Desagregao de consumos de electricidaderesidenciais com recurso a apenas um sensor

Diogo Manuel Horta e Costa Silva Salta

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Mecnica

Jri

Presidente: Professor Mrio Manuel Gonalves da Costa

Orientador: Professor Paulo Manuel Cadete Ferro

Vogal: Professor Miguel Perez Neves guas

Vogal: Professor Carlos Augusto Santos Silva

Outubro de 2011

I

AGRADECIMENTOS

Ao Professor Paulo Ferro, pelo incentivo e apoio na realizao da presente Dissertao.

Ao Professor Carlos Silva, por toda a sua disponibilidade, optimismo e incentivo realizao do

presente trabalho. Sem o seu apoio, a definio de objectivos e o acesso aos meios para os

atingir teria sido muito mais difcil.

minha me, Vera, por todo o seu amor e por sempre me ter incentivado a lutar por tudo aquilo

que ambiciono alcanar.

Ao meu pai, Manuel, por todo o amor e disciplina que desde cedo me incutiu. Hoje, mais do que

nunca, apercebo-me do quo importante isso foi.

Ao David, pela enorme amizade, companheirismo e apoio essencial em fases muito difceis do

meu percurso.

Aos meus irmos, Ricardo e David, por toda a alegria que trazem aos meus dias e pelo apoio em

momentos difceis.

Por ltimo, mas no menos importante, aos meus grandes amigos e companheiros de guerra

Joo Trindade, Luis Martins e Miguel Meirinhos, que tornaram todo este percurso numa aventura

espectacular. Recordarei com saudade muitos e bons momentos do nosso curso.

II

ABSTRACT

With the global increase of the electricity demand and costs, it has become essential to adopt

new energy efficiency policies. One of these policies is the introduction of smart meters as a

backbone of the implementation of smart grids in the electric system. The smart meters can help

improve the electricity billing in many ways, such as making them more accurate. However, it is

important to explore whether the information that one can extract from a clients smart meter

enables the application of new energy efficiency measures, including Demand Side Management.

This work focuses on the creation of an electricity load disaggregation tool that estimates the

energy consumption of the households largest appliances. To validate the study, the overall

electricity consumption of a dwelling was monitored for a period of two weeks, while an

experimental characterization of the electrical appliances was made. The calibration parameters

of the algorithm were determined during the experimental characterization.

The results of the dwellings load disaggregation are described and the number of detected

operating cycles and estimated energy share were analyzed. A sensitivity analysis was made to

some of the calibration parameters. The results indicate that the algorithm successfully detected

the vast majority of the operation cycles, and that the estimated individual energy share is very

close to reality.

Generally speaking, the objectives of this study were achieved, demonstrating a promising future

to the technologies that rely on this type of load disaggregation algorithms.

Key-words: smart meter, smart grid, energy efficiency, load disaggregation algorithm,

appliances, Demand Side Management

III

RESUMO

Com o aumento da procura e custos da electricidade a nvel global, tornou-se essencial adoptar

novas polticas de eficincia energtica. Uma das medidas em foco ultimamente a introduo

de smart meters como pea essencial da implementao das redes inteligentes de electricidade.

Esta tecnologia pode ajudar a melhorar a facturao de diversas formas, como por exemplo

torn-la mais exacta. Porm, importante explorar se a informao que possvel extrair do

smart meter permite a aplicao de novas medidas de melhoria da eficincia energtica,

nomeadamente Demand Side Management.

O trabalho consiste na criao de uma ferramenta de desagregao dos consumos de

electricidade residenciais nos electrodomsticos que apresentam maiores consumos. Para a a

validao, foi medido o consumo global de electricidade de uma habitao durante duas

semanas, ao mesmo tempo que se efectuou a caracterizao experimental dos

electrodomsticos nela presentes. Atravs da caracterizao experimental obtiveram-se os

parmetros essenciais calibrao do algoritmo.

Os resultados da desagregao de consumos na habitao em estudo so apresentados, tendo

sido efectuada uma anlise ao nmero de ciclos de funcionamento detectados e energia

estimada pelo algoritmo. Foi efectuada a anlise de sensibilidade a alguns dos parmetros de

calibrao. Os resultados obtidos indicam que o algoritmo detectou com sucesso a grande

maioria dos ciclos de funcionamento dos aparelhos analisados, tendo obtido aproximaes

realistas da energia por eles consumida.

No geral, os objectivos do presente trabalho foram atingidos, demonstrando um futuro promissor

em tecnologias que se baseiam neste tipo de modelos de desagregao de consumos.

Palavras-chave: smart meter, redes inteligentes, eficincia energtica, algoritmo de

desagregao de consumos, electrodomsticos, Demand Side Management

IV

NDICE

1 Introduo ................................................................................................................................ 1

1.1 Motivao ......................................................................................................................... 1

1.2 Objectivos ......................................................................................................................... 2

1.3 Contributo da actual dissertao ..................................................................................... 2

1.4 Estrutura da dissertao .................................................................................................. 3

2 Contextualizao ...................................................................................................................... 5

2.1 Consumo de electricidade no mundo e em Portugal ....................................................... 8

2.2 O consumo de electricidade no sector residencial em Portugal .................................... 10

2.3 Eficincia energtica no sector residencial em Portugal ............................................... 12

2.3.1 Substituio de equipamentos antigos por equipamentos de classe energtica

superior ............................................................................................................................... 12

2.3.2 Utilizao eficiente dos equipamentos .................................................................. 13

2.3.3 Eliminao de stand-by .......................................................................................... 13

2.3.4 Utilizao de tarifa elctrica bi-horria .................................................................. 14

2.3.5 Resultados intercalares da aplicao do PNAEE no sector residencial .................. 14

2.4 Prs e contras da eficincia energtica no sector residencial em Portugal .................. 15

2.5 Smart Grids .................................................................................................................... 16

2.5.1 Smart Grids e Smart Metering ............................................................................... 16

2.5.2 Prs e contras de Smart Metering no sector residencial ....................................... 17

2.6 Smart Grids em Portugal ................................................................................................ 21

3 Desagregao de Consumos Elctricos Residenciais .......................................................... 23

3.1 Enquadramento histrico ............................................................................................... 23

3.2 A importncia da desagregao de consumos residenciais .......................................... 23

3.3 Reviso da Literatura ..................................................................................................... 25

3.3.1 Modelos de sensor nico ....................................................................................... 25

3.3.2 Modelos de sensores mltiplos ............................................................................. 27

3.3.3 Modelos tempo-actividade .................................................................................... 27

3.4 Prs e contras dos mtodos de desagregao de consumos existentes ..................... 28

4 Rule-based Profile Recognition Algorithm ............................................................................. 31

4.1 Conceitos base............................................................................................................... 31

4.2 Introduo ao modelo RPRA ......................................................................................... 33

V

4.3 Simplificaes/Limitaes do modelo RPRA ................................................................. 34

4.4 Concepo do modelo RPRA ......................................................................................... 35

4.4.1 Fase de treino do algoritmo ................................................................................... 35

4.4.2 Estrutura do algoritmo ........................................................................................... 36

4.5 Aplicao do modelo RPRA