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

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¡ 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 ¡

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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. ¡

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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 ¡
• pera5on. ¡
• 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. ¡

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Issues ¡with ¡the ¡Grid ¡

• Grid ¡is ¡over-­‑provisioned ¡(sized ¡for ¡the ¡peak), ¡no ¡

storage ¡-­‑ ¡always ¡need ¡to ¡match ¡demand ¡with ¡supply. ¡ ¡ ¡

7 ¡

“15% of the generating capacity in Massachusetts is needed fewer than 88 hours per year”

Philip Giudice, Commissioner, Massachusetts Department of Energy, Nov. 30, 2009

Issues ¡with ¡the ¡Grid ¡

• Reliability ¡

– Outdated ¡switches, ¡lack ¡of ¡sensors ¡results ¡in ¡poor ¡ visibility ¡of ¡the ¡grid ¡

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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 ¡

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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 ¡ ¡

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The ¡Smart ¡Grid ¡

Smart ¡Grid ¡ Bi-­‑direc5onal ¡ energy ¡flows ¡ Renewables ¡and ¡ DG ¡ ¡-­‑ ¡millions ¡ ¡-­‑ ¡non-­‑tradi5onal ¡ ¡-­‑ ¡intermi\ent ¡ Consumer ¡in ¡the ¡loop ¡ (incen5viza5on) ¡ New ¡(elas5c) ¡loads: ¡ EVs ¡+ ¡smart ¡ appliances ¡ Storage ¡ Reliable ¡& ¡fast ¡ communica5on ¡+ ¡ sensors ¡

12 ¡

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The ¡Smart ¡Grid ¡Is ¡ ¡About ¡

• Upgrading ¡the ¡Distribu5on ¡

Network ¡

– Customers ¡-­‑ ¡near ¡real ¡5me ¡data ¡ – U5li5es ¡

• Be\er ¡monitoring ¡of ¡loads ¡and ¡

devices ¡

• Be\er ¡distribu5on ¡protec5on ¡– ¡

allow ¡remote ¡genera5on ¡ (Distributed ¡Genera5on ¡& ¡ Micro ¡grids) ¡

• Reduc5on ¡of ¡thed ¡
• Controlling ¡demand ¡

¡

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Objec5ves: ¡

• Improve ¡efficiency ¡
• Reduce ¡total ¡GHG ¡Emissions ¡
• Increase ¡u5liza5on ¡(defer ¡

capital ¡expenses) ¡

• Maintain ¡or ¡improve ¡

reliability ¡and ¡security ¡

¡

¡ ¡

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A ¡rela5vely ¡sta5c, ¡ predictable, ¡stable ¡ system ¡with ¡inelas5c ¡ loads ¡and ¡a ¡few ¡points ¡of ¡ control ¡ A ¡highly ¡dynamic ¡system ¡ with ¡elas5c ¡loads ¡and ¡ millions ¡of ¡points ¡of ¡control ¡

A paradigm shift

Rolling ¡out ¡the ¡smart ¡grid ¡will ¡ require ¡massive ¡change ¡

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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 ¡ ¡

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Our ¡Research ¡ ¡

¡ ¡ Use ¡Internet ¡concepts ¡to ¡smarten ¡the ¡grid ¡

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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 ¡

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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 ¡

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ISS4E ¡Vision ¡

To ¡ apply ¡ our ¡ exper,se ¡ in ¡ Informa1on ¡ Systems ¡ and ¡ Sciences ¡to ¡find ¡innova1ve ¡solu1ons ¡to ¡problems ¡in ¡energy ¡

• systems. ¡

¡ We ¡work ¡within ¡Waterloo ¡Ins1tute ¡for ¡Sustainable ¡Energy ¡ (WISE) ¡in ¡collabora,on ¡with ¡

ü ¡researchers ¡in ¡related ¡disciplines ¡ ü ¡partners ¡in ¡industry ¡ ¡

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l The ¡Waterloo ¡Ins5tute ¡for ¡Sustainable ¡Energy ¡(WISE) ¡was ¡

established ¡at ¡the ¡University ¡of ¡Waterloo ¡in ¡2008. ¡ ¡

§ Focal ¡point ¡at ¡UW ¡for ¡research ¡in ¡energy ¡studies ¡ l More ¡than ¡70 ¡faculty ¡members ¡with ¡graduate ¡students ¡and ¡

postdoctoral ¡fellows ¡working ¡as ¡mul5-­‑disciplinary ¡research ¡teams ¡ across ¡Engineering, ¡Science ¡and ¡Environment. ¡ ¡

l Research ¡areas: ¡ § Renewable ¡Energy ¡ § Storage ¡& ¡Transport ¡ § Conversion ¡Technologies ¡ § Emission ¡Management ¡ § Power ¡System ¡Op5miza5on ¡ § Sustainable ¡Energy ¡Policy ¡

ISS4E ¡and ¡WISE

§ Conserva5on, ¡Demand ¡

Mgmt, ¡Energy ¡Efficiency ¡

§ Green ¡Auto ¡Powertrain ¡ ¡ § ISS4E ¡

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l Sensors for building monitoring l Smart power strips for home monitoring and control l ENVI systems for home energy data collection l Custom-built wireless sensors for solar panel

monitoring

• ISS4E is committed to system building and data

collection and analysis

Lab ¡facili;es Ongoing Projects

• Architecture
• DR
• EV integration
• Pricing
• Data analysis
• Application/tool design
• Storage

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Outline ¡

• The electric grid as it is
• The smart grid
• ISS4E: Internet research and the smart grid
• Real-­‑Time ¡Distributed ¡Conges;on ¡Control ¡for ¡

Electrical ¡Vehicle ¡Charging

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Challenges ¡posed ¡by ¡EV ¡integra5on ¡

ü The ¡large-­‑scale ¡introduc5on ¡of ¡electric ¡vehicles ¡(EVs) ¡will ¡greatly ¡ affect ¡the ¡electrical ¡grid's ¡distribu5on ¡system. ¡ ¡ ü Each ¡EV ¡can ¡impose ¡a ¡significant ¡load ¡on ¡the ¡distribu5on ¡network: ¡ especially ¡with ¡L2 ¡charging. ¡ ¡ ü Using ¡lower-­‑level ¡(i.e., ¡L1) ¡charging ¡does ¡reduce ¡the ¡impact ¡on ¡the ¡ grid ¡but ¡greatly ¡increases ¡the ¡dura5on ¡of ¡the ¡charging ¡process. ¡ ¡ ü There ¡is ¡an ¡inherent ¡trade-­‑off ¡between ¡charging ¡level, ¡charging ¡ dura5on, ¡and ¡impact ¡on ¡the ¡grid. ¡ ü EV ¡mobility ¡has ¡the ¡addi5onal ¡impact ¡that ¡EV ¡load ¡may ¡appear ¡at ¡ different ¡parts ¡of ¡the ¡distribu5on ¡network ¡at ¡different ¡5mes. ¡

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Need ¡smart ¡charging ¡schemes ¡to ¡protect ¡the ¡grid ¡while ¡ allowing ¡fast ¡charging ¡when ¡possible ¡

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How ¡to ¡control ¡EV ¡charging? ¡

ü Exis5ng ¡approaches ¡to ¡control ¡EV ¡charging: ¡

– use ¡a ¡central ¡controller ¡to ¡compute ¡a ¡charging ¡schedule ¡(using ¡ power ¡flow ¡analysis) ¡that ¡does ¡not ¡congest ¡any ¡part ¡of ¡the ¡ distribu5on ¡network. ¡It ¡requires ¡an ¡accurate ¡model ¡of ¡the ¡ distribu5on ¡network ¡(typically ¡not ¡available ¡or ¡not ¡up-­‑to-­‑date). ¡ – cast ¡the ¡control ¡algorithm ¡in ¡the ¡form ¡of ¡a ¡distributed ¡

• p5miza5on. ¡

ü Both ¡approaches ¡need ¡to ¡predict ¡the ¡future ¡demand ¡from ¡ non-­‑EV ¡loads, ¡the ¡number ¡of ¡charging ¡EVs, ¡and ¡their ¡ ini5al ¡SoC ¡so ¡as ¡to ¡compute ¡a ¡schedule ¡ahead ¡of ¡;me. ¡ ¡ ü The ¡safety ¡margin ¡built ¡in ¡to ¡hedge ¡against ¡predic5on ¡ errors ¡makes ¡both ¡approaches ¡overly ¡conserva5ve. ¡

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Our ¡Proposal ¡

ü The ¡future ¡smart ¡grid ¡is ¡likely ¡to ¡have ¡a ¡large ¡number ¡

• f ¡measurement ¡and ¡control ¡devices ¡that ¡are ¡

interconnected ¡by ¡a ¡ubiquitous ¡communica5on ¡

• network. ¡

ü We ¡propose ¡to ¡use ¡fast-­‑;mescale ¡measurements ¡ and ¡communica5on ¡to ¡control ¡EV ¡charging ¡in ¡real ¡ ;me, ¡mo5vated ¡by ¡techniques ¡for ¡conges5on ¡control ¡ in ¡the ¡Internet. ¡

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More ¡specifically ¡

ü The ¡propaga5on ¡delay ¡between ¡any ¡EV ¡charger ¡and ¡its ¡ connected ¡substa5on ¡is ¡less ¡than ¡1ms. ¡ ¡ ü Hence, ¡it ¡is ¡feasible ¡to ¡design ¡and ¡implement ¡a ¡control ¡algorithm ¡ that ¡changes ¡the ¡EV ¡charging ¡rate ¡in ¡response ¡to ¡the ¡conges5on ¡ state ¡of ¡the ¡distribu5on ¡system ¡(a ¡func5on ¡of ¡ ¡the ¡ uncontrollable ¡loads) ¡every ¡few ¡milliseconds ¡(same ¡order ¡of ¡ magnitude ¡as ¡one ¡cycle ¡of ¡AC ¡power ¡(16.6ms)). ¡ ¡ ü With ¡our ¡proposed ¡approach, ¡if ¡an ¡EV ¡is ¡charging ¡at ¡a ¡rate ¡that ¡ affects ¡the ¡reliability ¡of ¡the ¡grid ¡(overhea5ng ¡a ¡transformer ¡or ¡

• verloading ¡a ¡feeder) ¡its ¡rate ¡can ¡be ¡decreased ¡in ¡a ¡few ¡cycles, ¡

aver5ng ¡damage ¡and ¡the ¡invoca5on ¡of ¡grid ¡self-­‑protec5on. ¡ ¡ ü This ¡fundamental ¡insight ¡changes ¡the ¡approach ¡to ¡EV ¡charging ¡ from ¡a ¡slow ¡centralized ¡or ¡decentralized ¡op5miza5on ¡approach ¡ to ¡a ¡fast ¡dynamic ¡approach. ¡

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The ¡5me ¡scales ¡

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Contribu5ons ¡

ü We ¡show ¡that ¡the ¡conges5on ¡control ¡problem ¡in ¡the ¡context ¡of ¡a ¡ distribu5on ¡system ¡is ¡similar ¡in ¡many ¡aspects ¡to ¡the ¡conges5on ¡ control ¡problem ¡in ¡the ¡Internet. ¡ ü We ¡propose ¡a ¡measurement ¡and ¡signaling ¡architecture ¡to ¡provide ¡ real-­‑5me ¡explicit ¡feedback ¡to ¡EV ¡chargers. ¡ ü We ¡present ¡three ¡real-­‑5me ¡distributed ¡conges5on ¡control ¡ mechanisms ¡for ¡charging ¡EVs. ¡

¡ Our ¡focus ¡is ¡on ¡establishing ¡a ¡vision ¡and ¡proposing ¡a ¡high-­‑ level ¡architecture, ¡rather ¡than ¡valida5on ¡and ¡ ¡analysis, ¡ which ¡we ¡defer ¡to ¡further ¡study. ¡

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The ¡System ¡

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Today Tomorrow

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Conges5on ¡Control: ¡Internet ¡vs. ¡Grid ¡

ü Defini;on ¡of ¡conges;on: ¡a ¡user ¡sees ¡conges5on ¡if ¡

– In ¡CN: ¡buffer ¡overflow ¡on ¡a ¡path ¡ – In ¡DN: ¡the ¡current ¡passing ¡through ¡at ¡least ¡one ¡feeder ¡on ¡the ¡path ¡ persistently ¡exceeds ¡its ¡current ¡limit ¡or ¡the ¡winding ¡hot ¡spot ¡temperature ¡of ¡ at ¡least ¡one ¡transformer ¡exceeds ¡a ¡threshold ¡

ü Topology: ¡ ¡

– The ¡Internet ¡is ¡a ¡general ¡mesh ¡network ¡consis5ng ¡of ¡many ¡sources ¡and ¡ des5na5ons ¡that ¡are ¡connected ¡by ¡communica5on ¡links ¡and ¡routers. ¡If ¡a ¡ source ¡congests ¡a ¡link ¡by ¡sending ¡a ¡burst ¡of ¡data, ¡all ¡other ¡sources ¡that ¡send ¡ data ¡through ¡this ¡link ¡see ¡its ¡impact ¡on ¡their ¡QoS ¡even ¡if ¡their ¡packets ¡are ¡ going ¡to ¡different ¡des5na5ons. ¡ ¡ – A ¡distribu5on ¡system ¡has ¡a ¡tree ¡topology ¡in ¡which ¡every ¡node ¡has ¡a ¡parent ¡ which ¡supplies ¡its ¡demand ¡and ¡the ¡root ¡of ¡the ¡tree ¡supplies ¡the ¡demand ¡of ¡ all ¡loads ¡in ¡this ¡tree. ¡If ¡a ¡few ¡loads ¡congest ¡a ¡feeder ¡by ¡consuming ¡high ¡ power, ¡only ¡downstream ¡loads ¡that ¡are ¡supplied ¡by ¡this ¡feeder ¡are ¡affected. ¡ Other ¡loads ¡located ¡in ¡this ¡tree ¡will ¡not ¡be ¡affected. ¡

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Conges5on ¡Control: ¡Internet ¡vs. ¡Grid ¡

ü Infrastructure ¡for ¡sending ¡measurement ¡and ¡control ¡signals: ¡ – ¡In ¡the ¡Internet, ¡data ¡packets ¡carry ¡control ¡informa5on ¡and ¡ therefore ¡the ¡same ¡infrastructure ¡is ¡used ¡for ¡transmivng ¡both ¡ data ¡and ¡control ¡signals ¡ – ¡Power ¡lines ¡deliver ¡electricity ¡to ¡customers ¡and ¡conges5on ¡ signalling ¡is ¡done ¡separately ¡(using ¡an ¡auxiliary ¡comm. ¡network). ¡ ü ¡Conges;on ¡no;fica;on: ¡ ¡ – There ¡are ¡two ¡types ¡of ¡conges5on ¡feedback ¡in ¡the ¡Internet: ¡ explicit ¡and ¡implicit. ¡Intermediate ¡routers ¡can ¡explicitly ¡report ¡ conges5on ¡to ¡end-­‑nodes. ¡End-­‑nodes ¡can ¡also ¡infer ¡conges5on ¡ by ¡measuring ¡packet ¡loss ¡or ¡es5ma5ng ¡the ¡round-­‑trip ¡delay; ¡this ¡ is ¡known ¡as ¡implicit ¡conges5on ¡no5fica5on. ¡ ¡ – In ¡the ¡grid ¡it ¡is ¡difficult ¡to ¡infer ¡conges5on ¡implicitly. ¡

¡

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Conges5on ¡Control: ¡Internet ¡vs. ¡Grid ¡

ü Self-­‑protec;on: ¡Both ¡systems ¡protect ¡themselves ¡against ¡

• conges5on. ¡ ¡

– Internet ¡routers ¡are ¡configured ¡to ¡drop ¡packets ¡to ¡avoid ¡

• conges5on. ¡ ¡

– In ¡a ¡distribu5on ¡network, ¡the ¡protec5on ¡system ¡consists ¡of ¡re-­‑ ¡ lays ¡and ¡circuit ¡breakers ¡that ¡trip ¡and ¡disconnect ¡the ¡load ¡in ¡ case ¡of ¡conges5on. ¡ ¡

The ¡ protec5on ¡ mechanisms ¡ differ ¡ in ¡ that ¡ the ¡ packet ¡ dropping ¡ schemes ¡ do ¡ not ¡ interrupt ¡ service ¡ to ¡ clients ¡ (though ¡ it ¡ may ¡ impact ¡ the ¡ QoS); ¡ however, ¡ when ¡ a ¡ protec5ve ¡ relay ¡ trips ¡ all ¡ downstream ¡ loads ¡ are ¡ disconnected, ¡leading ¡to ¡a ¡service ¡disrup5on. ¡

¡

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Conges5on ¡Control: ¡Internet ¡vs. ¡Grid ¡

ü Uncontrolled ¡loads: ¡Both ¡systems ¡are ¡designed ¡to ¡deal ¡ with ¡uncontrollable ¡demands. ¡ ¡

– Specifically, ¡ UDP ¡ traffic ¡ is ¡ uncontrolled ¡ in ¡ the ¡ Internet ¡ and ¡ conges5on ¡ control ¡ mechanisms ¡ do ¡ not ¡ deal ¡ with ¡ this ¡ type ¡ of ¡ traffic ¡ (although ¡ UDP ¡ packets ¡ can ¡ easily ¡ be ¡ filtered ¡ and ¡ discarded ¡if ¡necessary). ¡ ¡ – Similarly, ¡there ¡are ¡uncontrollable ¡loads ¡in ¡the ¡grid ¡which ¡do ¡not ¡ respond ¡ to ¡ control ¡ signals. ¡ The ¡ main ¡ difference ¡ is ¡ that ¡ the ¡ current ¡ infrastructure ¡ does ¡ not ¡ permit ¡ the ¡ segrega5on ¡ of ¡ the ¡ uncontrolled ¡loads ¡from ¡the ¡controlled ¡ones. ¡

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Our ¡Vision ¡

ü Our ¡vision ¡requires ¡a ¡joint ¡measurement ¡and ¡signaling ¡infrastructure ¡to ¡ detect ¡the ¡outset ¡of ¡conges5on ¡very ¡quickly ¡and ¡to ¡inform ¡the ¡chargers ¡ that ¡are ¡in ¡the ¡congested ¡region ¡(others ¡should ¡not ¡need ¡to ¡decrease ¡ their ¡rates). ¡ ü When ¡an ¡EV ¡needs ¡charging, ¡it ¡starts ¡charging ¡at ¡a ¡low ¡rate ¡and ¡then ¡ increases ¡it ¡slowly ¡up ¡to ¡L2 ¡as ¡long ¡as ¡it ¡does ¡not ¡receive ¡a ¡signal ¡from ¡the ¡ grid ¡that ¡indicates ¡(pre)-­‑conges5on. ¡ ¡ ü This ¡(pre)-­‑conges5on ¡might ¡be ¡due ¡to ¡the ¡chargers ¡themselves ¡or ¡to ¡an ¡ increase ¡in ¡the ¡uncontrollable ¡loads. ¡ ¡ ü Thanks ¡to ¡the ¡efficient ¡communica5on ¡and ¡control ¡infrastructure, ¡the ¡ charger ¡can ¡react ¡nearly ¡immediately ¡to ¡conges5on ¡signals, ¡aver5ng ¡the ¡ use ¡of ¡grid ¡protec5on ¡ac5ons ¡from ¡circuit ¡breakers. ¡ ¡ ü Note ¡that ¡no ¡predic5on ¡of ¡the ¡EV ¡SoC ¡or ¡their ¡mobility ¡is ¡required: ¡ charging ¡happens ¡for ¡the ¡EVs ¡present ¡in ¡the ¡system ¡at ¡any ¡point ¡in ¡5me, ¡ and ¡their ¡charging ¡rates ¡are ¡controlled ¡every ¡few ¡milliseconds. ¡

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Design ¡Goals ¡

ü Maintaining ¡grid ¡reliability: ¡a ¡crucial ¡goal ¡in ¡the ¡design ¡of ¡a ¡ control ¡mechanism ¡for ¡charging ¡EVs ¡is ¡to ¡maintain ¡the ¡same ¡level ¡

• f ¡reliability ¡and ¡to ¡ensure ¡that ¡no ¡addi5onal ¡power ¡outage ¡is ¡

introduced ¡due ¡to ¡their ¡charging. ¡ ü ¡High ¡u;liza;on: ¡without ¡overshoo5ng ¡via ¡a ¡margin ¡(λ) ¡used ¡to ¡ hedge ¡against ¡the ¡risk ¡of ¡system ¡over-­‑loading ¡due ¡to ¡transient ¡ system ¡behaviour. ¡ ü ¡Minimize ¡oscilla;ons: ¡Oscilla5ons ¡are ¡usually ¡inefficient ¡and ¡ could ¡affect ¡the ¡life5me ¡of ¡the ¡ba\eries. ¡ ü ¡Fairness: ¡Alloca5on ¡of ¡charging ¡rates ¡to ¡EV ¡chargers ¡must ¡be ¡ done ¡according ¡to ¡a ¡fairness ¡criteria. ¡ ü ¡Robustness: ¡a ¡fail-­‑safe ¡mechanism ¡is ¡needed ¡in ¡case ¡of ¡failure ¡of ¡ the ¡comm. ¡infrastructure ¡

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Measurement ¡

ü The ¡distribu5on ¡network ¡is ¡equipped ¡with ¡measurement ¡ devices ¡con5nuously ¡measuring ¡the ¡current ¡in ¡the ¡feeder ¡and ¡ the ¡winding ¡hot ¡spot ¡temperature ¡of ¡the ¡transformer. ¡ ¡ ü They ¡ ¡compute ¡an ¡average ¡of ¡the ¡current ¡and ¡the ¡temperature ¡ every ¡tM ¡ms. ¡ ¡ ü Hence, ¡we ¡can ¡compute ¡the ¡difference ¡between ¡the ¡current ¡ limit ¡of ¡the ¡feeder ¡(with ¡a ¡margin) ¡and ¡the ¡current ¡passing ¡ through ¡it ¡and ¡the ¡difference ¡between ¡the ¡maximum ¡winding ¡ temperature ¡(with ¡a ¡margin) ¡and ¡the ¡measured ¡temperature. ¡ ¡ ü If ¡these ¡differences ¡are ¡posi5ve ¡it ¡means ¡that ¡the ¡feeder/ transformer ¡is ¡not ¡over-­‑loaded. ¡Otherwise, ¡it ¡is ¡nearly ¡

• verloaded ¡(depending ¡on ¡the ¡value ¡of ¡the ¡margins) ¡and ¡the ¡

protec5ve ¡relay ¡will, ¡most ¡probably, ¡trip ¡if ¡this ¡condi5on ¡ persists ¡or ¡worsens. ¡

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The ¡Logical ¡Infrastructure ¡

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Decision ¡Making ¡(Rate ¡Alloca5on) ¡

ü The ¡space ¡of ¡possible ¡rate ¡alloca5on ¡algorithms ¡is ¡

• large. ¡

ü We ¡outline ¡three ¡distributed ¡conges5on ¡control ¡ schemes ¡that ¡illustrate ¡different ¡points ¡in ¡the ¡design ¡ space: ¡

– Intelligent ¡Endpoint ¡Approach ¡ – Local ¡Scheduling ¡Approach ¡ – Distributed ¡Explicit ¡Rate ¡Control ¡

ü Our ¡chosen ¡algorithms ¡differ ¡in ¡the ¡en55es ¡that ¡makes ¡ decisions ¡about ¡charging ¡rates ¡of ¡EVs ¡and ¡the ¡degree ¡

• f ¡communica5on ¡overhead. ¡

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Intelligent ¡Endpoint ¡Approach ¡

ü In ¡this ¡approach, ¡each ¡EV ¡charger ¡independently ¡decides ¡on ¡its ¡ charging ¡rate, ¡much ¡like ¡a ¡TCP ¡endpoint. ¡ ¡ ü Decision ¡making ¡is ¡distributed ¡because ¡every ¡EV ¡charger ¡sets ¡its ¡ rate ¡without ¡direct ¡knowledge ¡about ¡the ¡rates ¡of ¡other ¡chargers. ¡ ü MCC ¡node ¡ac;ons: ¡Every ¡ ¡MCC ¡node ¡con5nuously ¡measures ¡and ¡ checks ¡if ¡its ¡corresponding ¡feeder/transformer ¡is ¡congested. ¡ Every ¡tM ¡ms, ¡the ¡root ¡MCC ¡node ¡broadcasts ¡a ¡packet ¡that ¡ contains ¡a ¡conges5on ¡flag. ¡This ¡packet ¡is ¡routed ¡hop-­‑by-­‑hop ¡by ¡ intermediate ¡MCC ¡nodes ¡un5l ¡it ¡reaches ¡the ¡EV ¡chargers. ¡Each ¡ congested ¡intermediate ¡MCC ¡node ¡can ¡modify ¡the ¡packet ¡that ¡it ¡ receives ¡from ¡its ¡parent ¡by ¡sevng ¡the ¡conges5on ¡flag. ¡ ¡ ü EV ¡charger ¡ac;ons: ¡Every ¡EV ¡charger ¡examines ¡the ¡conges5on ¡ flag ¡upon ¡receiving ¡a ¡packet ¡from ¡its ¡parent ¡and ¡uses ¡an ¡AIMD ¡ algorithm ¡to ¡set ¡its ¡rate. ¡

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Local ¡Scheduling ¡Approach ¡

ü The ¡EV ¡charger ¡is ¡slaved ¡to ¡its ¡parent ¡MCC, ¡which ¡ makes ¡local ¡scheduling ¡decisions ¡on ¡behalf ¡of ¡the ¡EVs ¡ a\ached ¡to ¡it. ¡ ¡ ü Decision ¡making ¡is ¡distributed ¡in ¡this ¡strategy ¡similar ¡to ¡ the ¡previous ¡scheme; ¡however, ¡it ¡is ¡done ¡by ¡leaf ¡MCC ¡ nodes ¡instead ¡of ¡EV ¡chargers. ¡This ¡permits ¡to ¡ discriminate ¡amongst ¡and ¡schedule ¡their ¡downstream ¡ EV ¡chargers. ¡

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Distributed ¡Explicit ¡Rate ¡Control ¡

ü In ¡this ¡approach, ¡all ¡MCCs ¡coordinate ¡to ¡select ¡a ¡charging ¡rate ¡for ¡their ¡ subtree, ¡in ¡an ¡a\empt ¡to ¡minimize ¡oscilla5ons ¡(loosely ¡draws ¡on ¡XCP). ¡ ü EV ¡charger ¡ac;ons: ¡Every ¡EV ¡charger ¡sends ¡a ¡packet ¡toward ¡the ¡root ¡every ¡tC ¡ ms ¡to ¡nego5ate ¡its ¡charging ¡rate ¡for ¡this ¡control ¡interval. ¡This ¡packet ¡contains ¡ the ¡current ¡charging ¡rate ¡along ¡with ¡the ¡requested ¡next ¡charging ¡rate. ¡When ¡ this ¡packet ¡returns ¡to ¡the ¡EV ¡charger, ¡it ¡adjusts ¡its ¡charging ¡rate ¡to ¡the ¡charging ¡ rate ¡encapsulated ¡in ¡the ¡packet. ¡ ü MCC ¡node ¡ac;ons: ¡When ¡an ¡MCC ¡node ¡receives ¡a ¡rate ¡requested ¡packet ¡of ¡an ¡ EV ¡charger, ¡it ¡may ¡reduce ¡the ¡request ¡rate ¡if ¡its ¡corresponding ¡feeder ¡is ¡ congested ¡and ¡this ¡rate ¡is ¡higher ¡than ¡the ¡fair ¡share ¡of ¡this ¡EV ¡charger. ¡Then, ¡it ¡ forwards ¡all ¡packets ¡that ¡it ¡has ¡received ¡to ¡its ¡parent. ¡ ü When ¡a ¡rate ¡request ¡packet ¡arrives ¡at ¡the ¡root ¡MCC ¡node, ¡the ¡root ¡sends ¡it ¡ back ¡to ¡the ¡EV ¡charger ¡along ¡the ¡same ¡path. ¡

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Comparison ¡

ü Who ¡has ¡control? ¡: ¡In ¡the ¡first ¡scheme, ¡control ¡is ¡ distributed ¡among ¡EV ¡chargers. ¡However, ¡the ¡second ¡ and ¡the ¡third ¡schemes ¡cede ¡control ¡to ¡the ¡u5lity ¡ ¡ ü Oscilla;ons: ¡The ¡third ¡scheme ¡tries ¡to ¡minimize ¡

• scilla5ons ¡by ¡accurate ¡and ¡con5nuous ¡computa5on ¡
• f ¡the ¡remaining ¡capacity ¡and ¡doing ¡rate ¡alloca5on ¡
• n ¡this ¡basis. ¡ ¡

ü Communica;on ¡overhead: ¡The ¡third ¡scheme ¡has ¡a ¡ higher ¡overhead ¡because ¡control ¡packets ¡travel ¡bi-­‑ direc5onally ¡rather ¡than ¡unidirec5onally, ¡as ¡they ¡do ¡ in ¡the ¡first ¡two ¡schemes. ¡

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Conclusions ¡

ü A ¡paradigm ¡shid! ¡ ü Need ¡to ¡transform ¡this ¡vision ¡into ¡prac5cal ¡solu5ons ¡ that ¡are ¡efficient ¡and ¡robust! ¡

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ISS4E.ca