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)

Sustainable modular IoT solution for smart cities applications supported by machine learning algorithms

The Internet of Things (IoT) and Smart Cities are nowadays a big trend, but with the proliferation of these systems several challenges start to appear and put in jeopardy the acceptance by the population, mainly in terms of sustainability and environmental issues. This Thesis introduces a new system composed by a modular IoT smart node that is self-configurable and sustainable with the support of machine learning techniques, as well as the research and development to achieve a innovative solution considering data analysis, wireless communications and hardware and software development. For all these, concepts are introduced, research methodologies, tests and results are presented and discussed as well as the development and implementation. The developed research and methodology shows that Random Forest was the best choice for the data analysis in the self-configuration of the hardware and communication systems and that Edge Computing has an advantage in terms of energy efficiency and latency. The autonomous communication system was able to create a 65% more sustainable node, in terms of energy consumption, with only a 13% decrease in quality of service. The modular approach for the smart node presented advantages in the integration, scalability and implementation of smart cities projects when facing traditional implementations, reducing up to 45% the energy consumption of the overall system and 60% of messages exchanged, without compromising the system performance. The deployment of this new system will help Smart Cities, in a worldwide fashion, to decrease their environmental issues and comply with rules and regulations to reduce CO2 emission.A Internet das Coisas (IoT) e as Cidades Inteligentes são hoje uma grande tendência, mas com a rápida evolução destes sistemas são vários os desafios que põem em causa a sua aceitação por parte das populações, maioritariamente devido a problemas ambientais e de sustentabilidade. Esta Tese introduz um novo sistema composto por nós de IoT inteligentes que são auto-configuáveis e sustentáveis suportados por de aprendizagem automática, e o trabalho de investigação e desenvolvimento para se obter uma solução inovadora que considera a análise de dados, comunicações sem fios e o desenvolvimento do hardware e software. Para todos estes, os conceitos chave são introduzidos, as metodologias de investigação, testes e resultados são apresentados e discutidos, bem como todo o desenvolvimento e implementação. Através do trabalho desenvolvido mostra-se que as Árvores Aleatórias são a melhor escolha para análise de dados em termos da autoconfiguração do hardware e sistema de comunicações e que a computação nos nós tem uma vantagem em termos de eficiência energética e latência. O sistema de configuração autónoma de comunicações foi capaz de criar um nós 65% mais sustentável, em termos en- ergéticos, comprometendo apenas em 13% a qualidade do servi ̧co. A solução modular do nó inteligente apresentou vantagens na integração, escalabilidade e implementação de projectos para Cidades Inteligentes quando comparado com soluções tradicionais, reduzindo em 45% o consumo energético e 60% a troca de mensagens, sem comprometer a qualidade do sistema. A implementação deste novo sistema irá ajudar as cidades inteligentes, em todo o mundo, a diminuir os seus problemas ambientais e a cumprir com as normas e regulamentos para reduzir as emissões de CO2

Sensor-based ICT Systems for Smart Societies

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen