – Distributed ¡highly ¡variable ¡sources ¡ – Balances ¡ ¡centraliza5on ¡and ¡decentraliza5on ¡ – Simple ¡API ¡ 17 ¡ Differences ¡ • Primarily ¡one-­‑way ¡vs. ¡primarily ¡two-­‑way ¡flows ¡ • Grid ¡has ¡prac5cally ¡no ¡storage ¡ • Consumers ¡are ¡used ¡to ¡see ¡their ¡electrical ¡bill ¡ reflect ¡what ¡they ¡really ¡use ¡ • Policy ¡makers ¡are ¡very ¡proac5ve ¡ ¡ • Many ¡loads ¡at ¡home ¡are ¡determinis5c, ¡most ¡ loads ¡are ¡predictable ¡ • Packets ¡are ¡“addressed”, ¡electrons ¡are ¡not ¡ 18 ¡ 9