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

Short-Term Electric Load Forecasting Based on a Neural Fuzzy Network

Electric load forecasting is essential to improve the reliability of the ac power line data network and provide optimal load scheduling in an intelligent home system. In this paper, a short-term load forecasting realized by a neural fuzzy network (NFN) and a modified genetic algorithm (GA) is proposed. It can forecast the hourly load accurately with respect to different day types and weather information. By introducing new genetic operators, the modified GA performs better than the traditional GA under some benchmark test functions. The optimal network structure can be found by the modified GA when switches in the links of the network are introduced. The membership functions and the number of rules of the NFN can be obtained automatically. Results for a short-term load forecasting will be given

A novel genetic-algorithm-based neural network for short-term load forecasting

This paper presents a neural network with a novel neuron model. In this model, the neuron has two activation functions and exhibits a node-to-node relationship in the hidden layer. This neural network provides better performance than a traditional feedforward neural network, and fewer hidden nodes are needed. The parameters of the proposed neural network are tuned by a genetic algorithm with arithmetic crossover and nonuniform mutation. Some applications are given to show the merits of the proposed neural network

Short-term electric load forecasting based on a neural fuzzy network

Centre for Multimedia Signal Processing, Department of Electronic and Information Engineering2003-2004 > Academic research: refereed > Publication in refereed journalVersion of RecordPublishe

A novel genetic-algorithm-based neural network for short-term load forecasting

Centre for Multimedia Signal Processing, Department of Electronic and Information Engineering2003-2004 > Academic research: refereed > Publication in refereed journalVersion of RecordPublishe

Load forecasting on the user‐side by means of computational intelligence algorithms

Nowadays, it would be very difficult to deny the need to prioritize sustainable development through energy efficiency at all consumption levels. In this context, an energy management system (EMS) is a suitable option for continuously improving energy efficiency, particularly on the user side. An EMS is a set of technological tools that manages energy consumption information and allows its analysis. EMS, in combination with information technologies, has given rise to intelligent EMS (iEMS), which, aside from lending support to monitoring and reporting functions as an EMS does, it has the ability to model, forecast, control and diagnose energy consumption in a predictive way. The main objective of an iEMS is to continuously improve energy efficiency (on-line) as automatically as possible. The core of an iEMS is its load modeling forecasting system (LMFS). It takes advantage of historical information on energy consumption and energy-related variables in order to model and forecast load profiles and, if available, generator profiles. These models and forecasts are the main information used for iEMS applications for control and diagnosis. That is why in this thesis we have focused on the study, analysis and development of LMFS on the user side. The fact that the LMFS is applied on the user side to support an iEMS means that specific characteristics are required that in other areas of load forecasting they are not. First of all, the user-side load profiles (LPs) have a higher random behavior than others, as for example, in power system distribution or generation. This makes the modeling and forecasting process more difficult. Second, on the user side --for example an industrial user-- there is a high number and variety of places that can be monitored, modeled and forecasted, as well as their precedence or nature. Thus, on the one hand, an LMFS requires a high degree of autonomy to automatically or autonomously generate the demanded models. And on the other hand, it needs a high level of adaptability in order to be able to model and forecast different types of loads and different types of energies. Therefore, the addressed LMFS are those that do not look only for accuracy, but also adaptability and autonomy. Seeking to achieve these objectives, in this thesis work we have proposed three novel LMFS schemes based on hybrid algorithms from computational intelligence, signal processing and statistical theory. The first of them looked to improve adaptability, keeping in mind the importance of accuracy and autonomy. It was called an evolutionary training algorithm (ETA) and is based on adaptivenetwork-based-fuzzy-inference system (ANFIS) that is trained by a multi-objective genetic algorithm instead of its traditional training algorithm. As a result of this hybrid, the generalization capacity was improved (avoiding overfitting) and an easily adaptable training algorithm for new adaptive networks based on traditional ANFIS was obtained. The second scheme deals with LMF autonomy in order to build models from multiple loads automatically. Similar to the previous proposal, an ANFIS and a MOGA were used. In this case, the MOGA was used to find a near-optimal configuration for the ANFIS instead of training it. The LMFS relies on this configuration to work properly, as well as to maintain accuracy and generalization capabilities. Real data from an industrial scenario were used to test the proposed scheme and the multi-site modeling and self-configuration results were satisfactory. Furthermore, other algorithms were satisfactorily designed and tested for processing raw data in outlier detection and gap padding. The last of the proposed approaches sought to improve accuracy while keeping autonomy and adaptability. It took advantage of dominant patterns (DPs) that have lower time resolution than the target LP, so they are easier to model and forecast. The Hilbert-Huang transform and Hilbert-spectral analysis were used for detecting and selecting the DPs. Those selected were used in a proposed scheme of partial models (PM) based on parallel ANFIS or artificial neural networks (ANN) to extract the information and give it to the main PM. Therefore, LMFS accuracy improved and the user-side LP noising problem was reduced. Additionally, in order to compensate for the added complexity, versions of self-configured sub-LMFS for each PM were used. This point was fundamental since, the better the configuration, the better the accuracy of the model; and subsequently the information provided to the main partial model was that much better. Finally, and to close this thesis, an outlook of trends regarding iEMS and an outline of several hybrid algorithms that are pending study and testing are presented.En el contexto energético actual y particularmente en el lado del usuario, el concepto de sistema de gestión energética (EMS) se presenta como una alternativa apropiada para mejorar continuamente la eficiencia energética. Los EMSs en combinación con las tecnologías informáticas dan origen al concepto de iEMS, que además de soportar las funciones de los EMS, tienen la capacidad de modelar, pronosticar, controlar y supervisar los consumos energéticos. Su principal objetivo es el de realizar una mejora continua, lo más autónoma posible y predictiva de la eficiencia energética. Este tipo de sistemas tienen como núcleo fundamental el sistema de modelado y pronóstico de consumos (Load Modeling and Forecasting System, LMFS). El LMFS está habilitado para pronosticar el comportamiento futuro de cargas y, si es necesario, de generadores. Es sobre estos pronósticos sobre los cuales el iEMS puede realizar sus tareas automáticas y predictivas de optimización y supervisión. Los LMFS en el lado del usuario son el foco de esta tesis. Un LMFS en el lado del usuario, diseñado para soportar un iEMS requiere o demanda ciertas características que en otros contextos no serían tan necesarias. En primera estancia, los perfiles de los usuarios tienen un alto grado de aleatoriedad que los hace más difíciles de pronosticar. Segundo, en el lado del usuario, por ejemplo en la industria, el gran número de puntos a modelar requiere que el LMFS tenga por un lado, un nivel elevado de autonomía para generar de la manera más desatendida posible los modelos. Por otro lado, necesita un nivel elevado de adaptabilidad para que, usando la misma estructura o metodología, pueda modelar diferentes tipos de cargas cuya procedencia pude variar significativamente. Por lo tanto, los sistemas de modelado abordados en esta tesis son aquellos que no solo buscan mejorar la precisión, sino también la adaptabilidad y autonomía. En busca de estos objetivos y soportados principalmente por algoritmos de inteligencia computacional, procesamiento de señales y estadística, hemos propuesto tres algoritmos novedosos para el desarrollo de un LMFS en el lado del usuario. El primero de ellos busca mejorar la adaptabilidad del LMFS manteniendo una buena precisión y capacidad de autonomía. Denominado ETA, consiste del uso de una estructura ANFIS que es entrenada por un algoritmo genético multi objetivo (MOGA). Como resultado de este híbrido, obtenemos un algoritmo con excelentes capacidades de generalización y fácil de adaptar para el entrenamiento y evaluación de nuevas estructuras adaptativas basadas en ANFIS. El segundo de los algoritmos desarrollados aborda la autonomía del LMFS para así poder generar modelos de múltiples cargas. Al igual que en la anterior propuesta usamos un ANFIS y un MOGA, pero esta vez el MOGA en vez de entrenar el ANFIS, se utiliza para encontrar la configuración cuasi-óptima del ANFIS. Encontrar la configuración apropiada de un ANFIS es muy importante para obtener un buen funcionamiento del LMFS en lo que a precisión y generalización respecta. El LMFS propuesto, además de configurar automáticamente el ANFIS, incluyó diversos algoritmos para procesar los datos puros que casi siempre estuvieron contaminados de datos espurios y gaps de información, operando satisfactoriamente en las condiciones de prueba en un escenario real. El tercero y último de los algoritmos buscó mejorar la precisión manteniendo la autonomía y adaptabilidad, aprovechando para ello la existencia de patrones dominantes de más baja resolución temporal que el consumo objetivo, y que son más fáciles de modelar y pronosticar. La metodología desarrollada se basa en la transformada de Hilbert-Huang para detectar y seleccionar tales patrones dominantes. Además, esta metodología define el uso de modelos parciales de los patrones dominantes seleccionados, para mejorar la precisión del LMFS y mitigar el problema de aleatoriedad que afecta a los consumos en el lado del usuario. Adicionalmente, se incorporó el algoritmo de auto configuración que se presentó en la propuesta anterior para hallar la configuración cuasi-óptima de los modelos parciales. Este punto fue crucial puesto que a mejor configuración de los modelos parciales mayor es la mejora en precisión del pronóstico final. Finalmente y para cerrar este trabajo de tesis, se realizó una prospección de las tendencias en cuanto al uso de iEMS y se esbozaron varias propuestas de algoritmos híbridos, cuyo estudio y comprobación se plantea en futuros estudios

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

AI based residential load forecasting

The increasing levels of energy consumption worldwide is raising issues with respect to surpassing supply limits, causing severe effects on the environment, and the exhaustion of energy resources. Buildings are one of the most relevant sectors in terms of energy consumption in the world. Many researches have been carried out in the recent years with primary concentration on efficient Home or Building Management Systems. In addition, by increasing renewable energy penetration, modern power grids demand more accurate consumption predictions to provide the optimized power supply which is stochastic in nature. This study will present an analytic comparison of day-ahead load forecasting during a period of two years by applying AI based data driven models. The unit of analysis in this thesis project is based on households smart meter data in England. The collected and collated data for this study includes historical electricity consumption of 75 houses over two years of 2012 to 2014 city of London. Predictive models divided in two main forecasting groups of deterministic and probabilistic forecasting. In deterministic step, Random Forest Regression and MLP Regression employed to make a forecasting models. In the probabilistic phase,DeepAR, FFNN and Gaussian Process Estimator were employed to predict days ahead load forecasting. The models are trained based on subset of various groups of customers with registered diversified load volatility level. Daily weather data are also added as new feature in this study into subset to check model sensitivity to external factors and validate the performance of the model. The results of implemented models are evaluated by well-known error metrics as RMSE,MAE, MSE and CRPS separately for each phase of this study. The findings of this master thesis study shows that the Deep Learning methods of FNN, DeepAR and MLP compared to other utilized methods like Random Forest and Gaussian provide better data prediction reslts in terms of less deviance to real load trend, lower forecasting error and computation time. Considering probabilistic forecasting methods it is observed that DeepAR can provide better results than FFNN and Gaussian Process model. Although the computation time of FFNN was lower than other