A Review on Energy Consumption Optimization Techniques in IoT Based Smart Building Environments

In recent years, due to the unnecessary wastage of electrical energy in residential buildings, the requirement of energy optimization and user comfort has gained vital importance. In the literature, various techniques have been proposed addressing the energy optimization problem. The goal of each technique was to maintain a balance between user comfort and energy requirements such that the user can achieve the desired comfort level with the minimum amount of energy consumption. Researchers have addressed the issue with the help of different optimization algorithms and variations in the parameters to reduce energy consumption. To the best of our knowledge, this problem is not solved yet due to its challenging nature. The gap in the literature is due to the advancements in the technology and drawbacks of the optimization algorithms and the introduction of different new optimization algorithms. Further, many newly proposed optimization algorithms which have produced better accuracy on the benchmark instances but have not been applied yet for the optimization of energy consumption in smart homes. In this paper, we have carried out a detailed literature review of the techniques used for the optimization of energy consumption and scheduling in smart homes. The detailed discussion has been carried out on different factors contributing towards thermal comfort, visual comfort, and air quality comfort. We have also reviewed the fog and edge computing techniques used in smart homes

An Efficient Deep Learning Framework for Intelligent Energy Management in IoT Networks

[EN] Green energy management is an economical solution for better energy usage, but the employed literature lacks focusing on the potentials of edge intelligence in controllable Internet of Things (IoT). Therefore, in this article, we focus on the requirements of todays' smart grids, homes, and industries to propose a deep-learning-based framework for intelligent energy management. We predict future energy consumption for short intervals of time as well as provide an efficient way of communication between energy distributors and consumers. The key contributions include edge devices-based real-time energy management via common cloud-based data supervising server, optimal normalization technique selection, and a novel sequence learning-based energy forecasting mechanism with reduced time complexity and lowest error rates. In the proposed framework, edge devices relate to a common cloud server in an IoT network that communicates with the associated smart grids to effectively continue the energy demand and response phenomenon. We apply several preprocessing techniques to deal with the diverse nature of electricity data, followed by an efficient decision-making algorithm for short-term forecasting and implement it over resource-constrained devices. We perform extensive experiments and witness 0.15 and 3.77 units reduced mean-square error (MSE) and root MSE (RMSE) for residential and commercial datasets, respectively.This work was supported in part by the National Research Foundation of Korea Grant Funded by the Korea Government (MSIT) under Grant 2019M3F2A1073179; in part by the "Ministerio de Economia y Competitividad" in the "Programa Estatal de Fomento de la Investigacion Cientifica y Tecnica de Excelencia, Subprograma Estatal de Generacion de Conocimiento" Within the Project under Grant TIN2017-84802-C2-1-P; and in part by the European Union through the ERANETMED (Euromediterranean Cooperation through ERANET Joint Activities and Beyond) Project ERANETMED3-227 SMARTWATIR.Han, T.; Muhammad, K.; Hussain, T.; Lloret, J.; Baik, SW. (2021). An Efficient Deep Learning Framework for Intelligent Energy Management in IoT Networks. IEEE Internet of Things. 8(5):3170-3179. https://doi.org/10.1109/JIOT.2020.3013306S317031798

Cluster Analysis and Model Comparison Using Smart Meter Data.

Load forecasting plays a crucial role in the world of smart grids. It governs many aspects of the smart grid and smart meter, such as demand response, asset management, investment, and future direction. This paper proposes time-series forecasting for short-term load prediction to unveil the load forecast benefits through different statistical and mathematical models, such as artificial neural networks, auto-regression, and ARIMA. It targets the problem of excessive computational load when dealing with time-series data. It also presents a business case that is used to analyze different clusters to find underlying factors of load consumption and predict the behavior of customers based on different parameters. On evaluating the accuracy of the prediction models, it is observed that ARIMA models with the (P, D, Q) values as (1, 1, 1) were most accurate compared to other values

Crossing Roads of Federated Learning and Smart Grids: Overview, Challenges, and Perspectives

Consumer's privacy is a main concern in Smart Grids (SGs) due to the sensitivity of energy data, particularly when used to train machine learning models for different services. These data-driven models often require huge amounts of data to achieve acceptable performance leading in most cases to risks of privacy leakage. By pushing the training to the edge, Federated Learning (FL) offers a good compromise between privacy preservation and the predictive performance of these models. The current paper presents an overview of FL applications in SGs while discussing their advantages and drawbacks, mainly in load forecasting, electric vehicles, fault diagnoses, load disaggregation and renewable energies. In addition, an analysis of main design trends and possible taxonomies is provided considering data partitioning, the communication topology, and security mechanisms. Towards the end, an overview of main challenges facing this technology and potential future directions is presented

A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version

Smart Grid for the Smart City

Modern cities are embracing cutting-edge technologies to improve the services they offer to the citizens from traffic control to the reduction of greenhouse gases and energy provisioning. In this chapter, we look at the energy sector advocating how Information and Communication Technologies (ICT) and signal processing techniques can be integrated into next generation power grids for an increased effectiveness in terms of: electrical stability, distribution, improved communication security, energy production, and utilization. In particular, we deliberate about the use of these techniques within new demand response paradigms, where communities of prosumers (e.g., households, generating part of their electricity consumption) contribute to the satisfaction of the energy demand through load balancing and peak shaving. Our discussion also covers the use of big data analytics for demand response and serious games as a tool to promote energy-efficient behaviors from end users

A MPC Strategy for the Optimal Management of Microgrids Based on Evolutionary Optimization

In this paper, a novel model predictive control strategy, with a 24-h prediction horizon, is proposed to reduce the operational cost of microgrids. To overcome the complexity of the optimization problems arising from the operation of the microgrid at each step, an adaptive evolutionary strategy with a satisfactory trade-off between exploration and exploitation capabilities was added to the model predictive control. The proposed strategy was evaluated using a representative microgrid that includes a wind turbine, a photovoltaic plant, a microturbine, a diesel engine, and an energy storage system. The achieved results demonstrate the validity of the proposed approach, outperforming a global scheduling planner-based on a genetic algorithm by 14.2% in terms of operational cost. In addition, the proposed approach also better manages the use of the energy storage system.Ministerio de Economía y Competitividad DPI2016-75294-C2-2-RUnión Europea (Programa Horizonte 2020) 76409

Review of Low Voltage Load Forecasting: Methods, Applications, and Recommendations

The increased digitalisation and monitoring of the energy system opens up numerous opportunities to decarbonise the energy system. Applications on low voltage, local networks, such as community energy markets and smart storage will facilitate decarbonisation, but they will require advanced control and management. Reliable forecasting will be a necessary component of many of these systems to anticipate key features and uncertainties. Despite this urgent need, there has not yet been an extensive investigation into the current state-of-the-art of low voltage level forecasts, other than at the smart meter level. This paper aims to provide a comprehensive overview of the landscape, current approaches, core applications, challenges and recommendations. Another aim of this paper is to facilitate the continued improvement and advancement in this area. To this end, the paper also surveys some of the most relevant and promising trends. It establishes an open, community-driven list of the known low voltage level open datasets to encourage further research and development.Comment: 37 pages, 6 figures, 2 tables, review pape