A swarm intelligence approach based on coupled oscillators: an application in demand side management with photovoltaic distributed generation

Esta Tesis aborda los problemas de eficiencia de las redes eléctrica desde el punto de vista del consumo. En particular, dicha eficiencia es mejorada mediante el suavizado de la curva de consumo agregado. Este objetivo de suavizado de consumo implica dos grandes mejoras en el uso de las redes eléctricas: i) a corto plazo, un mejor uso de la infraestructura existente y ii) a largo plazo, la reducción de la infraestructura necesaria para suplir las mismas necesidades energéticas. Además, esta Tesis se enfrenta a un nuevo paradigma energético, donde la presencia de generación distribuida está muy extendida en las redes eléctricas, en particular, la generación fotovoltaica (FV). Este tipo de fuente energética afecta al funcionamiento de la red, incrementando su variabilidad. Esto implica que altas tasas de penetración de electricidad de origen fotovoltaico es perjudicial para la estabilidad de la red eléctrica. Esta Tesis trata de suavizar la curva de consumo agregado considerando esta fuente energética. Por lo tanto, no sólo se mejora la eficiencia de la red eléctrica, sino que también puede ser aumentada la penetración de electricidad de origen fotovoltaico en la red. Esta propuesta conlleva grandes beneficios en los campos económicos, social y ambiental. Las acciones que influyen en el modo en que los consumidores hacen uso de la electricidad con el objetivo producir un ahorro energético o un aumento de eficiencia son llamadas Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE). Esta Tesis propone dos algoritmos de GDE diferentes para cumplir con el objetivo de suavizado de la curva de consumo agregado. La diferencia entre ambos algoritmos de GDE reside en el marco en el cual estos tienen lugar: el marco local y el marco de red. Dependiendo de este marco de GDE, el objetivo energético y la forma en la que se alcanza este objetivo son diferentes. En el marco local, el algoritmo de GDE sólo usa información local. Este no tiene en cuenta a otros consumidores o a la curva de consumo agregado de la red eléctrica. Aunque esta afirmación pueda diferir de la definición general de GDE, esta vuelve a tomar sentido en instalaciones locales equipadas con Recursos Energéticos Distribuidos (REDs). En este caso, la GDE está enfocada en la maximización del uso de la energía local, reduciéndose la dependencia con la red. El algoritmo de GDE propuesto mejora significativamente el auto-consumo del generador FV local. Experimentos simulados y reales muestran que el auto-consumo es una importante estrategia de gestión energética, reduciendo el transporte de electricidad y alentando al usuario a controlar su comportamiento energético. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas del aumento de auto-consumo, éstas no contribuyen al suavizado del consumo agregado. Se han estudiado los efectos de las instalaciones locales en la red eléctrica cuando el algoritmo de GDE está enfocado en el aumento del auto-consumo. Este enfoque puede tener efectos no deseados, incrementando la variabilidad en el consumo agregado en vez de reducirlo. Este efecto se produce porque el algoritmo de GDE sólo considera variables locales en el marco local. Los resultados sugieren que se requiere una coordinación entre las instalaciones. A través de esta coordinación, el consumo debe ser modificado teniendo en cuenta otros elementos de la red y buscando el suavizado del consumo agregado. En el marco de la red, el algoritmo de GDE tiene en cuenta tanto información local como de la red eléctrica. En esta Tesis se ha desarrollado un algoritmo autoorganizado para controlar el consumo de la red eléctrica de manera distribuida. El objetivo de este algoritmo es el suavizado del consumo agregado, como en las implementaciones clásicas de GDE. El enfoque distribuido significa que la GDE se realiza desde el lado de los consumidores sin seguir órdenes directas emitidas por una entidad central. Por lo tanto, esta Tesis propone una estructura de gestión paralela en lugar de una jerárquica como en las redes eléctricas clásicas. Esto implica que se requiere un mecanismo de coordinación entre instalaciones. Esta Tesis pretende minimizar la cantidad de información necesaria para esta coordinación. Para lograr este objetivo, se han utilizado dos técnicas de coordinación colectiva: osciladores acoplados e inteligencia de enjambre. La combinación de estas técnicas para llevar a cabo la coordinación de un sistema con las características de la red eléctrica es en sí mismo un enfoque novedoso. Por lo tanto, este objetivo de coordinación no es sólo una contribución en el campo de la gestión energética, sino también en el campo de los sistemas colectivos. Los resultados muestran que el algoritmo de GDE propuesto reduce la diferencia entre máximos y mínimos de la red eléctrica en proporción a la cantidad de energía controlada por el algoritmo. Por lo tanto, conforme mayor es la cantidad de energía controlada por el algoritmo, mayor es la mejora de eficiencia en la red eléctrica. Además de las ventajas resultantes del suavizado del consumo agregado, otras ventajas surgen de la solución distribuida seguida en esta Tesis. Estas ventajas se resumen en las siguientes características del algoritmo de GDE propuesto: • Robustez: en un sistema centralizado, un fallo o rotura del nodo central provoca un mal funcionamiento de todo el sistema. La gestión de una red desde un punto de vista distribuido implica que no existe un nodo de control central. Un fallo en cualquier instalación no afecta el funcionamiento global de la red. • Privacidad de datos: el uso de una topología distribuida causa de que no hay un nodo central con información sensible de todos los consumidores. Esta Tesis va más allá y el algoritmo propuesto de GDE no utiliza información específica acerca de los comportamientos de los consumidores, siendo la coordinación entre las instalaciones completamente anónimos. • Escalabilidad: el algoritmo propuesto de GDE opera con cualquier número de instalaciones. Esto implica que se permite la incorporación de nuevas instalaciones sin afectar a su funcionamiento. • Bajo coste: el algoritmo de GDE propuesto se adapta a las redes actuales sin requisitos topológicos. Además, todas las instalaciones calculan su propia gestión con un bajo requerimiento computacional. Por lo tanto, no se requiere un nodo central con un alto poder de cómputo. • Rápido despliegue: las características de escalabilidad y bajo coste de los algoritmos de GDE propuestos permiten una implementación rápida. No se requiere una planificación compleja para el despliegue de este sistema. ABSTRACT This Thesis addresses the efficiency problems of the electrical grids from the consumption point of view. In particular, such efficiency is improved by means of the aggregated consumption smoothing. This objective of consumption smoothing entails two major improvements in the use of electrical grids: i) in the short term, a better use of the existing infrastructure and ii) in long term, the reduction of the required infrastructure to supply the same energy needs. In addition, this Thesis faces a new energy paradigm, where the presence of distributed generation is widespread over the electrical grids, in particular, the Photovoltaic (PV) generation. This kind of energy source affects to the operation of the grid by increasing its variability. This implies that a high penetration rate of photovoltaic electricity is pernicious for the electrical grid stability. This Thesis seeks to smooth the aggregated consumption considering this energy source. Therefore, not only the efficiency of the electrical grid is improved, but also the penetration of photovoltaic electricity into the grid can be increased. This proposal brings great benefits in the economic, social and environmental fields. The actions that influence the way that consumers use electricity in order to achieve energy savings or higher efficiency in energy use are called Demand-Side Management (DSM). This Thesis proposes two different DSM algorithms to meet the aggregated consumption smoothing objective. The difference between both DSM algorithms lie in the framework in which they take place: the local framework and the grid framework. Depending on the DSM framework, the energy goal and the procedure to reach this goal are different. In the local framework, the DSM algorithm only uses local information. It does not take into account other consumers or the aggregated consumption of the electrical grid. Although this statement may differ from the general definition of DSM, it makes sense in local facilities equipped with Distributed Energy Resources (DERs). In this case, the DSM is focused on the maximization of the local energy use, reducing the grid dependence. The proposed DSM algorithm significantly improves the self-consumption of the local PV generator. Simulated and real experiments show that self-consumption serves as an important energy management strategy, reducing the electricity transport and encouraging the user to control his energy behavior. However, despite all the advantages of the self-consumption increase, they do not contribute to the smooth of the aggregated consumption. The effects of the local facilities on the electrical grid are studied when the DSM algorithm is focused on self-consumption maximization. This approach may have undesirable effects, increasing the variability in the aggregated consumption instead of reducing it. This effect occurs because the algorithm only considers local variables in the local framework. The results suggest that coordination between these facilities is required. Through this coordination, the consumption should be modified by taking into account other elements of the grid and seeking for an aggregated consumption smoothing. In the grid framework, the DSM algorithm takes into account both local and grid information. This Thesis develops a self-organized algorithm to manage the consumption of an electrical grid in a distributed way. The goal of this algorithm is the aggregated consumption smoothing, as the classical DSM implementations. The distributed approach means that the DSM is performed from the consumers side without following direct commands issued by a central entity. Therefore, this Thesis proposes a parallel management structure rather than a hierarchical one as in the classical electrical grids. This implies that a coordination mechanism between facilities is required. This Thesis seeks for minimizing the amount of information necessary for this coordination. To achieve this objective, two collective coordination techniques have been used: coupled oscillators and swarm intelligence. The combination of these techniques to perform the coordination of a system with the characteristics of the electric grid is itself a novel approach. Therefore, this coordination objective is not only a contribution in the energy management field, but in the collective systems too. Results show that the proposed DSM algorithm reduces the difference between the maximums and minimums of the electrical grid proportionally to the amount of energy controlled by the system. Thus, the greater the amount of energy controlled by the algorithm, the greater the improvement of the efficiency of the electrical grid. In addition to the advantages resulting from the smoothing of the aggregated consumption, other advantages arise from the distributed approach followed in this Thesis. These advantages are summarized in the following features of the proposed DSM algorithm: • Robustness: in a centralized system, a failure or breakage of the central node causes a malfunction of the whole system. The management of a grid from a distributed point of view implies that there is not a central control node. A failure in any facility does not affect the overall operation of the grid. • Data privacy: the use of a distributed topology causes that there is not a central node with sensitive information of all consumers. This Thesis goes a step further and the proposed DSM algorithm does not use specific information about the consumer behaviors, being the coordination between facilities completely anonymous. • Scalability: the proposed DSM algorithm operates with any number of facilities. This implies that it allows the incorporation of new facilities without affecting its operation. • Low cost: the proposed DSM algorithm adapts to the current grids without any topological requirements. In addition, every facility calculates its own management with low computational requirements. Thus, a central computational node with a high computational power is not required. • Quick deployment: the scalability and low cost features of the proposed DSM algorithms allow a quick deployment. A complex schedule of the deployment of this system is not required.

Analysis of Contributions to NO2 Ambient Air Quality Levels in Madrid City (Spain) through Modeling. Implications for the Development of Policies and Air Quality Monitoring

As environmental standards become more stringent (e.g. European Directive 2008/50/EC), more reliable and sophisticated modeling tools are needed to simulate measures and plans that may effectively tackle air quality exceedances, common in large cities across Europe, particularly for NO2. Modeling air quality in urban areas is rather complex since observed concentration values are a consequence of the interaction of multiple sources and processes that involve a wide range of spatial and temporal scales. Besides a consistent and robust multi-scale modeling system, comprehensive and flexible emission inventories are needed. This paper discusses the application of the WRF-SMOKE-CMAQ system to the Madrid city (Spain) to assess the contribution of the main emitting sectors in the region. A detailed emission inventory was compiled for this purpose. This inventory relies on bottom-up methods for the most important sources. It is coupled with the regional traffic model and it makes use of an extensive database of industrial, commercial and residential combustion plants. Less relevant sources are downscaled from national or regional inventories. This paper reports the methodology and main results of the source apportionment study performed to understand the origin of pollution (main sectors and geographical areas) and define clear targets for the abatement strategy. Finally the structure of the air quality monitoring is analyzed and discussed to identify options to improve the monitoring strategy not only in the Madrid city but the whole metropolitan area.

A Personal Agent Architecture for Task Automation in the Web of Data. Bringing intelligence to everyday tasks

Internet está evolucionando hacia la conocida como Live Web. En esta nueva etapa en la evolución de Internet, se pone al servicio de los usuarios multitud de streams de datos sociales. Gracias a estas fuentes de datos, los usuarios han pasado de navegar por páginas web estáticas a interacturar con aplicaciones que ofrecen contenido personalizado, basada en sus preferencias. Cada usuario interactúa a diario con multiples aplicaciones que ofrecen notificaciones y alertas, en este sentido cada usuario es una fuente de eventos, y a menudo los usuarios se sienten desbordados y no son capaces de procesar toda esa información a la carta. Para lidiar con esta sobresaturación, han aparecido múltiples herramientas que automatizan las tareas más habituales, desde gestores de bandeja de entrada, gestores de alertas en redes sociales, a complejos CRMs o smart-home hubs. La contrapartida es que aunque ofrecen una solución a problemas comunes, no pueden adaptarse a las necesidades de cada usuario ofreciendo una solucion personalizada. Los Servicios de Automatización de Tareas (TAS de sus siglas en inglés) entraron en escena a partir de 2012 para dar solución a esta liminación. Dada su semejanza, estos servicios también son considerados como un nuevo enfoque en la tecnología de mash-ups pero centra en el usuarios. Los usuarios de estas plataformas tienen la capacidad de interconectar servicios, sensores y otros aparatos con connexión a internet diseñando las automatizaciones que se ajustan a sus necesidades. La propuesta ha sido ámpliamante aceptada por los usuarios. Este hecho ha propiciado multitud de plataformas que ofrecen servicios TAS entren en escena. Al ser un nuevo campo de investigación, esta tesis presenta las principales características de los TAS, describe sus componentes, e identifica las dimensiones fundamentales que los defines y permiten su clasificación. En este trabajo se acuña el termino Servicio de Automatización de Tareas (TAS) dando una descripción formal para estos servicios y sus componentes (llamados canales), y proporciona una arquitectura de referencia. De igual forma, existe una falta de herramientas para describir servicios de automatización, y las reglas de automatización. A este respecto, esta tesis propone un modelo común que se concreta en la ontología EWE (Evented WEb Ontology). Este modelo permite com parar y equiparar canales y automatizaciones de distintos TASs, constituyendo un aporte considerable paraa la portabilidad de automatizaciones de usuarios entre plataformas. De igual manera, dado el carácter semántico del modelo, permite incluir en las automatizaciones elementos de fuentes externas sobre los que razonar, como es el caso de Linked Open Data. Utilizando este modelo, se ha generado un dataset de canales y automatizaciones, con los datos obtenidos de algunos de los TAS existentes en el mercado. Como último paso hacia el lograr un modelo común para describir TAS, se ha desarrollado un algoritmo para aprender ontologías de forma automática a partir de los datos del dataset. De esta forma, se favorece el descubrimiento de nuevos canales, y se reduce el coste de mantenimiento del modelo, el cual se actualiza de forma semi-automática. En conclusión, las principales contribuciones de esta tesis son: i) describir el estado del arte en automatización de tareas y acuñar el término Servicio de Automatización de Tareas, ii) desarrollar una ontología para el modelado de los componentes de TASs y automatizaciones, iii) poblar un dataset de datos de canales y automatizaciones, usado para desarrollar un algoritmo de aprendizaje automatico de ontologías, y iv) diseñar una arquitectura de agentes para la asistencia a usuarios en la creación de automatizaciones. ABSTRACT The new stage in the evolution of the Web (the Live Web or Evented Web) puts lots of social data-streams at the service of users, who no longer browse static web pages but interact with applications that present them contextual and relevant experiences. Given that each user is a potential source of events, a typical user often gets overwhelmed. To deal with that huge amount of data, multiple automation tools have emerged, covering from simple social media managers or notification aggregators to complex CRMs or smart-home Hub/Apps. As a downside, they cannot tailor to the needs of every single user. As a natural response to this downside, Task Automation Services broke in the Internet. They may be seen as a new model of mash-up technology for combining social streams, services and connected devices from an end-user perspective: end-users are empowered to connect those stream however they want, designing the automations they need. The numbers of those platforms that appeared early on shot up, and as a consequence the amount of platforms following this approach is growing fast. Being a novel field, this thesis aims to shed light on it, presenting and exemplifying the main characteristics of Task Automation Services, describing their components, and identifying several dimensions to classify them. This thesis coins the term Task Automation Services (TAS) by providing a formal definition of them, their components (called channels), as well a TAS reference architecture. There is also a lack of tools for describing automation services and automations rules. In this regard, this thesis proposes a theoretical common model of TAS and formalizes it as the EWE ontology This model enables to compare channels and automations from different TASs, which has a high impact in interoperability; and enhances automations providing a mechanism to reason over external sources such as Linked Open Data. Based on this model, a dataset of components of TAS was built, harvesting data from the web sites of actual TASs. Going a step further towards this common model, an algorithm for categorizing them was designed, enabling their discovery across different TAS. Thus, the main contributions of the thesis are: i) surveying the state of the art on task automation and coining the term Task Automation Service; ii) providing a semantic common model for describing TAS components and automations; iii) populating a categorized dataset of TAS components, used to learn ontologies of particular domains from the TAS perspective; and iv) designing an agent architecture for assisting users in setting up automations, that is aware of their context and acts in consequence.