Consumer phase identification in a three phase unbalanced LV distribution network

A new technique is presented for automatically identifying the phase connection of domestic customers. Voltage information from a reference three phase house is correlated with voltage information from other customer electricity meters on the same network to determine the highest probability phase connection. The techniques are purely based upon a time series of electrical voltage measurements taken by the household smart meters and no additional equipment is required. The method is demonstrated using real smart meter datasets to correctly identify the phase connections of 75 consumers on a low voltage distribution feeder.

Graph-based algorithms for comparison and prediction of household-level energy use profiles

We present an efficient graph-based algorithm for quantifying the similarity of household-level energy use profiles, using a notion of similarity that allows for small time–shifts when comparing profiles. Experimental results on a real smart meter data set demonstrate that in cases of practical interest our technique is far faster than the existing method for computing the same similarity measure. Having a fast algorithm for measuring profile similarity improves the efficiency of tasks such as clustering of customers and cross-validation of forecasting methods using historical data. Furthermore, we apply a generalisation of our algorithm to produce substantially better household-level energy use forecasts from historical smart meter data.

Control methodologies: Peak reduction algorithms for DNO owned storage devices on the Low Voltage network

The Distribution Network Operators (DNOs) role is becoming more difficult as electric vehicles and electric heating penetrate the network, increasing the demand. As a result it becomes harder for the distribution networks infrastructure to remain within its operating constraints. Energy storage is a potential alternative to conventional network reinforcement such as upgrading cables and transformers. The research presented here in this paper shows that due to the volatile nature of the LV network, the control approach used for energy storage has a significant impact on performance. This paper presents and compares control methodologies for energy storage where the objective is to get the greatest possible peak demand reduction across the day from a pre-specified storage device. The results presented show the benefits and detriments of specific types of control on a storage device connected to a single phase of an LV network, using aggregated demand profiles based on real smart meter data from individual homes. The research demonstrates an important relationship between how predictable an aggregation is and the best control methodology required to achieve the objective.

Long term individual load forecast under different electrical vehicles uptake scenarios

More and more households are purchasing electric vehicles (EVs), and this will continue as we move towards a low carbon future. There are various projections as to the rate of EV uptake, but all predict an increase over the next ten years. Charging these EVs will produce one of the biggest loads on the low voltage network. To manage the network, we must not only take into account the number of EVs taken up, but where on the network they are charging, and at what time. To simulate the impact on the network from high, medium and low EV uptake (as outlined by the UK government), we present an agent-based model. We initialise the model to assign an EV to a household based on either random distribution or social influences - that is, a neighbour of an EV owner is more likely to also purchase an EV. Additionally, we examine the effect of peak behaviour on the network when charging is at day-time, night-time, or a mix of both. The model is implemented on a neighbourhood in south-east England using smart meter data (half hourly electricity readings) and real life charging patterns from an EV trial. Our results indicate that social influence can increase the peak demand on a local level (street or feeder), meaning that medium EV uptake can create higher peak demand than currently expected.

Investigating preferences for dynamic electricity tariffs: the effect of environmental and system benefit disclosure

Dynamic electricity pricing can produce efficiency gains in the electricity sector and help achieve energy policy goals such as increasing electric system reliability and supporting renewable energy deployment. Retail electric companies can offer dynamic pricing to residential electricity customers via smart meter-enabled tariffs that proxy the cost to procure electricity on the wholesale market. Current investments in the smart metering necessary to implement dynamic tariffs show policy makers’ resolve for enabling responsive demand and realizing its benefits. However, despite these benefits and the potential bill savings these tariffs can offer, adoption among residential customers remains at low levels. Using a choice experiment approach, this paper seeks to determine whether disclosing the environmental and system benefits of dynamic tariffs to residential customers can increase adoption. Although sampling and design issues preclude wide generalization, we found that our environmentally conscious respondents reduced their required discount to switch to dynamic tariffs around 10% in response to higher awareness of environmental and system benefits. The perception that shifting usage is easy to do also had a significant impact, indicating the potential importance of enabling technology. Perhaps the targeted communication strategy employed by this study is one way to increase adoption and achieve policy goals.

Sistema de medição de energia baseado no medidor de energia Teridian 71M6515H

Esta tese de mestrado descreve o desenvolvimento, implementação e teste de um sistema de medição de energia concebido para um ambiente doméstico, baseado no circuito integrado medidor de energia Teridian 71M6515H. O sistema desenvolvido envia periodicamente os valores monitorizados para uma base de dados, através de uma rede sem fios com base no protocolo IEEE 802.11 (Wi-Fi). Os dados podem ser acedidos remotamente em tempo real, através de uma página na internet, onde é possível consultar a quantidade de energia consumida acumulada. Na primeira fase deste trabalho realizou-se o enquadramento do tema no contexto atual, realizando-se o estudo de alguns sistemas domésticos de monitorização do consumo de energia elétrica existentes no mercado. Numa segunda fase foi realizado o estudo dos componentes a serem utilizados, o desenho da placa de circuito impresso e o desenvolvimento do firmware, para que todo o processamento e manipulação dos dados fossem realizados pela unidade de aquisição de dados. Em seguida procedeu-se à construção da unidade de aquisição e à programação para o registo dos valores numa base de dados. A última fase consistiu nos testes de funcionamento da unidade de aquisição em conjunto com a aplicação de registo de dados. Com a implementação do sistema desenvolvido o consumidor doméstico poderá ter conhecimento, em tempo real, do custo de funcionamento dos equipamentos que possui e assim tomar decisões para os utilizar de forma mais racional, o que se pode traduzir numa economia dos recursos energéticos.

O papel dos consumidores residencias no ambiente das redes inteligentes: medidores eletrônicos de energia

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Load analyser using conservative power theory

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Impatto della propagazione elettromagnetica sulle prestazioni delle reti M3N

Con il termine Smart Grid si intende una rete urbana capillare che trasporta energia, informazione e controllo, composta da dispositivi e sistemi altamente distribuiti e cooperanti. Essa deve essere in grado di orchestrare in modo intelligente le azioni di tutti gli utenti e dispositivi connessi al fine di distribuire energia in modo sicuro, efficiente e sostenibile. Questo connubio fra ICT ed Energia viene comunemente identificato anche con il termine Smart Metering, o Internet of Energy. La crescente domanda di energia e l’assoluta necessità di ridurre gli impatti ambientali (pacchetto clima energia 20-20-20 [9]), ha creato una convergenza di interessi scientifici, industriali e politici sul tema di come le tecnologie ICT possano abilitare un processo di trasformazione strutturale di ogni fase del ciclo energetico: dalla generazione fino all’accumulo, al trasporto, alla distribuzione, alla vendita e, non ultimo, il consumo intelligente di energia. Tutti i dispositivi connessi, diventeranno parte attiva di un ciclo di controllo esteso alle grandi centrali di generazione così come ai comportamenti dei singoli utenti, agli elettrodomestici di casa, alle auto elettriche e ai sistemi di micro-generazione diffusa. La Smart Grid dovrà quindi appoggiarsi su una rete capillare di comunicazione che fornisca non solo la connettività fra i dispositivi, ma anche l’abilitazione di nuovi servizi energetici a valore aggiunto. In questo scenario, la strategia di comunicazione sviluppata per lo Smart Metering dell’energia elettrica, può essere estesa anche a tutte le applicazioni di telerilevamento e gestione, come nuovi contatori dell’acqua e del gas intelligenti, gestione dei rifiuti, monitoraggio dell’inquinamento dell’aria, monitoraggio del rumore acustico stradale, controllo continuo del sistema di illuminazione pubblico, sistemi di gestione dei parcheggi cittadini, monitoraggio del servizio di noleggio delle biciclette, ecc. Tutto ciò si prevede possa contribuire alla progettazione di un unico sistema connesso, dove differenti dispositivi eterogenei saranno collegati per mettere a disposizione un’adeguata struttura a basso costo e bassa potenza, chiamata Metropolitan Mesh Machine Network (M3N) o ancora meglio Smart City. Le Smart Cities dovranno a loro volta diventare reti attive, in grado di reagire agli eventi esterni e perseguire obiettivi di efficienza in modo autonomo e in tempo reale. Anche per esse è richiesta l’introduzione di smart meter, connessi ad una rete di comunicazione broadband e in grado di gestire un flusso di monitoraggio e controllo bi-direzionale esteso a tutti gli apparati connessi alla rete elettrica (ma anche del gas, acqua, ecc). La M3N, è un’estensione delle wireless mesh network (WMN). Esse rappresentano una tecnologia fortemente attesa che giocherà un ruolo molto importante nelle futura generazione di reti wireless. Una WMN è una rete di telecomunicazione basata su nodi radio in cui ci sono minimo due percorsi che mettono in comunicazione due nodi. E’ un tipo di rete robusta e che offre ridondanza. Quando un nodo non è più attivo, tutti i rimanenti possono ancora comunicare tra di loro, direttamente o passando da uno o più nodi intermedi. Le WMN rappresentano una tipologia di rete fondamentale nel continuo sviluppo delle reti radio che denota la divergenza dalle tradizionali reti wireless basate su un sistema centralizzato come le reti cellulari e le WLAN (Wireless Local Area Network). Analogamente a quanto successo per le reti di telecomunicazione fisse, in cui si è passati, dalla fine degli anni ’60 ai primi anni ’70, ad introdurre schemi di rete distribuite che si sono evolute e man mano preso campo come Internet, le M3N promettono di essere il futuro delle reti wireless “smart”. Il primo vantaggio che una WMN presenta è inerente alla tolleranza alla caduta di nodi della rete stessa. Diversamente da quanto accade per una rete cellulare, in cui la caduta di una Base Station significa la perdita di servizio per una vasta area geografica, le WMN sono provviste di un’alta tolleranza alle cadute, anche quando i nodi a cadere sono più di uno. L'obbiettivo di questa tesi è quello di valutare le prestazioni, in termini di connettività e throughput, di una M3N al variare di alcuni parametri, quali l’architettura di rete, le tecnologie utilizzabili (quindi al variare della potenza, frequenza, Building Penetration Loss…ecc) e per diverse condizioni di connettività (cioè per diversi casi di propagazione e densità abitativa). Attraverso l’uso di Matlab, è stato quindi progettato e sviluppato un simulatore, che riproduce le caratteristiche di una generica M3N e funge da strumento di valutazione delle performance della stessa. Il lavoro è stato svolto presso i laboratori del DEIS di Villa Grifone in collaborazione con la FUB (Fondazione Ugo Bordoni).

Progetto di un sistema wireless a microcontrollore per il monitoraggio di consumi elettrici

L’obiettivo che questo elaborato si pone è la realizzazione di un prototipo di smart meter distribuito che, in modalità Near-Real-Time, acquisisca ed invii ad un database remoto i consumi relativi ad ogni singolo carico elettrico presente in una abitazione.

Caratterizzazione e progettazione di un sistema di comunicazione con ultra low power long range transceiver

Lo sviluppo di nuove tecnologie sempre più innovative e all’avanguardia ha portato ad un processo di costante rivisitazione e miglioramento di sistemi tecnologici già esistenti. L’esempio di Internet risulta, a questo proposito, interessante da analizzare: strumento quotidiano ormai diventato alla portata di tutti, il suo processo di rivisitazione ha portato allo sviluppo dell’Internet Of Things (IoT), neologismo utilizzato per descrivere l'estensione di Internet a tutto ciò che può essere trasformato in un sistema elettronico, controllato attraverso la rete mondiale che oggi può essere facilmente fruibile grazie all’utilizzo di Smartphone sempre più performanti. Lo scopo di questa grande trasformazione è quello di creare una rete ad-hoc (non necessariamente con un accesso diretto alla rete internet tramite protocolli wired o wireless standard) al fine di stabilire un maggior controllo ed una maggiore sicurezza, alla quale è possibile interfacciare oggetti dotati di opportuni sensori di diverso tipo, in maniera tale da condividere dati e ricevere comandi da un operatore esterno. Un possibile scenario applicativo della tecnologia IoT, è il campo dell'efficienza energetica e degli Smart Meter. La possibilità di modificare i vecchi contatori del gas e dell’acqua, tutt’oggi funzionanti grazie ad una tecnologia che possiamo definire obsoleta, trasformandoli in opportuni sistemi di metring che hanno la capacità di trasmettere alla centrale le letture o i dati del cliente, di eseguire operazioni di chiusura e di apertura del servizio, nonché operazioni sulla valutazione dei consumi, permetterebbe al cliente di avere sotto controllo i consumi giornalieri. Per costruire il sistema di comunicazione si è utilizzato il modem Semtech SX1276, che oltre ad essere low-power, possiede due caratteristiche rivoluzionarie e all’avanguardia: utilizza una modulazione del segnale da trasmettere innovativa e una grande capacità di rilevare segnali immersi in forti fonti di rumore ; la possibilità di utilizzare due frequenze di trasmissione diverse, 169 MHz e 868MHz.

Impact of automatic meetering infrastructure on multiutility business models

In the last decade energy utility sector has undergone major changes in terms of liberalization, increased competition, efforts in improving energy efficiency, and in new technological solution such as smart meter and grid operations. There are new information technology solutions (e.g. Advanced Metering Infrastructure /AMI ) on the horizon that will not only introduce new technical and organizational concepts, but have a very strong potential to radically change modus operandi of utility companies. Coordinated, multi-utility programs can help accelerate the development and market success of new high-efficiency technologies. These programs provide opportunities for researchers to develop new high-efficiency equipment for manufacturers to sell this new equipment with utility help, for utilities to increase the amount of energy they save from incentive programs, and for consumers to benefit from lower utility bills and a cleaner environment (as energy is reduced, pollutants produced at power plants decline).

Von der Minderheit zur Mehrheit? Psycho-soziale Einflüsse bei der Verbreitung klima-schonender Innovationen

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und weiterer Zukunftsherausforderungen stellt sich in drängenderem Maße die Frage, wie der Wandel zu einer nachhaltigen Gesellschaft gelingen kann. Im Zuge dessen rücken zunehmend solche Lösungsansätze in den Fokus, die an der Schnittstelle von technischen und sozialen Systemen nachhaltige und klimaschonende Innovationen entwickeln. Die vorliegende Dissertation beschäftigte sich in diesem Kontext mit der Frage, welche psychologischen und sozialen Faktoren und Mechanismen bei der individuellen Übernahme (Adoption) klimaschonender Innovationen von Bedeutung und für deren weitere Verbreitung (Diffusion) förderlich sind. Auf theoretischer und konzeptioneller Ebene wurden einerseits persönliche Eigenschaften von Adoptern wie der eigene Lebens- und Informationsverarbeitungsstil und andererseits die Charakteristika klimaschonender Innovationen und deren individuelle Wahrnehmung und Bewertung betrachtet und in einem umfassenden Modell integriert. Die Arbeit untersuchte zunächst mit Hilfe einer breit angelegten Fragebogenstudie (N = 778), wie weit die Innovationen Bezug von Ökostrom und Beteiligung an Bürger-Solaranlagen in verschiedenen sozialen Milieus bereits verbreitet waren und wie diese in milieuspezifischer Perspektive beurteilt und kommunikativ rezipiert wurden. Mittels Strukturgleichungsmodellierung wurde untersucht, inwiefern sich die Bewertungs- und Entscheidungsstrukturen von frühen und späteren Adoptern unterschieden. Es zeigten sich klare milieuspezifische Schwerpunkte: Personen aus dem postmateriellen und den hedonistischen Milieus bewerteten diese Innovationen positiver und waren häufiger unter den Adoptern zu finden als traditionelle und Mainstream-Milieus. Zudem deuteten die Ergebnisse auf eine stärker deliberativ ausgeprägte Entscheidungsstruktur bei frühen Adoptern hin – zumindest hinsichtlich des Bezugs von Ökostrom, der zum Zeitpunkt der Untersuchung bereits weiter verbreitet war als die Beteiligung an Bürger-Solaranlagen. In einer ergänzenden experimentellen Erhebung (N = 356) wurden die Teilnehmende zufällig einer von drei Untersuchungsbedingungen zugeordnet: In einem Informationstext über Smart Meter war eine (fingierte) entweder starke soziale Norm (Mehrheitsbedingung), eine schwache soziale Norm (Minderheitsbedingung) oder keine derartige soziale Information (Kontrollbedingung) enthalten. In einem nachfolgenden Test auf Wissenstransfer – als Indikator der Informationsverarbeitungstiefe – schnitten Personen mit geringerem Interesse an Smart Metern (also solche, die keine weiteren Informationen nachfragten) in der Mehrheitsbedingung am besten ab, wohingegen Personen mit größerem Interesse (fragten weitere Informationen nach) in der Minderheitsbedingung die beste Leistung erzielten. Auch diese Ergebnisse deuten auf unterschiedliche Informationsverarbeitungs- und Entscheidungsstrukturen je nach Wahrnehmung des bisherigen Verbreitungsgrads in Interaktion mit persönlichen Dispositionen hin. Aus den Ergebnissen lassen sich vielfältige Implikationen für ein verbessertes Marketing klimaschonender Innovationen, die umweltpolitische Praxis und für die weitere Forschung ableiten. Es wird empfohlen, bei der Kommunikation (z.B. im Rahmen zielgruppenspezifischer Kampagnen) soziale Normen und deren differentielle Wirkung auf die Verarbeitung innovationsbezogener Informationen gezielter zu nutzen. Da unter den aktuellen Rahmenbedingungen mit keiner hundertprozentigen Diffusion der betrachteten Innovationen in alle gesellschaftlichen Gruppen hinein zu rechnen ist, werden auf politischer Ebene neben „weichen“ politischen Instrumenten auch fiskalische oder ordnungsrechtliche Maßnahmen erforderlich sein. Schließlich erscheint es sinnvoll, sich in der weiteren Forschung stärker mit kommunikativen Prozessen wie beispielsweise Meinungsführerschaft oder dem Einfluss von Medienkampagnen und medialer Berichterstattung auseinander zu setzen.

Meter data management for smart monitoring power networks

The electrical power distribution and commercialization scenario is evolving worldwide, and electricity companies, faced with the challenge of new information requirements, are demanding IT solutions to deal with the smart monitoring of power networks. Two main challenges arise from data management and smart monitoring of power networks: real-time data acquisition and big data processing over short time periods. We present a solution in the form of a system architecture that conveys real time issues and has the capacity for big data management.

Testing the accuracy of luminance maps acquired by smart phone cameras

This paper looks at the accuracy of using the built-in camera of smart phones and free software as an economical way to quantify and analyse light exposure by producing luminance maps from High Dynamic Range (HDR) images. HDR images were captured with an Apple iPhone 4S to capture a wide variation of luminance within an indoor and outdoor scene. The HDR images were then processed using Photosphere software (Ward, 2010.) to produce luminance maps, where individual pixel values were compared with calibrated luminance meter readings. This comparison has shown an average luminance error of ~8% between the HDR image pixel values and luminance meter readings, when the range of luminances in the image is limited to approximately 1,500cd/m2.