Home electricity energy management based on active demand management

Los sistemas para la gestión de energía en el hogar (HEMS), han empezado a desempeñar un papel importante en el nuevo contexto energético, debido a la modernización de los sistemas de generación, transmisión, distribución e instalaciones eléctricas de usuarios finales, y a la incorporación de las fuentes de energía renovable en el hogar. Esto contribuye favorablemente en aspectos técnicos, económicos, sociales y ambientales a la mejora de las condiciones de operación para los usuarios residenciales y para el sistema energético en su conjunto, pues permiten realizar operaciones para el monitoreo, supervisión y control de los dispositivos que se conectan en el hogar, permitiendo realizar gestión de los mismos para implementar programas de ahorro de energía en tiempo real y de autogeneración con el fin de implementar estrategias de gestión activa de la demanda (GAD) de energía. La presente tesis doctoral aborda la gestión de la energía eléctrica domiciliaria según las necesidades del usuario residencial y en concordancia con el entorno, con el fin de aportar a la operación integral del sistema eléctrico con nuevos esquemas para el uso de la energía y participando en la toma de decisiones relacionadas con el consumo y/o generación de energía, con fundamento en estrategias para la GAD a partir de cambios en los hábitos de consumo, lo cual convertirá al usuario en un usuario activo. Para ello se propone un prototipo de sistema de gestión de energía eléctrica domiciliaria, el cual se denominó GEDE, que involucra las tecnologías de la información y las comunicaciones para realizar los procesos de medición de energía en las fuentes de alimentación y en los dispositivos que se quieren gestionar, con el fin de transmitir la información por la línea de potencia a un sistema central, para luego procesarla para actividades de supervisión, monitoreo y control en tres modos: manual, semiautomático y automático, los cuales operan con algoritmos de decisión. El anterior prototipo se ha diseñado e implementado teniendo en cuenta el uso de protocolos de comunicaciones estándar en el contexto del Internet de las Cosas. Se otorga especial cuidado al análisis de la variable externa social enfocada a cambios en los hábitos de consumo de energía del usuario activo, con el fin de determinar acciones que involucren su interacción con el sistema eléctrico, incluyendo a un agente que se denomina agregador, quien proporciona los medios para proponer estrategias de gestión activa de la demanda domiciliaria, facilitando la interacción entre el usuario y los mercados energéticos. Para esto se implementó un modelo utilizando técnicas de dinámica de sistemas, que incluye el comportamiento típico de los usuarios y posibles cambios en los hábitos de consumo de energía. Este modelo se aplicó al caso de los usuarios de estrato 4 de la ciudad de Bogotá D.C. En el proceso de la investigación se unieron los elementos descritos anteriormente, y los resultados obtenidos evidencian que la participación del usuario activo es una oportunidad para contribuir con la operación del Sistema Eléctrico Nacional, bien sea como generador de su propia energía o a través de un cambio en los hábitos de consumo, pero que se requieren ajustes en el marco regulatorio nacional para incentivar su participación.Home Energy Management Systems (HEMS), are playing an important role in the new energy context, due to the modernization of generation, transmission and distribution systems and final-user facilities, as well as the incorporation of renewable energy sources at home. This contributes favorably in technical, economic, social and environmental aspects to the improvement of the operation conditions for residential users and the electric system, because they allow the monitoring, supervision and control of devices connected at home, which allows to implement real time energy saving programs and self-generation programs as part of Active Demand Management (ADM) strategies. This doctoral thesis addresses the home energy management according to the needs of the residential user and his/her environment, in order to contribute to the integral operation of the electric system with new schemes for energy use and making decisions related with energy consumption and/or generation based on ADM strategies through changes in consumption habits, transforming the user into an active user. A home energy management system prototype named GEDE is proposed, which involves information and communication technologies to take energy measures in the power sources and devices to be managed, and send the information through the power line to a central system. The information is processed for supervision, monitoring and control activities in three ways: manual, semi-automatic and automatic mode, which operate based on decision algorithms. This prototype was designed and implemented taking into account standard communication protocols in the internet of things context. Special attention is given to the analysis of the external social variable focused on changes in consumption habits of the active user, to determine actions involving his/her interactions with the electric system, including an agent named aggregator, who provides the means to propose active demand management strategies, facilitating the interaction between the user and the energy market. For this, a model was implemented using systems dynamics techniques, which includes the typical behavior of users and possible changes in energy consumption habits. This model was applied to the case of users of middle-high socio-economic status of the city of Bogota D.C. In the research process, the elements above were combined, and the results show that the active user participation is an opportunity to contribute with the National Electric System, either as a generator of his/her own energy or through changes in consumption habits, but the national regulatory framework must be adjusted to motivate the participation in these processes