Computational intelligence techniques for energy storage management

Ph. D. ThesisThe proliferation of stochastic renewable energy sources (RES) such as photovoltaic and wind power in the power system has made the balancing of generation and demand challenging for the grid operators. This is further compounded with the liberalization of electricity market and the introduction of real-time electricity pricing (RTP) to reflect the dynamics in generation and demand. Energy storage sources (ESS) are widely seen as one of the keys enabling technology to mitigate this problem. Since ESS is a costly and energy-limited resource, it is economical to provide multiple services using a single ESS. This thesis aims to investigate the operation of a single ESS in a grid-connected microgrid with RES under RTP to provide multiple services. First, artificial neural network is proposed for day-ahead forecasting of the RES, demand and RTP. After the day-ahead forecast is obtained, the day-ahead schedule of energy storage is formulated into a mixed-integer linear programming and implemented in AMPL and solved using CPLEX. This method considers the impact of forecasting errors in the day-ahead scheduling. Empirical evidence shows that the proposed nearoptimal day-ahead scheduling of ESS can achieve a lower operating cost and peak demand. Second, a fuzzy logic-based energy management system (FEMS) for a grid-connected microgrid with RES and ESS is proposed. The objectives of the FEMS are energy arbitrage and peak shaving for the microgrid. These objectives are achieved by controlling the charge and discharge rate of the ESS based on the state-of-charge (SoC) of ESS, the power difference between RES and demand, and RTP. Instead of using a forecasting-based approach, the proposed FEMS is designed with the historical data of the microgrid. It determines the charge and discharge rate of the ESS in a rolling horizon. A comparison with other controllers with the same objectives shows that the proposed controller can operate at a lower cost and reduce the peak demand of the microgrid. Finally, the effectiveness of the FEMS greatly depends on the membership functions. The fuzzy membership functions of the FEMS are optimized offline using a Pareto based multi-objective evolutionary algorithm, nondominated sorting genetic algorithm- II (NSGA-II). The best compromise solution is selected as the final solution and implemented in the fuzzy logic controller. A comparison was made against other control strategies with similar objectives are carried out at a simulation level. Empirical evidence shows that the proposed methodology can find more solutions on the Pareto front in a single run. The proposed FEMS is experimentally validated on a real microgrid in the energy storage test bed at Newcastle University, UK. Furthermore, reserve service is added on top of energy arbitrage and peak shaving to the energy management system (EMS). As such multi-service of a single ESS which benefit the grid operator and consumer is achieved

Advanced Methods of Power Load Forecasting

This reprint introduces advanced prediction models focused on power load forecasting. Models based on artificial intelligence and more traditional approaches are shown, demonstrating the real possibilities of use to improve prediction in this field. Models of LSTM neural networks, LSTM networks with a SESDA architecture, in even LSTM-CNN are used. On the other hand, multiple seasonal Holt-Winters models with discrete seasonality and the application of the Prophet method to demand forecasting are presented. These models are applied in different circumstances and show highly positive results. This reprint is intended for both researchers related to energy management and those related to forecasting, especially power load

Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users

[EN] The electricity sector is currently undergoing a process of liberalization and separation of roles, which is being implemented under the regulatory auspices of each Member State of the European Union and, therefore, with different speeds, perspectives and objectives that must converge on a common horizon, where Europe will benefit from an interconnected energy market in which producers and consumers can participate in free competition. This process of liberalization and separation of roles involves two consequences or, viewed another way, entails a major consequence from which other immediate consequence, as a necessity, is derived. The main consequence is the increased complexity in the management and supervision of a system, the electrical, increasingly interconnected and participatory, with connection of distributed energy sources, much of them from renewable sources, at different voltage levels and with different generation capacity at any point in the network. From this situation the other consequence is derived, which is the need to communicate information between agents, reliably, safely and quickly, and that this information is analyzed in the most effective way possible, to form part of the processes of decision taking that improve the observability and controllability of a system which is increasing in complexity and number of agents involved. With the evolution of Information and Communication Technologies (ICT), and the investments both in improving existing measurement and communications infrastructure, and taking the measurement and actuation capacity to a greater number of points in medium and low voltage networks, the availability of data that informs of the state of the network is increasingly higher and more complete. All these systems are part of the so-called Smart Grids, or intelligent networks of the future, a future which is not so far. One such source of information comes from the energy consumption of customers, measured on a regular basis (every hour, half hour or quarter-hour) and sent to the Distribution System Operators from the Smart Meters making use of Advanced Metering Infrastructure (AMI). This way, there is an increasingly amount of information on the energy consumption of customers, being stored in Big Data systems. This growing source of information demands specialized techniques which can take benefit from it, extracting a useful and summarized knowledge from it. This thesis deals with the use of this information of energy consumption from Smart Meters, in particular on the application of data mining techniques to obtain temporal patterns that characterize the users of electrical energy, grouping them according to these patterns in a small number of groups or clusters, that allow evaluating how users consume energy, both during the day and during a sequence of days, allowing to assess trends and predict future scenarios. For this, the current techniques are studied and, proving that the current works do not cover this objective, clustering or dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users are developed. These techniques are tested and validated on a database of hourly energy consumption values for a sample of residential customers in Spain during years 2008 and 2009. The results allow to observe both the characterization in consumption patterns of the different types of residential energy consumers, and their evolution over time, and to assess, for example, how the regulatory changes that occurred in Spain in the electricity sector during those years influenced in the temporal patterns of energy consumption.[ES] El sector eléctrico se halla actualmente sometido a un proceso de liberalización y separación de roles, que está siendo aplicado bajo los auspicios regulatorios de cada Estado Miembro de la Unión Europea y, por tanto, con distintas velocidades, perspectivas y objetivos que deben confluir en un horizonte común, en donde Europa se beneficiará de un mercado energético interconectado, en el cual productores y consumidores podrán participar en libre competencia. Este proceso de liberalización y separación de roles conlleva dos consecuencias o, visto de otra manera, conlleva una consecuencia principal de la cual se deriva, como necesidad, otra consecuencia inmediata. La consecuencia principal es el aumento de la complejidad en la gestión y supervisión de un sistema, el eléctrico, cada vez más interconectado y participativo, con conexión de fuentes distribuidas de energía, muchas de ellas de origen renovable, a distintos niveles de tensión y con distinta capacidad de generación, en cualquier punto de la red. De esta situación se deriva la otra consecuencia, que es la necesidad de comunicar información entre los distintos agentes, de forma fiable, segura y rápida, y que esta información sea analizada de la forma más eficaz posible, para que forme parte de los procesos de toma de decisiones que mejoran la observabilidad y controlabilidad de un sistema cada vez más complejo y con más agentes involucrados. Con el avance de las Tecnologías de Información y Comunicaciones (TIC), y las inversiones tanto en mejora de la infraestructura existente de medida y comunicaciones, como en llevar la obtención de medidas y la capacidad de actuación a un mayor número de puntos en redes de media y baja tensión, la disponibilidad de datos sobre el estado de la red es cada vez mayor y más completa. Todos estos sistemas forman parte de las llamadas Smart Grids, o redes inteligentes del futuro, un futuro ya no tan lejano. Una de estas fuentes de información proviene de los consumos energéticos de los clientes, medidos de forma periódica (cada hora, media hora o cuarto de hora) y enviados hacia las Distribuidoras desde los contadores inteligentes o Smart Meters, mediante infraestructura avanzada de medida o Advanced Metering Infrastructure (AMI). De esta forma, cada vez se tiene una mayor cantidad de información sobre los consumos energéticos de los clientes, almacenada en sistemas de Big Data. Esta cada vez mayor fuente de información demanda técnicas especializadas que sepan aprovecharla, extrayendo un conocimiento útil y resumido de la misma. La presente Tesis doctoral versa sobre el uso de esta información de consumos energéticos de los contadores inteligentes, en concreto sobre la aplicación de técnicas de minería de datos (data mining) para obtener patrones temporales que caractericen a los usuarios de energía eléctrica, agrupándolos según estos mismos patrones en un número reducido de grupos o clusters, que permiten evaluar la forma en que los usuarios consumen la energía, tanto a lo largo del día como durante una secuencia de días, permitiendo evaluar tendencias y predecir escenarios futuros. Para ello se estudian las técnicas actuales y, comprobando que los trabajos actuales no cubren este objetivo, se desarrollan técnicas de clustering o segmentación dinámica aplicadas a curvas de carga de consumo eléctrico diario de clientes domésticos. Estas técnicas se prueban y validan sobre una base de datos de consumos energéticos horarios de una muestra de clientes residenciales en España durante los años 2008 y 2009. Los resultados permiten observar tanto la caracterización en consumos de los distintos tipos de consumidores energéticos residenciales, como su evolución en el tiempo, y permiten evaluar, por ejemplo, cómo influenciaron en los patrones temporales de consumos los cambios regulatorios que se produjeron en España en el sector eléctrico durante esos años.[CA] El sector elèctric es troba actualment sotmès a un procés de liberalització i separació de rols, que s'està aplicant davall els auspicis reguladors de cada estat membre de la Unió Europea i, per tant, amb distintes velocitats, perspectives i objectius que han de confluir en un horitzó comú, on Europa es beneficiarà d'un mercat energètic interconnectat, en el qual productors i consumidors podran participar en lliure competència. Aquest procés de liberalització i separació de rols comporta dues conseqüències o, vist d'una altra manera, comporta una conseqüència principal de la qual es deriva, com a necessitat, una altra conseqüència immediata. La conseqüència principal és l'augment de la complexitat en la gestió i supervisió d'un sistema, l'elèctric, cada vegada més interconnectat i participatiu, amb connexió de fonts distribuïdes d'energia, moltes d'aquestes d'origen renovable, a distints nivells de tensió i amb distinta capacitat de generació, en qualsevol punt de la xarxa. D'aquesta situació es deriva l'altra conseqüència, que és la necessitat de comunicar informació entre els distints agents, de forma fiable, segura i ràpida, i que aquesta informació siga analitzada de la manera més eficaç possible, perquè forme part dels processos de presa de decisions que milloren l'observabilitat i controlabilitat d'un sistema cada vegada més complex i amb més agents involucrats. Amb l'avanç de les tecnologies de la informació i les comunicacions (TIC), i les inversions, tant en la millora de la infraestructura existent de mesura i comunicacions, com en el trasllat de l'obtenció de mesures i capacitat d'actuació a un nombre més gran de punts en xarxes de mitjana i baixa tensió, la disponibilitat de dades sobre l'estat de la xarxa és cada vegada major i més completa. Tots aquests sistemes formen part de les denominades Smart Grids o xarxes intel·ligents del futur, un futur ja no tan llunyà. Una d'aquestes fonts d'informació prové dels consums energètics dels clients, mesurats de forma periòdica (cada hora, mitja hora o quart d'hora) i enviats cap a les distribuïdores des dels comptadors intel·ligents o Smart Meters, per mitjà d'infraestructura avançada de mesura o Advanced Metering Infrastructure (AMI). D'aquesta manera, cada vegada es té una major quantitat d'informació sobre els consums energètics dels clients, emmagatzemada en sistemes de Big Data. Aquesta cada vegada major font d'informació demanda tècniques especialitzades que sàpiguen aprofitar-la, extraient-ne un coneixement útil i resumit. La present tesi doctoral versa sobre l'ús d'aquesta informació de consums energètics dels comptadors intel·ligents, en concret sobre l'aplicació de tècniques de mineria de dades (data mining) per a obtenir patrons temporals que caracteritzen els usuaris d'energia elèctrica, agrupant-los segons aquests mateixos patrons en una quantitat reduïda de grups o clusters, que permeten avaluar la forma en què els usuaris consumeixen l'energia, tant al llarg del dia com durant una seqüència de dies, i que permetent avaluar tendències i predir escenaris futurs. Amb aquesta finalitat, s'estudien les tècniques actuals i, en comprovar que els treballs actuals no cobreixen aquest objectiu, es desenvolupen tècniques de clustering o segmentació dinàmica aplicades a corbes de càrrega de consum elèctric diari de clients domèstics. Aquestes tècniques es proven i validen sobre una base de dades de consums energètics horaris d'una mostra de clients residencials a Espanya durant els anys 2008 i 2009. Els resultats permeten observar tant la caracterització en consums dels distints tipus de consumidors energètics residencials, com la seua evolució en el temps, i permeten avaluar, per exemple, com van influenciar en els patrons temporals de consums els canvis reguladors que es van produir a Espanya en el sector elèctric durant aquests anys.Benítez Sánchez, IJ. (2015). Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59236TESI

Autonomous and decentralised energy markets in smart DC microgrids

Dissertation (MEng (Electrical Engineering))--University of Pretoria, 2022.Microgrids are gaining popularity due to their ability to integrate distributed renewable energy generation. In addition, direct current (DC) - based operation results in significantly higher operational efficiency. However, it exhibits energy drawbacks such as congestion, instability, and imbalances. Incorporating demand management through electricity markets governed by dynamic pricing presents a potential solution to these challenges. Concerns about unfair electricity pricing and uneven market power hinder electricity market adoption. This research aims to facilitate decentralised and transparent energy markets with a high-accuracy dynamic pricing scheme to address the critical arguments against current electricity markets.Electrical, Electronic and Computer EngineeringMEng (Electrical Engineering)Unrestricte

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)

Time Series Modelling

The analysis and modeling of time series is of the utmost importance in various fields of application. This Special Issue is a collection of articles on a wide range of topics, covering stochastic models for time series as well as methods for their analysis, univariate and multivariate time series, real-valued and discrete-valued time series, applications of time series methods to forecasting and statistical process control, and software implementations of methods and models for time series. The proposed approaches and concepts are thoroughly discussed and illustrated with several real-world data examples