Energy Data Analytics for Smart Meter Data

The principal advantage of smart electricity meters is their ability to transfer digitized electricity consumption data to remote processing systems. The data collected by these devices make the realization of many novel use cases possible, providing benefits to electricity providers and customers alike. This book includes 14 research articles that explore and exploit the information content of smart meter data, and provides insights into the realization of new digital solutions and services that support the transition towards a sustainable energy system. This volume has been edited by Andreas Reinhardt, head of the Energy Informatics research group at Technische Universität Clausthal, Germany, and Lucas Pereira, research fellow at Técnico Lisboa, Portugal

Optimizing performance and energy efficiency of group communication and internet of things in cognitive radio networks

Data traffic in the wireless networks has grown at an unprecedented rate. While traditional wireless networks follow fixed spectrum assignment, spectrum scarcity problem becomes a major challenge in the next generations of wireless networks. Cognitive radio is a promising candidate technology that can mitigate this critical challenge by allowing dynamic spectrum access and increasing the spectrum utilization. As users and data traffic demands increases, more efficient communication methods to support communication in general, and group communication in particular, are needed. On the other hand, limited battery for the wireless network device in general makes it a bottleneck for enhancing the performance of wireless networks. In this thesis, the problem of optimizing the performance of group communication in CRNs is studied. Moreover, energy efficient and wireless-powered group communication in CRNs are considered. Additionally, a cognitive mobile base station and a cognitive UAV are proposed for the purpose of optimizing energy transfer and data dissemination, respectively. First, a multi-objective optimization for many-to-many communication in CRNs is considered. Given a many-to-many communication request, the goal is to support message routing from each user in the many-to-many group to each other. The objectives are minimizing the delay and the number of used links and maximizing data rate. The network is modeled using a multi-layer hyper graph, and the secondary users\u27 transmission is scheduled after establishing the conflict graph. Due to the difficulty of solving the problem optimally, a modified version of an Ant Colony meta-heuristic algorithm is employed to solve the problem. Additionally, energy efficient multicast communication in CRNs is introduced while considering directional and omnidirectional antennas. The multicast service is supported such that the total energy consumption of data transmission and channel switching is minimized. The optimization problem is formulated as a Mixed Integer Linear Program (MILP), and a heuristic algorithm is proposed to solve the problem in polynomial time. Second, wireless-powered machine-to-machine multicast communication in cellular networks is studied. To incentivize Internet of Things (IoT) devices to participate in forwarding the multicast messages, each IoT device participates in messages forwarding receives Radio Frequency (RF) energy form Energy Transmitters (ET) not less than the amount of energy used for messages forwarding. The objective is to minimize total transferred energy by the ETs. The problem is formulated mathematically as a Mixed Integer Nonlinear Program (MINLP), and a Generalized Bender Decomposition with Successive Convex Programming (GBD-SCP) algorithm is introduced to get an approximate solution since there is no efficient way in general to solve the problem optimally. Moreover, another algorithm, Constraints Decomposition with SCP and Binary Variable Relaxation (CDR), is proposed to get an approximate solution in a more efficient way. On the other hand, a cognitive mobile station base is proposed to transfer data and energy to a group of IoT devices underlying a primary network. Total energy consumed by the cognitive base station in its mobility, data transmission and energy transfer is minimized. Moreover, the cognitive base station adjusts its location and transmission power and transmission schedule such that data and energy demands are supported within a certain tolerable time and the primary users are protected from harmful interference. Finally, we consider a cognitive Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to disseminate data to IoT devices. The UAV senses the spectrum and finds an idle channel, then it predicts when the corresponding primary user of the selected channel becomes active based on the elapsed time of the off period. Accordingly, it starts its transmission at the beginning of the next frame right after finding the channel is idle. Moreover, it decides the number of the consecutive transmission slots that it will use such that the number of interfering slots to the corresponding primary user does not exceed a certain threshold. A mathematical problem is formulated to maximize the minimum number of bits received by the IoT devices. A successive convex programming-based algorithm is used to get a solution for the problem in an efficiency way. It is shown that the used algorithm converges to a Kuhn Tucker point

μGIM - Microgrid intelligent management system based on a multi-agent approach and the active participation of end-users

[ES] Los sistemas de potencia y energía están cambiando su paradigma tradicional, de sistemas centralizados a sistemas descentralizados. La aparición de redes inteligentes permite la integración de recursos energéticos descentralizados y promueve la gestión inclusiva que involucra a los usuarios finales, impulsada por la gestión del lado de la demanda, la energía transactiva y la respuesta a la demanda. Garantizar la escalabilidad y la estabilidad del servicio proporcionado por la red, en este nuevo paradigma de redes inteligentes, es más difícil porque no hay una única sala de operaciones centralizada donde se tomen todas las decisiones. Para implementar con éxito redes inteligentes, es necesario combinar esfuerzos entre la ingeniería eléctrica y la ingeniería informática. La ingeniería eléctrica debe garantizar el correcto funcionamiento físico de las redes inteligentes y de sus componentes, estableciendo las bases para un adecuado monitoreo, control, gestión, y métodos de operación. La ingeniería informática desempeña un papel importante al proporcionar los modelos y herramientas computacionales adecuados para administrar y operar la red inteligente y sus partes constituyentes, representando adecuadamente a todos los diferentes actores involucrados. Estos modelos deben considerar los objetivos individuales y comunes de los actores que proporcionan las bases para garantizar interacciones competitivas y cooperativas capaces de satisfacer a los actores individuales, así como cumplir con los requisitos comunes con respecto a la sostenibilidad técnica, ambiental y económica del Sistema. La naturaleza distribuida de las redes inteligentes permite, incentiva y beneficia enormemente la participación activa de los usuarios finales, desde actores grandes hasta actores más pequeños, como los consumidores residenciales. Uno de los principales problemas en la planificación y operación de redes eléctricas es la variación de la demanda de energía, que a menudo se duplica más que durante las horas pico en comparación con la demanda fuera de pico. Tradicionalmente, esta variación dio como resultado la construcción de plantas de generación de energía y grandes inversiones en líneas de red y subestaciones. El uso masivo de fuentes de energía renovables implica mayor volatilidad en lo relativo a la generación, lo que hace que sea más difícil equilibrar el consumo y la generación. La participación de los actores de la red inteligente, habilitada por la energía transactiva y la respuesta a la demanda, puede proporcionar flexibilidad en desde el punto de vista de la demanda, facilitando la operación del sistema y haciendo frente a la creciente participación de las energías renovables. En el ámbito de las redes inteligentes, es posible construir y operar redes más pequeñas, llamadas microrredes. Esas son redes geográficamente limitadas con gestión y operación local. Pueden verse como áreas geográficas restringidas para las cuales la red eléctrica generalmente opera físicamente conectada a la red principal, pero también puede operar en modo isla, lo que proporciona independencia de la red principal. Esta investigación de doctorado, realizada bajo el Programa de Doctorado en Ingeniería Informática de la Universidad de Salamanca, aborda el estudio y el análisis de la gestión de microrredes, considerando la participación activa de los usuarios finales y la gestión energética de lascarga eléctrica y los recursos energéticos de los usuarios finales. En este trabajo de investigación se ha analizado el uso de conceptos de ingeniería informática, particularmente del campo de la inteligencia artificial, para apoyar la gestión de las microrredes, proponiendo un sistema de gestión inteligente de microrredes (μGIM) basado en un enfoque de múltiples agentes y en la participación activa de usuarios. Esta solución se compone de tres sistemas que combinan hardware y software: el emulador de virtual a realidad (V2R), el enchufe inteligente de conciencia ambiental de Internet de las cosas (EnAPlug), y la computadora de placa única para energía basada en el agente (S4E) para permitir la gestión del lado de la demanda y la energía transactiva. Estos sistemas fueron concebidos, desarrollados y probados para permitir la validación de metodologías de gestión de microrredes, es decir, para la participación de los usuarios finales y para la optimización inteligente de los recursos. Este documento presenta todos los principales modelos y resultados obtenidos durante esta investigación de doctorado, con respecto a análisis de vanguardia, concepción de sistemas, desarrollo de sistemas, resultados de experimentación y descubrimientos principales. Los sistemas se han evaluado en escenarios reales, desde laboratorios hasta sitios piloto. En total, se han publicado veinte artículos científicos, de los cuales nueve se han hecho en revistas especializadas. Esta investigación de doctorado realizó contribuciones a dos proyectos H2020 (DOMINOES y DREAM-GO), dos proyectos ITEA (M2MGrids y SPEAR), tres proyectos portugueses (SIMOCE, NetEffiCity y AVIGAE) y un proyecto con financiación en cascada H2020 (Eco-Rural -IoT)