The role of intelligent systems in delivering the smart grid

The development of "smart" or "intelligent" energy networks has been proposed by both EPRI's IntelliGrid initiative and the European SmartGrids Technology Platform as a key step in meeting our future energy needs. A central challenge in delivering the energy networks of the future is the judicious selection and development of an appropriate set of technologies and techniques which will form "a toolbox of proven technical solutions". This paper considers functionality required to deliver key parts of the Smart Grid vision of future energy networks. The role of intelligent systems in providing these networks with the requisite decision-making functionality is discussed. In addition to that functionality, the paper considers the role of intelligent systems, in particular multi-agent systems, in providing flexible and extensible architectures for deploying intelligence within the Smart Grid. Beyond exploiting intelligent systems as architectural elements of the Smart Grid, with the purpose of meeting a set of engineering requirements, the role of intelligent systems as a tool for understanding what those requirements are in the first instance, is also briefly discussed

Ontologies for the Interoperability of Heterogeneous Multi-Agent Systems in the scope of Energy and Power Systems

Tesis por compendio de publicaciones[ES]El sector eléctrico, tradicionalmente dirigido por monopolios y poderosas empresas de servicios públicos, ha experimentado cambios significativos en las últimas décadas. Los avances más notables son una mayor penetración de las fuentes de energía renovable (RES por sus siglas en inglés) y la generación distribuida, que han llevado a la adopción del paradigma de las redes inteligentes (SG por sus siglas en inglés) y a la introducción de enfoques competitivos en los mercados de electricidad (EMs por sus siglas en inglés) mayoristas y algunos minoristas. Las SG emergieron rápidamente de un concepto ampliamente aceptado en la realidad. La intermitencia de las fuentes de energía renovable y su integración a gran escala plantea nuevas limitaciones y desafíos que afectan en gran medida las operaciones de los EMs. El desafiante entorno de los sistemas de potencia y energía (PES por sus siglas en inglés) refuerza la necesidad de estudiar, experimentar y validar operaciones e interacciones competitivas, dinámicas y complejas. En este contexto, la simulación, el apoyo a la toma de decisiones, y las herramientas de gestión inteligente, se vuelven imprescindibles para estudiar los diferentes mecanismos del mercado y las relaciones entre los actores involucrados. Para ello, la nueva generación de herramientas debe ser capaz de hacer frente a la rápida evolución de los PES, proporcionando a los participantes los medios adecuados para adaptarse, abordando nuevos modelos y limitaciones, y su compleja relación con los desarrollos tecnológicos y de negocios. Las plataformas basadas en múltiples agentes son particularmente adecuadas para analizar interacciones complejas en sistemas dinámicos, como PES, debido a su naturaleza distribuida e independiente. La descomposición de tareas complejas en asignaciones simples y la fácil inclusión de nuevos datos y modelos de negocio, restricciones, tipos de actores y operadores, y sus interacciones, son algunas de las principales ventajas de los enfoques basados en agentes. En este dominio, han surgido varias herramientas de modelado para simular, estudiar y resolver problemas de subdominios específicos de PES. Sin embargo, existe una limitación generalizada referida a la importante falta de interoperabilidad entre sistemas heterogéneos, que impide abordar el problema de manera global, considerando todas las interrelaciones relevantes existentes. Esto es esencial para que los jugadores puedan aprovechar al máximo las oportunidades en evolución. Por lo tanto, para lograr un marco tan completo aprovechando las herramientas existentes que permiten el estudio de partes específicas del problema global, se requiere la interoperabilidad entre estos sistemas. Las ontologías facilitan la interoperabilidad entre sistemas heterogéneos al dar un significado semántico a la información intercambiada entre las distintas partes. La ventaja radica en el hecho de que todos los involucrados en un dominio particular los conocen, comprenden y están de acuerdo con la conceptualización allí definida. Existen, en la literatura, varias propuestas para el uso de ontologías dentro de PES, fomentando su reutilización y extensión. Sin embargo, la mayoría de las ontologías se centran en un escenario de aplicación específico o en una abstracción de alto nivel de un subdominio de los PES. Además, existe una considerable heterogeneidad entre estos modelos, lo que complica su integración y adopción. Es fundamental desarrollar ontologías que representen distintas fuentes de conocimiento para facilitar las interacciones entre entidades de diferente naturaleza, promoviendo la interoperabilidad entre sistemas heterogéneos basados en agentes que permitan resolver problemas específicos de PES. Estas brechas motivan el desarrollo del trabajo de investigación de este doctorado, que surge para brindar una solución a la interoperabilidad de sistemas heterogéneos dentro de los PES. Las diversas aportaciones de este trabajo dan como resultado una sociedad de sistemas multi-agente (MAS por sus siglas en inglés) para la simulación, estudio, soporte de decisiones, operación y gestión inteligente de PES. Esta sociedad de MAS aborda los PES desde el EM mayorista hasta el SG y la eficiencia energética del consumidor, aprovechando las herramientas de simulación y apoyo a la toma de decisiones existentes, complementadas con las desarrolladas recientemente, asegurando la interoperabilidad entre ellas. Utiliza ontologías para la representación del conocimiento en un vocabulario común, lo que facilita la interoperabilidad entre los distintos sistemas. Además, el uso de ontologías y tecnologías de web semántica permite el desarrollo de herramientas agnósticas de modelos para una adaptación flexible a nuevas reglas y restricciones, promoviendo el razonamiento semántico para sistemas sensibles al contexto

Multi-Agent Decision Support Tool to Enable Interoperability among Heterogeneous Energy Systems

Worldwide electricity markets are undergoing a major restructuring process. One of the main reasons for the ongoing changes is to enable the adaptation of current market models to the new paradigm that arises from the large-scale integration of distributed generation sources. In order to deal with the unpredictability caused by the intermittent nature of the distributed generation and the large number of variables that contribute to the energy sector balance, it is extremely important to use simulation systems that are capable of dealing with the required complexity. This paper presents the Tools Control Center (TOOCC), a framework that allows the interoperability between heterogeneous energy and power simulation systems through the use of ontologies, allowing the simulation of scenarios with a high degree of complexity, through the cooperation of the individual capacities of each system. A case study based on real data is presented in order to demonstrate the interoperability capabilities of TOOCC. The simulation considers the energy management of a microgrid of a real university campus, from the perspective of the network manager and also of its consumers/producers, in a projection for a typical day of the winter of 2050.This work has been developed in the scope of the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 641794 (project DREAM-GO); CONTEST project - SAICT-POL/23575/2016; and has also been supported by FEDER Funds through COMPETE program and from National Funds through FCT under the project UID/EEA/00760/2013.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

An event-based resource management framework for distributed decision-making in decentralized virtual power plants

The Smart Grid incorporates advanced information and communication technologies (ICTs) in power systems, and is characterized by high penetration of distributed energy resources (DERs). Whether it is the nation-wide power grid or a single residential building, the energy management involves different types of resources that often depend on and influence each other. The concept of virtual power plant (VPP) has been proposed to represent the aggregation of energy resources in the electricity market, and distributed decision-making (DDM) plays a vital role in VPP due to its complex nature. This paper proposes a framework for managing different resource types of relevance to energy management for decentralized VPP. The framework views VPP as a hierarchical structure and abstracts energy consumption/generation as contractual resources, i.e., contractual offerings to curtail load/supply energy, from third party VPP participants for DDM. The proposed resource models, event-based approach to decision making, multi-agent system and ontology implementation of the framework are presented in detail. The effectiveness of the proposed framework is then demonstrated through an application to a simulated campus VPP with real building energy data

A systematic literature review on the use of artificial intelligence in energy self-management in smart buildings

Buildings are one of the main consumers of energy in cities, which is why a lot of research has been generated around this problem. Especially, the buildings energy management systems must improve in the next years. Artificial intelligence techniques are playing and will play a fundamental role in these improvements. This work presents a systematic review of the literature on researches that have been done in recent years to improve energy management systems for smart building using artificial intelligence techniques. An originality of the work is that they are grouped according to the concept of "Autonomous Cycles of Data Analysis Tasks", which defines that an autonomous management system requires specialized tasks, such as monitoring, analysis, and decision-making tasks for reaching objectives in the environment, like improve the energy efficiency. This organization of the work allows us to establish not only the positioning of the researches, but also, the visualization of the current challenges and opportunities in each domain. We have identified that many types of researches are in the domain of decision-making (a large majority on optimization and control tasks), and defined potential projects related to the development of autonomous cycles of data analysis tasks, feature engineering, or multi-agent systems, among others.European Commissio

New Challenges on Web Architectures for the Homogenization of the Heterogeneity of Smart Objects in the Internet of Things

Aquesta tesi tracta de dues de les noves tecnologies relacionades amb la Internet of Things (IoT) i la seva integració amb el camp de les Smart Grids (SGs); aquestes tecnologies son la Web of Things (WoT) i la Social Internet of Things (SIoT). La WoT és una tecnologia que s’espera que proveeixi d’un entorn escalable i interoperable a la IoT usant la infraestructura web existent, els protocols web y la web semàntica. També s’espera que la SIoT contribueixi a solucionar els reptes d’escalabilitat i capacitat de descobriment creant una xarxa social d’agents (objectes i humans). Per explorar la sinergia entre aquestes tecnologies, l’objectiu és el de proporcionar evidència pràctica i empírica, generalment en forma de prototips d’implementació i experimentació empírica. En relació amb la WoT i les SGs, s’ha creat un prototip per al Web of Energy (WoE) que té com a objectiu abordar els desafiaments presents en el domini les SGs. El prototip és capaç de proporcionar interoperabilitat i homogeneïtat entre diversos protocols. El disseny d’implementació es basa en el Model d’Actors, que també proporciona escalabilitat del prototip. L’experimentació mostra que el prototip pot gestionar la transmissió de missatges per a aplicacions de les SGs que requereixen que la comunicació es realitzi sota llindars de temps crítics. També es pren una altra direcció d’investigació similar, menys centrada en les SGs, però per a una gamma més àmplia de dominis d’aplicació. S’integra la descripció dels fluxos d’execució com a màquines d’estats finits utilitzant ontologies web (Resource Description Framework (RDF)) i metodologies de la WoT (les accions es realitzen basant-se en peticions Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Aquest flux d’execució, que també pot ser un plantilla per a permetre una configuració flexible en temps d’execució, s’implementa i interpreta com si fos (i mitjançant) un Virtual Object (VO). L’objectiu de la plantilla és ser reutilitzable i poder-se compartir entre múltiples desplegaments de la IoT dins el mateix domini d’aplicació. A causa de les tecnologies utilitzades, la solució no és adequada per a aplicacions de temps crític (llindar de temps relativament baix i rígid). No obstant això, és adequat per a aplicacions que no demanden resposta en un temps crític i que requereixen el desplegament de VOs similars en el que fa referència al flux d’execució. Finalment, el treball s’enfoca en una altra tecnologia destinada a millorar l’escalabilitat i la capacitat de descobriment en la IoT. La SIoT està sorgint com una nova estructura de la IoT que uneix els nodes a través de relacions significatives. Aquestes relacions tenen com a objectiu millorar la capacitat de descobriment; en conseqüència, millora la escalabilitat d’una xarxa de la IoT. En aquest treball s’aplica aquest nou paradigma per optimitzar la gestió de l’energia en el costat de la demanda a les SGs. L’objectiu és aprofitar les característiques de la SIoT per ajudar a la creació de Prosumer Community Groups (PCGs) (grups d’usuaris que consumeixen o produeixen energia) amb el mateix objectiu d’optimització en l’ús de l’energia. La sinergia entre la SIoT i les SGs s’ha anomenat Social Internet of Energy (SIoE). Per tant, amb la SIoE i amb el focus en un desafiament específic, s’estableix la base conceptual per a la integració entre la SIoT i les SGs. Els experiments inicials mostren resultats prometedors i aplanen el camí per a futures investigacions i avaluacions de la proposta. Es conclou que el WoT i la SIoT són dos paradigmes complementaris que nodreixen l’evolució de la propera generació de la IoT. S’espera que la propera generació de la IoT sigui un Multi-Agent System (MAS) generalitzat. Alguns investigadors ja estan apuntant a la Web i les seves tecnologies (per exemple, Web Semàntica, HTTP/S)—i més concretamente a la WoT — com a l’entorn que nodreixi a aquests agents. La SIoT pot millorar tant l’entorn com les relacions entre els agents en aquesta fusió. Les SGs també poden beneficiar-se dels avenços de la IoT, ja que es poden considerar com una aplicació específica d’aquesta última.  Esta tesis trata de dos de las novedosas tecnologías relacionadas con la Internet of Things (IoT) y su integración con el campo de las Smart Grids (SGs); estas tecnologías son laWeb of Things (WoT) y la Social Internet of Things (SIoT). La WoT es una tecnología que se espera que provea de un entorno escalable e interoperable a la IoT usando la infraestructura web existente, los protocolos web y la web semántica. También se espera que la SIoT contribuya a solucionar los retos de escalabilidad y capacidad de descubrimiento creando una red social de agentes (objetos y humanos). Para explorar la sinergia entre estas tecnologías, el objetivo es el de proporcionar evidencia práctica y empírica, generalmente en forma de prototipos de implementación y experimentación empírica. En relación con la WoT y las SGs, se ha creado un prototipo para la Web of Energy (WoE) que tiene como objetivo abordar los desafíos presentes en el dominio las SGs. El prototipo es capaz de proporcionar interoperabilidad y homogeneidad entre diversos protocolos. El diseño de implementación se basa en el Modelo de Actores, que también proporciona escalabilidad del prototipo. La experimentación muestra que el prototipo puede manejar la transmisión de mensajes para aplicaciones de las SGs que requieran que la comunicación se realice bajo umbrales de tiempo críticos. También se toma otra dirección de investigación similar, menos centrada en las SGs, pero para una gama más amplia de dominios de aplicación. Se integra la descripción de los flujos de ejecución como máquinas de estados finitos utilizando ontologías web (Resource Description Framework (RDF)) y metodologías de la WoT (las acciones se realizan basándose en peticiones Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Este flujo de ejecución, que también puede ser una plantilla para permitir una configuración flexible en tiempo de ejecución, se implementa e interpreta como si fuera (y a través de) un Virtual Object (VO). El objetivo de la plantilla es que sea reutilizable y se pueda compartir entre múltiples despliegues de la IoT dentro del mismo dominio de aplicación. Debido a las tecnologías utilizadas, la solución no es adecuada para aplicaciones de tiempo crítico (umbral de tiempo relativamente bajo y rígido). Sin embargo, es adecuado para aplicaciones que no demandan respuesta en un tiempo crítico y que requieren el despliegue de VOs similares en cuanto al flujo de ejecución. Finalmente, el trabajo se enfoca en otra tecnología destinada a mejorar la escalabilidad y la capacidad de descubrimiento en la IoT. La SIoT está emergiendo como una nueva estructura de la IoT que une los nodos a través de relaciones significativas. Estas relaciones tienen como objetivo mejorar la capacidad de descubrimiento; en consecuencia, mejora la escalabilidad de una red de la IoT. En este trabajo se aplica este nuevo paradigma para optimizar la gestión de la energía en el lado de la demanda en las SGs. El objetivo es aprovechar las características de la SIoT para ayudar en la creación de Prosumer Community Groups (PCGs) (grupos de usuarios que consumen o producen energía) con el mismo objetivo de optimización en el uso de la energía. La sinergia entre la SIoT y las SGs ha sido denominada Social Internet of Energy (SIoE). Por lo tanto, con la SIoE y con el foco en un desafío específico, se establece la base conceptual para la integración entre la SIoT y las SG. Los experimentos iniciales muestran resultados prometedores y allanan el camino para futuras investigaciones y evaluaciones de la propuesta. Se concluye que la WoT y la SIoT son dos paradigmas complementarios que nutren la evolución de la próxima generación de la IoT. Se espera que la próxima generación de la IoT sea un Multi-Agent System (MAS) generalizado. Algunos investigadores ya están apuntando a la Web y sus tecnologías (por ejemplo,Web Semántica, HTTP/S)—y más concretamente a la WoT — como el entorno que nutra a estos agentes. La SIoT puede mejorar tanto el entorno como las relaciones entre los agentes en esta fusión. Como un campo específico de la IoT, las SGs también pueden beneficiarse de los avances de la IoT.This thesis deals with two novel Internet of Things (IoT) technologies and their integration to the field of the Smart Grid (SG); these technologies are the Web of Things (WoT) and the Social Internet of Things (SIoT). The WoT is an enabling technology expected to provide a scalable and interoperable environment to the IoT using the existing web infrastructure, web protocols and the semantic web. The SIoT is expected to expand further and contribute to scalability and discoverability challenges by creating a social network of agents (objects and humans). When exploring the synergy between those technologies, we aim at providing practical and empirical evidence, usually in the form of prototype implementations and empirical experimentation. In relation to the WoT and SG, we create a prototype for the Web of Energy (WoE), that aims at addressing challenges present in the SG domain. The prototype is capable of providing interoperability and homogeneity among diverse protocols. The implementation design is based on the Actor Model, which also provides scalability in regards to the prototype. Experimentation shows that the prototype can handle the transmission of messages for time-critical SG applications. We also take another similar research direction less focused on the SG, but for a broader range of application domains. We integrate the description of flows of execution as Finite-State Machines (FSMs) using web ontologies (Resource Description Framework (RDF)) and WoT methodologies (actions are performed on the basis of calls Hyper Text Transfer Protocol/ Secure (HTTP/S) to a Uniform Resource Locator (URL)). This execution flow, which can also be a template to allow flexible configuration at runtime, is deployed and interpreted as (and through) a Virtual Object (VO). The template aims to be reusable and shareable among multiple IoT deployments within the same application domain. Due to the technologies used, the solution is not suitable for time-critical applications. Nevertheless, it is suitable for non-time-critical applications that require the deployment of similar VOs. Finally, we focus on another technology aimed at improving scalability and discoverability in IoT. The SIoT is emerging as a new IoT structure that links nodes through meaningful relationships. These relationships aim at improving discoverability; consequently, improving the scalability of an IoT network. We apply this new paradigm to optimize energy management at the demand side in a SG. Our objective is to harness the features of the SIoT to aid in the creation of Prosumer Community Group (PCG) (groups of energy users that consume or produce energy) with the same Demand Side Management (DSM) goal. We refer to the synergy between SIoT and SG as Social Internet of Energy (SIoE). Therefore, with the SIoE and focusing on a specific challenge, we set the conceptual basis for the integration between SIoT and SG. Initial experiments show promising results and pave the way for further research and evaluation of the proposal. We conclude that the WoT and the SIoT are two complementary paradigms that nourish the evolution of the next generation IoT. The next generation IoT is expected to be a pervasive Multi-Agent System (MAS). Some researchers are already pointing at the Web and its technologies (e.g. Semantic Web, HTTP/S) — and more concretely at the WoT — as the environment nourishing the agents. The SIoT can enhance both the environment and the relationships between agents in this fusion. As a specific field of the IoT, the SG can also benefit from IoT advancements

New Challenges on Web Architectures for the Homogenization of the Heterogeneity of Smart Objects in the Internet of Things

Aquesta tesi tracta de dues de les noves tecnologies relacionades amb la Internet of Things (IoT) i la seva integració amb el camp de les Smart Grids (SGs); aquestes tecnologies son la Web of Things (WoT) i la Social Internet of Things (SIoT). La WoT és una tecnologia que s’espera que proveeixi d’un entorn escalable i interoperable a la IoT usant la infraestructura web existent, els protocols web y la web semàntica. També s’espera que la SIoT contribueixi a solucionar els reptes d’escalabilitat i capacitat de descobriment creant una xarxa social d’agents (objectes i humans). Per explorar la sinergia entre aquestes tecnologies, l’objectiu és el de proporcionar evidència pràctica i empírica, generalment en forma de prototips d’implementació i experimentació empírica. En relació amb la WoT i les SGs, s’ha creat un prototip per al Web of Energy (WoE) que té com a objectiu abordar els desafiaments presents en el domini les SGs. El prototip és capaç de proporcionar interoperabilitat i homogeneïtat entre diversos protocols. El disseny d’implementació es basa en el Model d’Actors, que també proporciona escalabilitat del prototip. L’experimentació mostra que el prototip pot gestionar la transmissió de missatges per a aplicacions de les SGs que requereixen que la comunicació es realitzi sota llindars de temps crítics. També es pren una altra direcció d’investigació similar, menys centrada en les SGs, però per a una gamma més àmplia de dominis d’aplicació. S’integra la descripció dels fluxos d’execució com a màquines d’estats finits utilitzant ontologies web (Resource Description Framework (RDF)) i metodologies de la WoT (les accions es realitzen basant-se en peticions Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Aquest flux d’execució, que també pot ser un plantilla per a permetre una configuració flexible en temps d’execució, s’implementa i interpreta com si fos (i mitjançant) un Virtual Object (VO). L’objectiu de la plantilla és ser reutilitzable i poder-se compartir entre múltiples desplegaments de la IoT dins el mateix domini d’aplicació. A causa de les tecnologies utilitzades, la solució no és adequada per a aplicacions de temps crític (llindar de temps relativament baix i rígid). No obstant això, és adequat per a aplicacions que no demanden resposta en un temps crític i que requereixen el desplegament de VOs similars en el que fa referència al flux d’execució. Finalment, el treball s’enfoca en una altra tecnologia destinada a millorar l’escalabilitat i la capacitat de descobriment en la IoT. La SIoT està sorgint com una nova estructura de la IoT que uneix els nodes a través de relacions significatives. Aquestes relacions tenen com a objectiu millorar la capacitat de descobriment; en conseqüència, millora la escalabilitat d’una xarxa de la IoT. En aquest treball s’aplica aquest nou paradigma per optimitzar la gestió de l’energia en el costat de la demanda a les SGs. L’objectiu és aprofitar les característiques de la SIoT per ajudar a la creació de Prosumer Community Groups (PCGs) (grups d’usuaris que consumeixen o produeixen energia) amb el mateix objectiu d’optimització en l’ús de l’energia. La sinergia entre la SIoT i les SGs s’ha anomenat Social Internet of Energy (SIoE). Per tant, amb la SIoE i amb el focus en un desafiament específic, s’estableix la base conceptual per a la integració entre la SIoT i les SGs. Els experiments inicials mostren resultats prometedors i aplanen el camí per a futures investigacions i avaluacions de la proposta. Es conclou que el WoT i la SIoT són dos paradigmes complementaris que nodreixen l’evolució de la propera generació de la IoT. S’espera que la propera generació de la IoT sigui un Multi-Agent System (MAS) generalitzat. Alguns investigadors ja estan apuntant a la Web i les seves tecnologies (per exemple, Web Semàntica, HTTP/S)—i més concretamente a la WoT — com a l’entorn que nodreixi a aquests agents. La SIoT pot millorar tant l’entorn com les relacions entre els agents en aquesta fusió. Les SGs també poden beneficiar-se dels avenços de la IoT, ja que es poden considerar com una aplicació específica d’aquesta última.  Esta tesis trata de dos de las novedosas tecnologías relacionadas con la Internet of Things (IoT) y su integración con el campo de las Smart Grids (SGs); estas tecnologías son laWeb of Things (WoT) y la Social Internet of Things (SIoT). La WoT es una tecnología que se espera que provea de un entorno escalable e interoperable a la IoT usando la infraestructura web existente, los protocolos web y la web semántica. También se espera que la SIoT contribuya a solucionar los retos de escalabilidad y capacidad de descubrimiento creando una red social de agentes (objetos y humanos). Para explorar la sinergia entre estas tecnologías, el objetivo es el de proporcionar evidencia práctica y empírica, generalmente en forma de prototipos de implementación y experimentación empírica. En relación con la WoT y las SGs, se ha creado un prototipo para la Web of Energy (WoE) que tiene como objetivo abordar los desafíos presentes en el dominio las SGs. El prototipo es capaz de proporcionar interoperabilidad y homogeneidad entre diversos protocolos. El diseño de implementación se basa en el Modelo de Actores, que también proporciona escalabilidad del prototipo. La experimentación muestra que el prototipo puede manejar la transmisión de mensajes para aplicaciones de las SGs que requieran que la comunicación se realice bajo umbrales de tiempo críticos. También se toma otra dirección de investigación similar, menos centrada en las SGs, pero para una gama más amplia de dominios de aplicación. Se integra la descripción de los flujos de ejecución como máquinas de estados finitos utilizando ontologías web (Resource Description Framework (RDF)) y metodologías de la WoT (las acciones se realizan basándose en peticiones Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Este flujo de ejecución, que también puede ser una plantilla para permitir una configuración flexible en tiempo de ejecución, se implementa e interpreta como si fuera (y a través de) un Virtual Object (VO). El objetivo de la plantilla es que sea reutilizable y se pueda compartir entre múltiples despliegues de la IoT dentro del mismo dominio de aplicación. Debido a las tecnologías utilizadas, la solución no es adecuada para aplicaciones de tiempo crítico (umbral de tiempo relativamente bajo y rígido). Sin embargo, es adecuado para aplicaciones que no demandan respuesta en un tiempo crítico y que requieren el despliegue de VOs similares en cuanto al flujo de ejecución. Finalmente, el trabajo se enfoca en otra tecnología destinada a mejorar la escalabilidad y la capacidad de descubrimiento en la IoT. La SIoT está emergiendo como una nueva estructura de la IoT que une los nodos a través de relaciones significativas. Estas relaciones tienen como objetivo mejorar la capacidad de descubrimiento; en consecuencia, mejora la escalabilidad de una red de la IoT. En este trabajo se aplica este nuevo paradigma para optimizar la gestión de la energía en el lado de la demanda en las SGs. El objetivo es aprovechar las características de la SIoT para ayudar en la creación de Prosumer Community Groups (PCGs) (grupos de usuarios que consumen o producen energía) con el mismo objetivo de optimización en el uso de la energía. La sinergia entre la SIoT y las SGs ha sido denominada Social Internet of Energy (SIoE). Por lo tanto, con la SIoE y con el foco en un desafío específico, se establece la base conceptual para la integración entre la SIoT y las SG. Los experimentos iniciales muestran resultados prometedores y allanan el camino para futuras investigaciones y evaluaciones de la propuesta. Se concluye que la WoT y la SIoT son dos paradigmas complementarios que nutren la evolución de la próxima generación de la IoT. Se espera que la próxima generación de la IoT sea un Multi-Agent System (MAS) generalizado. Algunos investigadores ya están apuntando a la Web y sus tecnologías (por ejemplo,Web Semántica, HTTP/S)—y más concretamente a la WoT — como el entorno que nutra a estos agentes. La SIoT puede mejorar tanto el entorno como las relaciones entre los agentes en esta fusión. Como un campo específico de la IoT, las SGs también pueden beneficiarse de los avances de la IoT.This thesis deals with two novel Internet of Things (IoT) technologies and their integration to the field of the Smart Grid (SG); these technologies are the Web of Things (WoT) and the Social Internet of Things (SIoT). The WoT is an enabling technology expected to provide a scalable and interoperable environment to the IoT using the existing web infrastructure, web protocols and the semantic web. The SIoT is expected to expand further and contribute to scalability and discoverability challenges by creating a social network of agents (objects and humans). When exploring the synergy between those technologies, we aim at providing practical and empirical evidence, usually in the form of prototype implementations and empirical experimentation. In relation to the WoT and SG, we create a prototype for the Web of Energy (WoE), that aims at addressing challenges present in the SG domain. The prototype is capable of providing interoperability and homogeneity among diverse protocols. The implementation design is based on the Actor Model, which also provides scalability in regards to the prototype. Experimentation shows that the prototype can handle the transmission of messages for time-critical SG applications. We also take another similar research direction less focused on the SG, but for a broader range of application domains. We integrate the description of flows of execution as Finite-State Machines (FSMs) using web ontologies (Resource Description Framework (RDF)) and WoT methodologies (actions are performed on the basis of calls Hyper Text Transfer Protocol/ Secure (HTTP/S) to a Uniform Resource Locator (URL)). This execution flow, which can also be a template to allow flexible configuration at runtime, is deployed and interpreted as (and through) a Virtual Object (VO). The template aims to be reusable and shareable among multiple IoT deployments within the same application domain. Due to the technologies used, the solution is not suitable for time-critical applications. Nevertheless, it is suitable for non-time-critical applications that require the deployment of similar VOs. Finally, we focus on another technology aimed at improving scalability and discoverability in IoT. The SIoT is emerging as a new IoT structure that links nodes through meaningful relationships. These relationships aim at improving discoverability; consequently, improving the scalability of an IoT network. We apply this new paradigm to optimize energy management at the demand side in a SG. Our objective is to harness the features of the SIoT to aid in the creation of Prosumer Community Group (PCG) (groups of energy users that consume or produce energy) with the same Demand Side Management (DSM) goal. We refer to the synergy between SIoT and SG as Social Internet of Energy (SIoE). Therefore, with the SIoE and focusing on a specific challenge, we set the conceptual basis for the integration between SIoT and SG. Initial experiments show promising results and pave the way for further research and evaluation of the proposal. We conclude that the WoT and the SIoT are two complementary paradigms that nourish the evolution of the next generation IoT. The next generation IoT is expected to be a pervasive Multi-Agent System (MAS). Some researchers are already pointing at the Web and its technologies (e.g. Semantic Web, HTTP/S) — and more concretely at the WoT — as the environment nourishing the agents. The SIoT can enhance both the environment and the relationships between agents in this fusion. As a specific field of the IoT, the SG can also benefit from IoT advancements

A novel multi-level and community-based agent ecosystem to support customers dynamic decision-making in smart grids

Electrical systems have evolved at a fast pace over the past years, particularly in response to the current environmental and climate challenges. Consequently, the European Union and the United Nations have encouraged the development of a more sustainable energy strategy. This strategy triggered a paradigm shift in energy consumption and production, which becoming increasingly distributed, resulted in the development and emergence of smart energy grids. Multi-agent systems are one of the most widely used artificial intelligence concepts in smart grids. Both multi-agent systems and smart grids are distributed, so there is correspondence between the used technology and the network's complex reality. Due to the wide variety of multi-agent systems applied to smart grids, which typically have very specific goals, the ability to model the network as a whole may be compromised, as communication between systems is typically non-existent. This dissertation, therefore, proposes an agent-based ecosystem to model smart grids in which different agent-based systems can coexist. This dissertation aims to conceive, implement, test, and validate a new agent-based ecosystem, entitled A4SG (agent-based ecosystem for smart grids modelling), which combines the concepts of multi-agent systems and agent communities to enable the modelling and representation of smart grids and the entities that compose them. The proposed ecosystem employs an innovative methodology for managing static or dynamic interactions present in smart grids. The creation of a solution that allows the integration of existing systems into an ecosystem, enables the representation of smart grids in a realistic and comprehensive manner. A4SG integrates several functionalities that support the ecosystem's management, also conceived, implemented, tested, and validated in this dissertation. Two mobility functionalities are proposed: one that allows agents to move between physical machines and another that allows "virtual" mobility, where agents move between agent communities to improve the context for the achievement of their objectives. In order to prevent an agent from becoming overloaded, a novel functionality is proposed to enable the creation of agents that function as extensions of the main agent (i.e., branch agents), allowing the distribution of objectives among the various extensions of the main agent. Several case studies, which test the proposed services and functionalities individually and the ecosystem as a whole, were used to test and validate the proposed solution. These case studies were conducted in realistic contexts using data from multiple sources, including energy communities. The results indicate that the used methodologies can increase participation in demand response events, increasing the fitting between consumers and aggregators from 12 % to 69 %, and improve the strategies used in energy transaction markets, allowing an energy community of 50 customers to save 77.0 EUR per week.Os últimos anos têm sido de mudança nos sistemas elétricos, especialmente devido aos atuais desafios ambientais e climáticos. A procura por uma estratégia mais sustentável para o domínio da energia tem sido promovida pela União Europeia e pela Organização das Nações Unidas. A mudança de paradigma no que toca ao consumo e produção de energia, que acontece, cada vez mais, de forma distribuída, tem levado à emergência das redes elétricas inteligentes. Os sistemas multi-agente são um dos conceitos, no domínio da inteligência artificial, mais aplicados em redes inteligentes. Tanto os sistemas multi-agente como as redes inteligentes têm uma natureza distribuída, existindo por isso um alinhamento entre a tecnologia usada e a realidade complexa da rede. Devido a existir uma vasta oferta de sistemas multi-agente aplicados a redes inteligentes, normalmente com objetivos bastante específicos, a capacidade de modelar a rede como um todo pode ficar comprometida, porque a comunicação entre sistemas é, geralmente, inexistente. Por isso, esta dissertação propõe um ecossistema baseado em agentes para modelar as redes inteligentes, onde vários sistemas de agentes coexistem. Esta dissertação pretende conceber, implementar, testar, e validar um novo ecossistema multiagente, intitulado A4SG (agent-based ecosystem for smart grids modelling), que combina os conceitos de sistemas multi-agente e comunidades de agentes, permitindo a modelação e representação de redes inteligentes e das suas entidades. O ecossistema proposto utiliza uma metodologia inovadora para gerir as interações presentes nas redes inteligentes, sejam elas estáticas ou dinâmicas. A criação de um ecossistema que permite a integração de sistemas já existentes, cria a possibilidade de uma representação realista e detalhada das redes de energia. O A4SG integra diversas funcionalidades, também estas concebidas, implementadas, testadas, e validadas nesta dissertação, que suportam a gestão do próprio ecossistema. São propostas duas funcionalidades de mobilidade, uma que permite aos agentes mover-se entre máquinas físicas, e uma que permite uma mobilidade “virtual”, onde os agentes se movem entre comunidades de agentes, de forma a melhorar o contexto para a execução dos seus objetivos. É também proposta uma nova funcionalidade que permite a criação de agentes que funcionam como uma extensão de um agente principal, com o objetivo de evitar a sobrecarga de um agente, permitindo a distribuição de objetivos entre as várias extensões do agente principal. A solução proposta foi testada e validada por vários casos de estudo, que testam os serviços e funcionalidades propostas individualmente, e o ecossistema como um todo. Estes casos de estudo foram executados em contextos realistas, usando dados provenientes de diversas fontes, tais como comunidades de energia. Os resultados demonstram que as metodologias utilizadas podem melhorar a participação em eventos de demand response, subindo a adequação entre consumidores e agregadores de 12 % para 69 %, e melhorar as estratégias utilizadas em mercados de transações de energia, permitindo a uma comunidade de energia com 50 consumidores poupar 77,0 EUR por semana

The role of communication systems in smart grids: Architectures, technical solutions and research challenges

The purpose of this survey is to present a critical overview of smart grid concepts, with a special focus on the role that communication, networking and middleware technologies will have in the transformation of existing electric power systems into smart grids. First of all we elaborate on the key technological, economical and societal drivers for the development of smart grids. By adopting a data-centric perspective we present a conceptual model of communication systems for smart grids, and we identify functional components, technologies, network topologies and communication services that are needed to support smart grid communications. Then, we introduce the fundamental research challenges in this field including communication reliability and timeliness, QoS support, data management services, and autonomic behaviors. Finally, we discuss the main solutions proposed in the literature for each of them, and we identify possible future research directions

Ten questions concerning integrating smart buildings into the smart grid

Recent advances in information and communications technology (ICT) have initiated development of a smart electrical grid and smart buildings. Buildings consume a large portion of the total electricity production worldwide, and to fully develop a smart grid they must be integrated with that grid. Buildings can now be ‘prosumers’ on the grid (both producers and consumers), and the continued growth of distributed renewable energy generation is raising new challenges in terms of grid stability over various time scales. Buildings can contribute to grid stability by managing their overall electrical demand in response to current conditions. Facility managers must balance demand response requests by grid operators with energy needed to maintain smooth building operations. For example, maintaining thermal comfort within an occupied building requires energy and, thus an optimized solution balancing energy use with indoor environmental quality (adequate thermal comfort, lighting, etc.) is needed. Successful integration of buildings and their systems with the grid also requires interoperable data exchange. However, the adoption and integration of newer control and communication technologies into buildings can be problematic with older legacy HVAC and building control systems. Public policy and economic structures have not kept up with the technical developments that have given rise to the budding smart grid, and further developments are needed in both technical and non-technical areas