Ontologies for the interoperability of multiagent electricity markets simulation platforms

Electricity markets worldwide are complex and dynamic environments with very particular characteristics. These are the result of electricity markets’ restructuring and evolution into regional and continental scales, along with the constant changes brought by the increasing necessity for an adequate integration of renewable energy sources. The rising complexity and unpredictability in electricity markets has increased the need for the intervenient entities in foreseeing market behaviour. Market players and regulators are very interested in predicting the market’s behaviour. Market players need to understand the market behaviour and operation in order to maximize their profits, while market regulators need to test new rules and detect market inefficiencies before they are implemented. The growth of usage of simulation tools was driven by the need for understanding those mechanisms and how the involved players' interactions affect the markets' outcomes. Multi-agent based software is particularly well fitted to analyse dynamic and adaptive systems with complex interactions among its constituents, such as electricity markets. Several modelling tools directed to the study of restructured wholesale electricity markets have emerged. Still, they have a common limitation: the lack of interoperability between the various systems to allow the exchange of information and knowledge, to test different market models and to allow market players from different systems to interact in common market environments. This dissertation proposes the development and implementation of ontologies for semantic interoperability between multi-agent simulation platforms in the scope of electricity markets. The added value provided to these platforms is given by enabling them sharing their knowledge and market models with other agent societies, which provides the means for an actual improvement in current electricity markets studies and development. The proposed ontologies are implemented in MASCEM (Multi-Agent Simulator of Competitive Electricity Markets) and tested through the interaction between MASCEM agents and agents from other multi-agent based simulators. The implementation of the proposed ontologies has also required a complete restructuring of MASCEM’s architecture and multi-agent model, which is also presented in this dissertation. The results achieved in the case studies allow identifying the advantages of the novel architecture of MASCEM, and most importantly, the added value of using the proposed ontologies. They facilitate the integration of independent multi-agent simulators, by providing a way for communications to be understood by heterogeneous agents from the various systems.

Os mercados de energia elétrica são ambientes complexos e dinâmicos que possuem características particulares. Tais características são resultado da sua reestruturação e evolução a escalas regionais e, por vezes, até continentais. A crescente necessidade de adaptação dos mecanismos existentes para que possam fazer face à integração adequada de fontes de energia renováveis também contribui para a peculiaridade destes mercados. A constante complexidade e imprevisibilidade nos mercados de eletricidade aumentou a necessidade das entidades neles intervenientes preverem o seu comportamento. Os reguladores precisam testar e detetar ineficiências nos algoritmos do mercado antes de serem implementados. Por outro lado, os agentes compradores e vendedores têm a necessidade de compreender o comportamento do mercado e o seu modo de operação, de modo a maximizarem os seus lucros ou minimizarem os seus custos. O crescimento do uso de ferramentas de simulação foi motivado pela necessidade de compreensão destes mecanismos e de como as interações entre as entidades intervenientes afetam os resultados dos mercados. Software baseado em tecnologia multiagente é particularmente adequado para estudar e analisar sistemas dinâmicos e adaptativos com interações complexas entre os seus constituintes, tais como os mercados de energia elétrica. Diversas ferramentas de modelação direcionadas ao estudo dos mercados reestruturados da eletricidade foram surgindo, como por exemplo o MASCEM (Multi-Agent Simulator of Competitive Electricity Markets). No entanto, estas ferramentas de simulação partilham uma limitação comum: a falta de interoperabilidade entre os vários sistemas, que permita o intercâmbio de modelos e conhecimento, e ainda o teste e estudo de diferentes modelos de mercado. O MASCEM é um simulador multiagente de mercados competitivos de energia elétrica, que tem vindo a ser desenvolvido desde 2003. Inclui os principais modelos de mercado e as principais entidades que nele participam, permitindo o estudo dos modelos e comportamento do mercado e de cada um dos respetivos participantes. No entanto, com as constantes atualizações que o MASCEM tem acomodado, o seu ambiente tornou-se excessivamente complexo, revelando a fragilidade da sua arquitetura e da plataforma de comunicação dos agentes. Deste modo, tornou-se essencial reestruturar o sistema por completo, definindo uma nova arquitetura, um novo modelo multiagente, o uso de mecanismos adequados para lidar com os requisitos de tempos de execução, e, para facilitar a interoperabilidade com sistemas externos, o uso de semântica nas mensagens trocadas entre os principais intervenientes do mercado. Esta dissertação propõe, além da reestruturação completa da arquitetura e modelo multiagente do simulador MASCEM, o desenvolvimento e implementação de ontologias para a interoperabilidade semântica entre plataformas multiagente no âmbito dos mercados de energia elétrica. O valor acrescentado a estas ferramentas é dado através da partilha do seu conhecimento e modelos de mercado com outras sociedades de agentes, dispondo assim dos meios para uma efetiva melhoria nos estudos e desenvolvimento dos atuais mercados de eletricidade. Os resultados obtidos nos casos de estudo permitem identificar a adequação da nova arquitetura do simulador MASCEM, bem como as vantagens do uso das ontologias propostas. O uso destas ontologias facilita a integração de simuladores multiagente independentes, disponibilizando um modo para a compreensão das mensagens trocadas entre os agentes de sistemas heterogéneos.