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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