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Type: Tese
Title: Tariff Spaces: a new concept for optimizing the use of electrical loads in smart homes /
Authors: Coutinho, Luis Rodolfo Rebouças
Advisor: Barroso, Giovanni Cordeiro
Co-advisor: Prata, Bruno de Athayde
Keywords in Brazilian Portuguese : Serviços de eletricidade - Tarifas;Aparelhos eletrônicos domésticos;Análise energética;Estrutura tarifária (Energia elétrica);Redes inteligentes de energia;Automação residencial;Controle eletrônico
Keywords in English : Electric utilities - Rates;Household electronics;Energy analysis;Tariff structure (Electricity);Smart grids;Home automation;Electronic control
Issue Date: 2024
Citation: COUTINHO, Luís Rodolfo Rebouças. Tariff Spaces: a new concept for optimizing the use of electrical loads in smart homes. 2024. 94 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: O contexto deste trabalho está relacionado ao agendamento de eletrodomésticos, levando em consideração as variações nos custos de energia durante o dia, devido às tarifas domésticas brasileiras oficiais: constante e branca. A tarifa branca pode atingir um preço médio cerca de 17% mais baixo do que a constante, mas cobra o dobro de seu valor durante as horas de pico. Propomos uma metodologia para, além de diminuir o custo, reduzir o desconforto do usuário devido ao deslocamento temporal de dispositivos controláveis, apresentando uma solução equilibrada por meio da análise analítica de um novo método aqui denominado Espaço Tarifário, derivado dos postos tarifários de tarifa branca. Para alcançar esse objetivo, exploramos as propriedades geométricas do movimento dos dispositivos através do Espaço Tarifário (locus geométrico da carga), sobre o qual podemos definir uma região limitada na qual o custo de uma carga sob a tarifa branca será igual ou menor do que o custo sob a tarifa constante. Como teste para a eficiência desta nova metodologia, coletamos alguns benchmarks (como tempo de execução e uso de memória) em relação a um algoritmo multi-objetivo clássico (Hierarchical) disponível no portfólio de linguagens no qual o projeto foi executado (linguagem Julia). Como resultado, ambas as metodologias alcançam resultados similares, mas aquela apresentada nesta tese mostra uma redução significativa no tempo de processamento e no uso de memória, o que poderia levar à implementação futura da solução em um sistema embarcado simples e de baixo custo, como um ARM Cortex M. Além de agendar eletrodomésticos com base em variações nos custos de energia, esta pesquisa aborda a adaptação em tempo real às mudanças nos preços de energia, preferências do usuário e condições ambientais em residências. A metodologia proposta alcança eficiência computacional e responsividade em tempo real significativas em comparação com algoritmos multiobjetivo tradicionais. Sem restrições de resposta à demanda, a solução principal é aproximadamente 10000 vezes mais rápida que o algoritmo multiobjetivo clássico. Com restrições de resposta à demanda, foi proposta uma metodologia híbrida que reduz o tempo de processamento geral em 50% em comparação com o algoritmo clássico sob as mesmas restrições. Esse destaque para a adaptação em tempo real aprimora a aplicabilidade e a eficácia de nossa abordagem de agendamento em ambientes residenciais dinâmicos.
Abstract: The background of this work is related to the scheduling of household appliances, taking into account variations in energy costs during the day, due to official Brazilian domestic tariffs: constant and white. The white tariff can reach an average price which is around 17% lower than the constant price, but charges twice its value at peak hours. In addition to cost reduction, we propose a methodology to reduce user discomfort due to time shifting of controllable devices, presenting a balanced solution through the analytical analysis of a new method here called Tariff Space, derived from white tariff posts. To achieve this goal, we explore the geometric properties of the movement of devices through the Tariff Space (geometric locus of the load), over which we can define a limited region in which the cost of a load under the white tariff will be equal to or less than the constant tariff. As a trial for the efficiency of this new methodology, we collected some benchmarks (such as execution time and memory usage) against a classic multi-objective algorithm (Hierarchical) available in the language portfolio in which the project has been executed (Julia language). As a result, both methodologies achieve similar results, but the one presented in this thesis shows a significant reduction in processing time and memory usage, which could lead to the future implementation of the solution in a simple, low-cost embedded system like an ARM cortex M. In addition to scheduling household appliances based on energy cost variations, this research addresses real-time adaptation to changing energy prices, user preferences, and environmental conditions in residential settings. The proposed methodology achieves significant computational efficiency and real-time responsiveness compared to traditional multi-objective algorithms. Without demand response constraints, the main solution is approximately 10000 times faster than the classic multi-objective algorithm. With demand response constraints, an hybrid methodology that reduces overall processing time by 50% compared to the classic algorithm under the same constraints has been proposed. This emphasis on real-time adaptation enhances the practical applicability and effectiveness of our scheduling approach in dynamic residential environments.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78728
Author's ORCID: 0000-0002-8171-0690
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1514616684272456
Advisor's ORCID: 0000-0003-2842-5222
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1218783106447217
Co-advisor's ORCID: 0000-0002-3920-089X
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/9957040164697410
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DEEL - Dissertações defendidas na UFC

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