Προσαρμοστική Διαχείριση Πόρων σε Ευφυή Δίκτυα

Abstract

Σκοπός της εργασίας είναι η διατύπωση αλγορίθμου προσαρμοστικής διαχείρισης πόρων σε ευφυή δίκτυα (ΕΔ). Επικρατέστερη φαίνεται η χρήση τεχνικής πολυπλεξίας με διαίρεση χρόνου (TDMA) για το στρώμα (MAC) του ΕΔ. Κάθε κόμβος του δικτύου αξιοποιεί όλο το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων ενώ ο συνολικός χρόνος μοιράζεται σε χρονοθυρίδες. Στην περίπτωση αυτή, σημαντικό είναι το ζήτημα της κατανομής των διαθέσιμων χρονοθυρίδων στους κόμβους του δικτύου ώστε να ικανοποιούνται οι προδιαγραφές ως προς την ποιότητα υπηρεσίας (Quality of Service - QoS) των κόμβων. Κάθε κόμβος χαρακτηρίζεται από ένα βάρος που εκφράζει το ποσοστό των χρονοθυρίδων το οποίο ανατίθεται στον κόμβο. Εξετάζεται η εύρεση πόρων στην περίπτωση εισαγωγής νέου κόμβου στο δίκτυο με μείωση των βαρών των αρχικών κόμβων. Αρχικά επιδιώκεται η εύρεση των απαιτούμενων πόρων με μείωση των βαρών των κόμβων σε ίδιο ή χαμηλότερο επίπεδο με το νέο κόμβο. Αν αυτό δεν είναι εφικτό, πραγματοποιείται άνοδος σε υψηλότερο επίπεδο του δικτύου και επαναλαμβάνεται η διαδικασία. Για να είναι δίκαιη η κατανομή των πόρων, το ποσό του βάρους που αφαιρείται από κάθε κόμβο βρίσκεται χρησιμοποιώντας τη θεωρία της κυρτής βελτιστοποίησης. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο σημερινό ηλεκτρικό δίκτυο, στις λειτουργίες που επιτελεί και στα προβλήματα που αντιμετωπίζει. Περιγράφεται, επίσης, η λειτουργία του ΕΔ και ο τρόπος με τον οποίο αντιμετωπίζονται τα ανωτέρω προβλήματα. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται το θέμα του χρονοπρογραμματισμού σε δίκτυα πολυπλεξίας με διαίρεση χρόνου και περιγράφεται το στρώμα MAC στο ΕΔ. Το Κεφάλαιο 3 παρουσιάζει συνοπτικά τη θεωρία της κυρτής βελτιστοποίησης. Στο Κεφάλαιο 4 διατυπώνεται μαθηματικά το πρόβλημα της προσαρμοστικής διαχείρισης πόρων σε ΕΔ και αναλύεται ο προτεινόμενος αλγόριθμος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5 απεικονίζονται διαγράμματα τα οποία προκύπτουν μετά από προσομοιώσεις σε δίκτυα στο περιβάλλον MATLAB και συζητούνται τα σχετικά αποτελέσματα.

This diploma thesis deals with adaptive resource management in smart grid networks. The proposed solution is the application of Time Division Multiple Access (TDMA) at the MAC layer of the nodes of a smart grid network. The network nodes use all the available frequency spectrum whereas the total time is split into time slots. In this case, it is important to allocate the available time slots to the nodes of the network, so that the Quality of Service requirements of each node are satisfied. Each node is characterized by a weight that expresses the percentage of the total number of time slots assigned to the node. The thesis examines resource allocation when a new node is inserted into the network. This is accomplished by appropriately reducing the weights of the original nodes. The required resources should be found by reducing the weights of nodes belonging to the same or to lower hierarchical levels. If this is not possible, the procedure is repeated at a higher level. For a fair resource allocation, the weight reduction of each node is determined employing the theory of convex optimization. The first chapter provides an overview of the modern electric grid and the relevant operations and problems. It also describes the smart grid network and how these problems are solved. The second chapter outlines scheduling in TDMA networks and the MAC layer of smart grids. The third chapter provides an overview of the theory of convex optimization. The problem under consideration is formulated in the fourth chapter, where, also, the proposed algorithm is presented. Finally, the fifth chapter presents relevant diagrams and discusses the simulation results using the MATLAB environment.