WO2021195796A1 - System and method for controlling and managing energy demand in electrical systems - Google Patents

System and method for controlling and managing energy demand in electrical systems Download PDF

Info

Publication number
WO2021195796A1
WO2021195796A1 PCT/CL2021/050017 CL2021050017W WO2021195796A1 WO 2021195796 A1 WO2021195796 A1 WO 2021195796A1 CL 2021050017 W CL2021050017 W CL 2021050017W WO 2021195796 A1 WO2021195796 A1 WO 2021195796A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
demand
information
electrical loads
unit
energy
Prior art date
Application number
PCT/CL2021/050017
Other languages
Spanish (es)
French (fr)
Inventor
Matías Alejandro NEGRETE PINCETIC
Daniel Eduardo OLIVARES QUERO
Alvaro Hugo LORCA GÁLVEZ
Marcelo Alejandro SALGADO BRAVO
Aldo Maximiliano SAAVEDRA ADASME
Rafael Ignacio RODRIGUEZ ARAYA
Original Assignee
Pontificia Universidad Catolica De Chile
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pontificia Universidad Catolica De Chile filed Critical Pontificia Universidad Catolica De Chile
Publication of WO2021195796A1 publication Critical patent/WO2021195796A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J13/00Circuit arrangements for providing remote indication of network conditions, e.g. an instantaneous record of the open or closed condition of each circuitbreaker in the network; Circuit arrangements for providing remote control of switching means in a power distribution network, e.g. switching in and out of current consumers by using a pulse code signal carried by the network
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J4/00Circuit arrangements for mains or distribution networks not specified as ac or dc

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for controlling and managing energy demand in electrical systems.
  • the invention refers to a process of information exchange, coordination and control of the distributed demand in different industries, offices or residential homes, according to the different signals that a demand aggregation unit, or aggregator of demand, delivery to each of the participants of an electrical system.
  • the invention incorporates information, communication and automation technologies, with advanced monitoring, control, optimization and autonomous operation capabilities. This is mainly aimed at reducing variability and increasing the efficiency of control and management of energy demand in electrical systems.
  • the invention proposes a solution in which the aggregation of the demand contemplates the exchange of information on the flexibility of the clients and the electrical system.
  • Said flexibility is represented by a band of demand trajectories, where the aggregator is capable of delivering information on the flexibility required by the electricity system through the width of the demand band generated by the band of demand trajectories delivered to the customer. If the size of the demand band is wide, the aggregator provides flexibility to the customer, giving freedom in the energy demanded by the customer at a higher cost. Whereas, if the demand band is narrow, the aggregator requires flexibility from the client, thus accessing, for example, lower costs in its energy consumption.
  • the aggregation unit can deliver offers of displacement and reduction of demand and of the demand band, with which the client will be able to access better conditions, economic or otherwise, for the same energy consumed. .
  • the solution in WO2018207226A1 seeks to quantify influence factors that are monitored to stay between certain preset values, making the distribution of the power adjustment request based on said monitoring. Therefore, the solution in WO2018207226A1 does not reflect the flexibility involved in the system, since it does not generate an energy resource management that reflects the existing flexibility in both energy supply and energy demand.
  • the publication WO2019243524A1 of MOIXA ENERGY HOLDINGS LIMITED proposes systems to optimize and manage the flexibility of multiple local assets of distributed energy storage resources.
  • the solution in WO2019243524A1 focuses on a problem where the loads are mainly batteries, implications associated with the energy billing / pricing, smart contracts, and implements machine learning techniques to recognize patterns of demand behavior, to coordinate how flexibility in energy resources can be programmed, shared or managed.
  • there is no relevant processing capacity at the local level preventing a proper identification of the load flexibility existing in an energy system and making it difficult to manage energy demand based on said flexibility.
  • the proposed solution focuses on energy storage loads, whose flexibility management is simple compared to other types of loads.
  • the invention seeks to design and implement the technological infrastructure necessary for the management and coordination of flexible electrical consumptions. These consumptions are characterized by presenting a certain slack in the way of consuming electricity over time, without impacting the quality of the service obtained.
  • An example of flexible consumption can be a pump associated with a pool filter that needs to run 3 hours a day to fulfill the service of keeping the pool clean. Said service will be fulfilled with the same effectiveness by consuming electricity consecutively or by distributing the hours of electricity consumption throughout the day in any other way.
  • Other examples of flexible electrical consumptions include, at the industrial level, industrial water pumps, desalination plants, aluminum manufacturing, and at the residential level, boilers, refrigeration and charging of electric vehicles, among others.
  • the problem to be solved by the invention is to extract the flexibility from different loads in the network by means of the development of an appropriate technological infrastructure and suitable control models, enabling the decentralized management of different types of loads. and delivering a coordinated response, satisfying the flexibility requirements of the system, without impacting the service obtained by customers.
  • the invention relates to a system and a method for controlling and managing energy demand in electrical systems.
  • the energy demand management and control system in electrical systems comprises: one or more demand aggregation units arranged in communication with an electrical network of an electrical system, wherein each demand aggregation unit comprises at least one central server, and wherein each demand aggregation unit has associated an amount of energy available for consumption by users of the electrical system; one or more pluralities of local coordination units, wherein each plurality of local coordination units is arranged in communication with at least one corresponding demand aggregation unit, and wherein each local coordination unit comprises at least one local server; one or more pluralities of terminal nodes (NT), wherein each plurality of terminal nodes is arranged in communication with at least one corresponding local coordination unit, wherein each terminal node has the ability to monitor and / or control the operation of loads electrical connected to it; one or more controllable or flexible electrical loads, wherein each controllable electrical load is arranged in communication with at least one corresponding terminal node, and where each controllable electrical load has associated information about its demand flexibility; and one or more
  • each local coordination unit is configured to: collect information from the controllable electrical loads to quantify the energy demand of controllable electrical loads; and collect information on non-controllable electrical loads to model the energy demand of non-controllable electrical loads;
  • each local coordination unit is configured to generate information on the energy requirement of the electrical loads.
  • Said information on the energy requirement comprises: information on the available controllable electrical loads; information on the consumption of non-controllable electrical loads per unit of time, said information on the consumption of non-controllable electrical loads, comprising consumption data from the previous day and / or prediction data for non-controllable demand, corresponding to the operation of non-controllable electrical charges during a prediction time period; a value of the total energy required by the controllable electrical loads during a predetermined period of time; the maximum feasible power consumption of the controllable electrical loads per unit of time during a predetermined period of time; and information on specific electrical loads;
  • each demand aggregation unit is configured to: receive the information on the energy requirement from each local coordination unit; Based on the information on the energy requirement, generate a band of demand trajectories for a first period of time of operation, for each local coordination unit, where the band of demand trajectories generated by each demand aggregation unit comprises a trajectory of minimum demand and a trajectory of maximum demand for a period of time of operation, where said trajectories of minimum and maximum demand define a demand band for each local coordination unit; and send said band of demand trajectories to each local coordination unit, where said band of demand trajectories is capable of meeting the energy requirement of the electrical loads and, simultaneously, minimizing deviations of the energy demand with respect to the quantity energy available for each unit of demand aggregation.
  • each local coordination unit is configured to schedule the operation of the available controllable electrical loads, adjusting the energy consumption of said controllable electrical loads to the received demand path band. Furthermore, each local coordination unit is configured to calculate energy demand deviation information with respect to the received demand path band and to send said demand deviation information to the corresponding demand aggregation unit, both during the scheduling of the operation of the available controllable electrical loads as during the monitoring of the operation of scheduled electrical loads.
  • each demand aggregation unit is configured to: analyze the demand deviation information from the plurality corresponding local coordination units; assess whether the amount of available energy is sufficient to meet the energy demand; and based on said evaluation, each demand aggregation unit is configured for one or more of: o determine the need to have additional energy from the electricity grid, or determine the option of delivering additional energy to the electricity grid, and or generate a new band of demand trajectories for a second period of operation time following the first period of operation time, for one or more of the corresponding local coordination units to be determined based on the information on the energy requirement.
  • the method of control and management of energy demand in electrical systems comprises the steps of: a) monitor electrical loads by each terminal node so that each local coordination unit: i. collects information from controllable electrical loads to model the power demand of controllable electrical loads; ii. collects information from non-controllable electrical loads to model the energy demand of non-controllable electrical loads; b) generate, by each local coordination unit and by modeling the energy demand of electrical loads, information on the energy requirement of electrical loads, where such information on the energy requirement includes: i. information on available controllable electrical loads; ii.
  • information on the consumption of non-controllable electrical loads per unit of time comprising consumption data from the previous day and / or prediction data for non-controllable demand, corresponding to the operation of non-controllable electrical charges during a prediction time period; iii. a value of the total energy required by the controllable electrical loads during a predetermined period of time; iv. the maximum feasible power consumption of the controllable electrical loads per unit of time during a predetermined period of time; e v.
  • each demand aggregation unit calculates energy demand deviation information from the received demand path band; and ii. sends said demand deviation information to the corresponding demand aggregation unit, both during the scheduling of the operation of the available controllable electrical loads and during the monitoring of the operation of the scheduled electrical loads; and g) based on said demand deviation information received from each local coordination unit, the method further comprises that each demand aggregation unit: i. analyze the demand deviation information from the plurality of corresponding local coordination units; ii. assess whether the amount of available energy is sufficient to meet the energy demand; and iii.
  • each demand aggregation unit is configured to identify the latent demand flexibility of each local coordination unit. Said identification of latent flexibility occurs based on the energy requirement information and based on the demand deviation information received from each local coordination unit.
  • Other alternative modalities of the invention comprise that two or more local coordination units, belonging to the one or more pluralities of local coordination units of the preferred modality, are grouped according to the behavior of the energy demand of the electrical loads associated. The grouping of the two or more local coordination units is considered independently by the corresponding demand aggregation unit.
  • Other alternative embodiments of the invention comprise that each demand aggregation unit is configured to characterize the energy demand of the plurality of corresponding local coordination units. Said characterization of the energy demand occurs based on the information of the energy requirement. The characterization of energy demand is in an aggregate form and is called aggregate demand information.
  • each local coordination unit is configured to: minimize the deviations of the energy demand with respect to the band of demand trajectories received from the corresponding demand aggregation unit; and in case of demand deviations, communicate them to the corresponding demand aggregation unit.
  • the information of the controllable electrical loads, collected by each local coordination unit comprises one or a combination of two or more of: quantity of controllable loads; total operating time of each electrical load for 24 hours; information on the type of controllable load, for example, whether the electrical load is interruptible or uninterruptible; window of availability of each electrical load; estimated consumption of each electrical load every 1 hour; and estimated consumption of each electrical load during 24 hours.
  • the information on the controllable electrical loads, collected by each local coordinating unit comprises one or a combination of two or more of: average operating temperature of the electrical load ; acceptable temperature range of an enclosure where the electrical load operates; target room temperature for a given period of time; and window of unavailability.
  • each local coordination unit collects historical consumption information, and that, to schedule the operation of the controllable electrical loads available, each local coordination unit combines the band of received demand paths with one or more of: a prediction of the ambient temperature during the prediction time period, in the event of associated thermal electrical loads; information on the thermal properties of an enclosure, in the event of associated thermal electrical loads; and information on the energy requirement of electrical loads.
  • each local coordination unit can be configured to, based on the band of received demand trajectories, determine operation points per unit of time for each of the controllable electrical loads, during a first scheduling period of time.
  • the operating points can be determined by the hour
  • the first scheduling period of time can correspond to the next 24 hours
  • the determination of the operating points can also include meteorological information for the scheduling period of time.
  • each local coordination unit is also configured to evaluate the total energy demand of the scheduling during a second period of time of lower scheduling. duration to the first scheduling period of time, recalculating the energy demand and updating the scheduling of the controllable electrical loads.
  • each local coordination unit is configured to: communicate the information of the controllable electrical loads available to the corresponding demand aggregation unit, wherein said communication is executed each time a change in controllable electrical loads connected to the at least one corresponding terminal node; communicate the information on the consumption of the non-controllable electrical loads to the corresponding demand aggregation unit every 1 hour, said consumption information comprising prediction data of the non-controllable demand which in turn comprise a path of the non-controllable demand.
  • controllable for the next 24 hours, with hourly resolution communicate, at least once every 24 hours, the value of the total energy required by the controllable electrical loads during the next 24 hours; communicate, at least once every 24 hours, the maximum feasible consumption power of the controllable electrical loads, said maximum feasible consumption power comprising a trajectory of the maximum feasible power consumption during the next 24 hours, with hourly resolution; each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit, acquire a prediction of ambient temperature and global solar radiation for the next 24 hours, with hourly resolution, from a meteorological server on an internet network or from the corresponding demand aggregation unit; and schedule the operation of the controllable electrical loads each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit
  • an alternative embodiment of the invention contemplates that the minimum and maximum demand trajectories generated by each demand aggregation unit are for a period of operation time corresponding to the next 24 hours.
  • the band of demand trajectories is generated at least once every 24 hours, preferably every 1 or 6 hours.
  • demand deviations occur when the energy demand is outside the demand band.
  • Free customers Possibility of obtaining better energy prices to satisfy your needs and the ability to respond to flexibility requirements of the system with a reward in its costs.
  • Generators Ability to coordinate generation with demand, reducing the cycling of generators, reducing generation and reviewing in real time the fulfillment of contractual contracts with some of its clients.
  • the distributor can keep control of the loads of its clients so that it is able to respond to contingencies in the lines or monitor energy consumption in real time.
  • Fig. 1 shows a diagram of the centralized and hierarchical structure of the proposed network architecture according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows a diagram of the interactions between the different elements that make up the architecture of a demand aggregation unit according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a diagram with the information flows and processes carried out by the local coordination unit.
  • Fig. 4 shows an example of the aggregate demand path band according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 5a and Fig. 5b show an example of proposed demand path bands and proposed load scheduling, respectively, in accordance with one embodiment of the invention.
  • the demand response service is provided by the operator of the flexible loads, or aggregation unit or aggregator, to the electrical system.
  • the aggregation unit has various loads at its disposal, geographically distributed, and which evolve over time according to the needs of consumers. At a certain point in time, the aggregation unit, according to the requests it receives from the electrical system operator, must determine the level of available load. It should be noted that the distributed nature of the loads imposes a challenge for the service infrastructure, since to make a joint decision it is necessary to: i) centralize the network diagnostic information, ii) process it, iii) generate a response and, finally , iv) translate this response into concrete actions for each of the charges at your disposal.
  • a centralized and hierarchical structure is the one that best adjusts to the service requirements and is under which the solution of the invention is implemented, as shown in Fig. 1.
  • the structure of the service is made up of three levels: i) actuators and sensors housed in a device called a terminal node, ii) local coordination units comprising local servers and iii) the aggregation unit comprising a central server. According to one embodiment of the invention, for each of these levels some of the design assumptions and specific requirements are:
  • the loads associated with a consumer are limited in an enclosure.
  • the enclosure is considered an indoor environment and of a certain local scope, for example, from 10 to 100 meters.
  • the Terminal Nodes are adjacent to the loads and inside the enclosure.
  • the loads are duly compensated with a power factor equal to one. and.
  • Each enclosure has a local server inside.
  • the enclosure has an internet connection or has cellular coverage.
  • Terminal Nodes In Terminal Nodes that manage thermal loads, there is information on the temperature of the environment in which it operates. g. The Terminal Nodes are designed in a modular way, which allows the incorporation of new sensors and actuators as the enclosure evolves. h. Each Local Server establishes a bidirectional communication with each Terminal Node of the network. i. Each Local Server is capable of serving multiple Terminal Nodes, at least 10 Terminal Nodes. j. The Terminal Node-Local Server Network is capable of connecting to the Local Server with multiple Terminal Nodes, at least with 10 Terminal Nodes. k. The Local Server connects to the internet. l. The internet connection solution is modular. m. The data transmission time is reduced, for example, less than one second. n. The Central Server can simultaneously handle more than a million connections with Local Servers.
  • the elements of the architecture of each Terminal Node are divided into those associated with the equipment to be controlled and those associated with the operation of the Terminal Node.
  • the elements associated with the equipment to be controlled can be divided, in turn, into two groups: sensors and actuators.
  • the group of sensors may have the following elements: i) current sensor, ii) voltage sensor, iii) controller for human-machine interface of the equipment to be controlled, and iv) specific sensors for the load in question.
  • the actuator group may have the following elements: i) on / off type actuators and ii) on / off type actuators controllers.
  • each Terminal Node has a modular operating architecture, which allows its flexibility to be maximized by incorporating various components as the load system connected to it evolves.
  • each Local Server is based mainly on an embedded computer with a processing capacity greater than that of the Terminal Nodes, which houses the models of local optimization of the demand supply service.
  • each Local Server has a wireless communications transceiver module, for example, WiFi, configured as an access point, to connect with the Terminal Nodes.
  • a wired communications transceiver module for example, Ethernet
  • a second wireless communications transceiver module to establish communication with the Central Server.
  • the Local Server feeds its electronics through a power source, using an AC / DC converter if necessary.
  • each Local Server must have the ability to communicate locally with the Terminal Nodes and remotely with the Central Server.
  • local communication occurs through a first wireless interface, which is implemented with a protocol that maintains topics with the sensor data with retention, that is, it keeps in memory the last correctly received data. Then, the information received is processed by an intermediate layer, called Local Communications Middleware. Local communication also works in the opposite direction, that is, from the Local Server to each Terminal Node.
  • remote communication occurs through a wired interface, for example Ethernet, or a second wireless interface.
  • the latter is commanded through a microcontroller configured as a gateway, which is commanded through a serial interface.
  • the communication protocol implemented offers a bidirectional exchange of information between the Central Server and the Local Server.
  • Remote communication like local communication, operates bi-directionally.
  • the architecture of the Central Server is based on a protocol that allows the reading, writing and exchange of information from and to the Local Servers. Additionally, the architecture includes: i) a database to store the historical information of the system and ii) a data application layer with a data interface to serve a model application layer, a frontend and a backend.
  • the model application layer executes the global optimization models of the system, the frontend allows users to access diagnostic information about their consumption and the backend allows an external connection with the application layer and with the database.
  • the loads can provide different types of flexibility.
  • movable loads which, to provide their service, only depend on a certain number of hours of daily operation, regardless of whether they are continuous or not, or at what time of day they operate. Examples of this type of loads are found in irrigation systems or in hydraulic pumps for swimming pools, pools or ponds.
  • time multiplexing flexibility is available in all equipment that operates in duty cycles, that is, in each operating cycle the load is active for a portion of the time and inactive for the rest of the cycle.
  • each load alone does not represent a source of flexibility for the system.
  • the start time of the work cycles of this type of loads it is possible to control the added instantaneous power that they demand from the network.
  • sensors and controllers are contemplated for: (i) air conditioning equipment, (ii) refrigeration equipment, (iii) hydraulic motors, (iv) lighting fixtures and (v) lighting equipment. battery charging.
  • air conditioning equipment ii
  • refrigeration equipment iii
  • hydraulic motors iv
  • lighting fixtures iv
  • lighting equipment iv
  • battery charging iv
  • the proposed system due to its modularity, can be adapted to operate with other types of loads.
  • a distributed demand management, aggregation and scheduling system has 4 levels:
  • Demand aggregation generation of demand trajectories bands for each participant of the aggregation unit and the implementation of the network requirements. It can be called as the actions to be taken and demand management of the aggregation unit.
  • FIG. 2 shows the interactions between each of these elements of the architecture of the proposed solution, the information that flows between said elements and their respective tasks.
  • Each of the levels implies an interaction with the demand aggregation unit, both at the energy management level and the economic interactions with the local coordination units and the electrical system network (grid), where the unit Aggregation is configured to ensure compliance with contracts, and generate flexible and uncontrollable demand modeling, with which you can define different flexibility services that you can later deliver to the network.
  • the aggregation unit complies with the review of different contracts and demand offers.
  • the interaction between the aggregation unit and each local coordination unit is defined by the band of demand trajectories that the aggregation unit delivers as a suggestion of electricity consumption with which the local coordination units propose a schedule of flexible loads, in such a way as to reduce deviations with respect to the demand band defined by said demand path band.
  • the band of demand trajectories is made up of a series of hourly demand blocks that are capable of satisfying the energy requirements of each local coordination unit and that can have different patterns, according to the indications of the aggregation unit. to adapt to both specific demand generation profiles and demand release requirements.
  • the size of the delivered demand block delimits both the flexibility available from the aggregation unit and that required from each local coordination unit. For example, if the aggregation unit delivers a large demand block, it implies that the aggregation unit can take care of the variations in demand from the corresponding local coordination unit, while if the demand block sent is very limited, it means that the aggregation unit requires the flexibility of the local coordination unit in order to reach a specific energy consumption, so deviations from the block will be penalized since these will affect the operation of the aggregation unit. It should be noted that this attribute of flexibility delivery can be valued in proportion to the width of the demand band, where a wide demand band has a higher cost than a limited one.
  • the aggregation unit has 3 main tasks (indicated in Fig. 2), which are:
  • a model of an aggregation unit is built capable of capturing the latent flexibility and at the same time, meeting the demand needs of each of the local coordination units, evaluating models of coordination of flexible loads and considering a new objective function with the ability to maximize the latent flexibility in the local coordination units or minimize the costs of the energy demanded by the local coordination units.
  • models such as time series, Gaussian processes, Markov models and neural networks to model flexibility, uncontrollable demand and the ability of each local coordination unit to respect the band of trajectories generated by the unit of aggregation, in order to improve the models of generation of bands of feasible trajectories for the local coordination units.
  • the local coordination units must be able to respond to the requirements of both the aggregation unit and the rules established by the different smart contracts, in order to follow the trajectory band sent by the aggregation unit.
  • the proposed models include models capable of scheduling the operation of the loads of the local coordination unit from the previous day and models that evaluate the state of the local coordination unit in real time, for the scheduling and monitoring of demand, in What can be described as a 2-stage model, where the objective of the first stage is to minimize deviations in demand, while the objective of the second is to minimize peaks and demand above the expected value. so that the consumption of each local coordination unit is as close to that proposed by the first stage of the model. It is possible to integrate additional restrictions according to the requirements of smart contracts.
  • the proposed architecture is limited to four parts that interact with each other: aggregation unit, local coordination units, smart contracts and finally communication mechanisms. Some of these parts are detailed below in attention to the solution proposed in the present invention.
  • the objective of the aggregation unit is to deliver to each of the participants (local coordination units) bands of demand trajectories that are capable of meet the energy requirements while minimizing the acquisition of additional energy to the hourly energy acquisition contracts that the aggregation unit has with different generators or market agents, energy that does not involve any additional cost for the daily operation of the aggregation unit.
  • the aggregation unit has said contracts, that is, it has a pre-established amount of available energy.
  • the aggregation unit for the generation of the demand trajectories that make up the demand band for each unit of local coordination, the aggregation unit requires at least the following information to be able to apply its optimization models:
  • the aggregation unit has all the information of each of the loads, this implies that it is possible to deliver a more accurate and easy-to-follow band of demand trajectories, but to receive and generate models in a specific way. for each of the loads, it increases the computational complexity of the models and restricts the scalability of the aggregation unit to such an extent that it would not be able to deliver a feasible result, generating problems for both the local coordination units, when receiving bands of demand trajectories that are not able to follow, and to the same aggregation unit, which must acquire additional energy or recalculate the scheduling of the more flexible local coordination units in order to stay within the total aggregate demand (and the problem still persists of high computational complexity).
  • the present challenge in the design of the aggregation unit problem is to find the balance between the minimum level of information necessary for each of the local coordination units, which at the same time allows them to generate feasible demand trajectories and extract the latent flexibility in each one of them.
  • a first cluster or group includes different households with increases in consumption at dawn and dusk
  • a second cluster or group includes offices with high consumption at noon, complementing both consumptions and presenting different types of response to demand requirements.
  • Another task of the aggregation unit is to characterize the demand of the local coordination units in an aggregate way. Initially, the aggregation unit receives predictions of uncontrollable demand from each of the local coordination units, even so, the prediction independently presents a higher percentage of error than the aggregate prediction of the local coordinating units. To do this, it is possible to use artificial neural network (ANN) models or Gaussian processes to predict total consumption and uncontrollable demand, working together with clusters of local coordination units, where there may be different models for each cluster that Capture the specific properties exhibited by the local coordinating units.
  • ANN artificial neural network
  • the aggregation unit is responsible for formulating and evaluating the smart contracts made with each of the local coordination units, defining the interactions between the different local coordination units and the aggregation unit itself, through a bounded set of information.
  • the structure and properties of the local coordination unit seeks to replicate the functions of a Home Management Energy System (HEMS), performing tasks of evaluation, monitoring and scheduling of flexible loads under the approach of minimizing the deviations of the trajectory band demand sent by the aggregation unit.
  • HEMS Home Management Energy System
  • the local coordination unit it is necessary for the local coordination unit to be able to collect information on the loads and how they can provide flexibility to the system, while through monitoring it is able to build models for the prediction of the demand of the loads.
  • uncontrollable loads which is hampered by the erratic actions of the inhabitants.
  • the purpose of modeling controllable loads and non-controllable demand is to delimit and simplify the information that the local coordination unit reports to the aggregation unit, so that it can generate the demand path bands.
  • Load availability window (process start and end time).
  • controllable loads that can be considered as tasks, in addition to other loads that can be modeled as batteries, such as pumps and electric vehicles.
  • thermal loads require additional characteristics for their modeling. These can be: Average operating temperature.
  • the simplification of these parameters according to the type of load allows the aggregation unit to reduce the computational complexity of the control model to be proposed, so that the local coordination units do not inform the aggregation unit about certain types of charges individually, grouping them into a small set of parameters corresponding to the required demand and the power to be consumed per hour.
  • the local coordination unit Based on the information of each of the loads plus the historical information on household consumption obtained, for example, by monitoring methods, the local coordination unit has the task of generating demand prediction curves both in the short term as for a full day. It is possible that this prediction does not present a high level of precision at the hourly and sub-hourly level due to the difficulty of modeling the behavior of the inhabitants of the home, but if it should model in a good way the total daily energy consumption in each home. .
  • the relevance of this process is to model the load scheduling based on the uncontrollable demand estimate in order not to exceed the maximum demand limits due to actions of the local coordination unit, together with delivering a prediction of Hourly and daily demand to the aggregation unit to determine the demand trajectory band of the local coordination unit for the next 24 hours.
  • the local coordination unit upon receiving a new band of demand trajectories from the aggregation unit, must be able to schedule the available loads in order to minimize demand deviations. According to one modality, this process can occur at intervals of at least 1 hour up to once every 24 hours, or in response to some requirement of the aggregation unit.
  • the aggregation unit requires the following information, according to the properties of the model and the characterization of each of the loads:
  • the local coordination unit is responsible for reporting any deviation in demand to the aggregation unit so that the aggregation unit can collect the deviations from the set of local units. of coordination and analyze whether the acquisition of additional energy or the re-scheduling of a set of local coordination units is necessary.
  • each local coordination unit solves two problems with different analysis times, in order to reduce the computational cost of the scheduling and monitoring of the operation. of loads throughout the day. These problems are:
  • Schedule Problem Scheduling of available loads according to the trajectory bands available for the local coordination unit and the meteorological information for the next 24 hours, with a time interval of 1 hour per block. Operation points are determined that each of the loads will fulfill throughout the day.
  • Sub-schedule problem The scheduling information of the loads of the schedule problem is extracted in order to implement the results and evaluate the total demand in the local coordination unit in short time intervals, with an evaluation horizon of 2 hours.
  • the objective is to maintain the demand proposed by the hourly problem and minimize the consumption peaks that can occur due to the scheduling of multiple loads in the same interval. It should be noted that only scheduling a limited set of loads reduces the complexity of the model.
  • the main reason for the division of the problem is the computational power available.
  • the division of the control model into stages allows to effectively manage the scheduling of the loads and the monitoring of the demand with an adequate temporal resolution. Otherwise, a model with the same capabilities as the one exposed would generate a problem that would not be able to be evaluated unless high-power processors or operation heuristics were used that would limit the optimality of the problem.
  • the local coordination unit is able to recalculate the demand and make changes in the scheduling at each time step, so the local coordination unit is able to respond to changes in demand or requests to reduce consumption in a short period of time, ensuring that each of the loads operates during the stipulated time and respecting the comfort restrictions. Therefore, the sub-schedule problem extends the capacities of the local coordination unit by being able to validate the proposed schedules through demand and make predictions of the total demand for the next hour, information that can be used to improve the scheduling models and participating in demand response markets of 15 minutes or one hour.
  • Fig. 3 concisely describes the different processes of the local coordination unit based on the hourly and sub-hourly model, in addition to the information that the local coordination unit needs from the aggregation unit to be able to implement your control models.
  • the communication mechanisms describe the interaction between local coordination units and the aggregation unit, considering the economic and operation rules described in smart contracts.
  • the information exchanged by the local coordination units and the aggregation unit is listed below: a.
  • Flexible loads the local coordinating unit, based on the information available, determines the amount and type of loads available to control.
  • the information on flexible loads is reported to the aggregation unit whenever there is a change in the list of available loads, such as the change of an air conditioner or the acquisition of a new electric vehicle.
  • the information reported corresponds to a list of parameters for each type of load under the domain of the local coordination unit.
  • the parameters include, but are not limited to: i) a time window of operation and ii) maximum power consumption.
  • Uncontrollable demand the local coordination unit generates and reports a prediction of the uncontrollable demand every 1 hour, in order to facilitate the scheduling of loads to the aggregation unit.
  • the prediction consists of a trajectory of the next 24 hours, with hourly resolution. That is, an array of 24 values.
  • Total daily controllable energy the local coordinating unit informs the aggregation unit of the total energy required by its controllable loads for one day of operation. The total energy required is a scalar number.
  • Maximum consumption power the local coordination unit informs the aggregation unit of the maximum feasible consumption power. The maximum power consumption is reported by a vector of 24 values corresponding to the 24 hours of a day. and.
  • Meteorological Information the local unit of coordination requires a prediction of ambient temperature and global solar radiation (GHI). This information can be requested from a meteorological server with the ability to predict temperature and irradiance for the next 24 hours. The meteorological information then corresponds to an arrangement of 24 points for each variable and is requested each time it receives a band of demand trajectories.
  • GPI global solar radiation
  • F. 24-hour trajectory bands From the flexible load information and the uncontrollable demand prediction, the aggregation unit will generate a minimum and maximum demand trajectory band for the local coordination unit. Each trajectory consists of 24 points associated with the next 24 hours from the aggregation unit to each local coordination unit. This information will be sent every hour. g.
  • Deviations from the trajectory the local coordination unit upon receiving the trajectories of minimum and maximum demand will analyze the feasibility of the follow-up. At the beginning of each hour, the local coordination unit will propose the scheduling of the available loads in order to adjust the demand to the allowed demand band. In the event of a demand deviation outside the permitted demand band, the local coordination unit will report the value of the deviation to the aggregation unit.
  • the local coordinating unit reports the type and quantity available of flexible loads.
  • the local coordination unit reports the amount of energy required to maintain temperature within the comfort range, along with a forecast of uncontrollable demand.
  • the aggregation unit sends a first band of demand trajectories to the local coordination unit, two vectors of 24 parameters each with the maximum and minimum consumption allowed for the next 24 hours. To generate the trajectories, it uses optimization models and historical information on feasible trajectories.
  • the local coordination unit optimizes the load scheduling at the local level and informs the aggregation unit of deviations from the maximum and minimum values allowed. This is done using a 24 hour vector. This stage is repeated each time a band of demand trajectories is received by the aggregation unit, which occurs at least once a day, and can be repeated every 4 or 6 hours.
  • the local coordination unit informs each hour of the consumed demand and an estimate of this for the next hour.
  • An EV Electric Vehicle of a set of 13 electric vehicles with different characteristics and states of charge.
  • Standard test case 112 cases that cover 4 months of operation and have the loads indicated above.
  • Case of multiple charges 28 cases that consider 3 interruptible charges, 4 uninterruptible charges of one hour, 3 charges of 2 hours and 4 charges lasting more than 3 hours. The purpose of this test is to stress the model with a high number of available loads
  • Fig. 4 shows the sum of the demand of the 112 cases studied with respect to the band of aggregate demand trajectories sent by the aggregation unit to the different local coordination units.
  • the model proposed for the local coordination unit had no problems in scheduling the different loads, despite the notable increase in the number of elements to schedule in this test case.
  • the average time in which the model was able to schedule the loads is 4.79 seconds, 3 times longer than the standard case but it is still a low response time. While the maximum time recorded in which the proposed cases reach convergence was 11.76 seconds, in line with the values obtained in the previous case.
  • the schedule and the trajectory proposed for one of the cases evaluated in Figs. 5a and 5b where the band of demand trajectories proposed by the aggregation unit for one of the cases evaluated (Fig. 5a) and the load scheduling proposed by the local coordination unit (Fig. 5b).
  • the time model is capable of scheduling the 17 proposed loads according to the path sent, in addition to simplifying the future problem of the local coordination unit in sub-hourly time intervals, where it only has to schedule a limited set of loads that does not exceed 7 loads (block 19, 7 scheduled loads) instead of the 17 loads available in the time problem, which means that in the worst case you have to evaluate less than half of the originally considered loads.
  • the proposed model is capable of evaluating the flexibility of the loads and temporarily distributing its operation according to the band of demand trajectories sent by the aggregation unit. Its resolution time is low, this being an average of 3 seconds, in addition to the fact that in no case evaluated did it exceed 15 seconds, so the proposed model is capable of giving a quick response that allows the charges to be quickly re-scheduled before a change in restrictions, available loads or a new requirement of the aggregation unit.
  • the proposed model demonstrates its ability to schedule multiple loads, complying with the numbers expected to be found in households and even numbers that may correspond to a specific division of an industry, assuming that each load evaluated can be an industrial process.
  • the proposed solution allows both the distributed control of different flexible loads with which the aggregation unit has contracts, which can be used for different services:
  • the implementation of each one of them only depends on the control and optimization models to be implemented both in the demand aggregation unit and in the local coordination unit. For example, it is possible to implement a primary or secondary frequency response system by establishing a merit list of available loads as notified by the local coordinating unit to the aggregation unit, while the latter only finally indicates the decrease in demand that is expected from each client. Therefore, the weight of the different control systems provides the different service and business opportunities based on the latent flexibility of the network.
  • An indirect service of the demand aggregation unit is the determination of failures in the electrical distribution networks, by means of the analysis of the loss of communication with different local coordination units with which the system has a contract. Or that the same local coordination units deliver a notification of the drop in electricity consumption in the event that they have a power supply system independent of the network. With this, it speeds up the work of restoring the network service to the distributors.
  • An important modification in the operation of the system of the aggregation unit may be the possibility of offering different types of energy contracts according to a modeling of the flexibility of each one of the clients. In this way, the aggregation unit can deliver different operating and energy management conditions that are better adapted to both the customer's needs while seeking to reduce the total costs of the service.
  • a new variation of the service is the prediction of demand based on the study and the models developed to understand the behavior of the different market agents.
  • the aggregation unit can previously determine possible demand peaks or flexibility requirements and adapt its operation to carry out regulation offers.

Abstract

Disclosed is a system and method for controlling and managing energy demand in electrical systems, comprising exchanging information, and coordinating and controlling demand distributed according to signals delivered by a demand aggregation unit to each participant of the system. Demand aggregation includes information exchange regarding the flexibility of clients and the electrical system, which is represented by a demand trajectory band using the bandwidth of demand delivered to the client.

Description

SISTEMA Y MÉTODO DE CONTROL Y GESTIÓN DE DEMANDA ENERGÉTICA EN SISTEMAS ELÉCTRICOS SYSTEM AND METHOD OF CONTROL AND MANAGEMENT OF ENERGY DEMAND IN ELECTRICAL SYSTEMS
MEMORIA DESCRIPTIVA DESCRIPTIVE MEMORY
[0001] La invención se refiere a un sistema y a un método de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos. [0001] The invention relates to a system and a method for controlling and managing energy demand in electrical systems.
[0002] Más en particular, la invención se refiere a un proceso de intercambio de información, coordinación y control de la demanda distribuida en diferentes industrias, oficinas u hogares residenciales, según las diferentes señales que una unidad de agregación de demanda, o agregador de demanda, entrega a cada uno de los participantes de un sistema eléctrico. [0002] More particularly, the invention refers to a process of information exchange, coordination and control of the distributed demand in different industries, offices or residential homes, according to the different signals that a demand aggregation unit, or aggregator of demand, delivery to each of the participants of an electrical system.
[0003] La invención incorpora tecnologías de la información, las comunicaciones y la automatización, con avanzadas capacidades de monitorización, control, optimización y funcionamiento autónomo. Con ello se apunta principalmente a reducir la variabilidad e incrementar la eficiencia de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos. [0003] The invention incorporates information, communication and automation technologies, with advanced monitoring, control, optimization and autonomous operation capabilities. This is mainly aimed at reducing variability and increasing the efficiency of control and management of energy demand in electrical systems.
[0004] Además, la invención propone una solución en donde la agregación de la demanda contempla intercambio de información sobre la flexibilidad de los clientes y del sistema eléctrico. Dicha flexibilidad está representada por una banda de trayectorias de demanda, donde el agregador es capaz de entregar información sobre la flexibilidad requerida por el sistema eléctrico mediante el ancho de la banda de demanda generada por la banda de trayectorias de demanda entregada al cliente. Si el tamaño de la banda de demanda es amplio, el agregador entrega flexibilidad al cliente, entregando libertad en la energía demandada por el cliente con un mayor costo. Mientras que, si la banda de demanda es estrecha, el agregador requiere flexibilidad del cliente, por lo que accede, por ejemplo, a costos menores en su consumo energético. [0004] Furthermore, the invention proposes a solution in which the aggregation of the demand contemplates the exchange of information on the flexibility of the clients and the electrical system. Said flexibility is represented by a band of demand trajectories, where the aggregator is capable of delivering information on the flexibility required by the electricity system through the width of the demand band generated by the band of demand trajectories delivered to the customer. If the size of the demand band is wide, the aggregator provides flexibility to the customer, giving freedom in the energy demanded by the customer at a higher cost. Whereas, if the demand band is narrow, the aggregator requires flexibility from the client, thus accessing, for example, lower costs in its energy consumption.
[0005] Por medio de este método y sistema la unidad de agregación puede entregar ofertas de desplazamiento y reducción de demanda y de la banda de demanda, con los que el cliente podrá acceder a mejores condiciones, económicas u otras, para la misma energía consumida. [0005] By means of this method and system, the aggregation unit can deliver offers of displacement and reduction of demand and of the demand band, with which the client will be able to access better conditions, economic or otherwise, for the same energy consumed. .
ANTECEDENTES BACKGROUND
[0006] Actualmente existe un creciente interés en adoptar tecnologías asociadas al control y gestión de la demanda energética en sistemas eléctricos, ya sea respecto a hacer más eficiente el manejo del recurso energético como recurso sensible y escaso, como respecto a la incorporación de sistemas de generación en base a energías renovables no-convencionales, cuya operación intermitente propone desafíos en su gestión. Efectivamente, el aumento en el suministro eléctrico proveniente de las fuentes de generación renovables, en conjunto con cambios recientes en la tecnologías de generación, junto con la incertidumbre y el impacto en el cambio climático generado por los combustibles tradicionales, han acelerado un cambio en la industria energética, generando oportunidades de desarrollo de nuevas tecnologías como la respuesta de demanda, sustentado en la participación activa de la demanda, la comunicación entre diferentes agentes y el aprovechamiento de la flexibilidad latente en las diferentes cargas. [0006] Currently there is a growing interest in adopting technologies associated with the control and management of energy demand in electrical systems, either with regard to making more efficient the management of energy resources as a sensitive and scarce resource, or regarding the incorporation of energy systems. generation based on non-conventional renewable energies, whose intermittent operation proposes challenges in its management. Indeed, the increase in electricity supply from renewable generation sources, together with recent changes in generation technologies, together with the uncertainty and the impact on climate change generated by traditional fuels, have accelerated a change in the energy industry, generating opportunities for the development of new technologies such as demand response, supported by the active participation of demand, communication between different agents and the use of latent flexibility in the different loads.
[0007] En la literatura existen diversas soluciones sobre la agregación de demanda y el control de cargas flexibles por medio de métodos directos e indirectos de control, como la fijación de precios ante el que un sistema de gestión de la energía del hogar (Home Energy Management System HEMS) toma decisiones de agendamiento o reducción de la demanda. Estos enfoques no son capaces de cubrir las propiedades de la arquitectura de la solución propuesta por la presente invención, que exhibe propiedades de ambos tipos de control, directo e indirecto, proponiendo una solución mixta que hereda las ventajas de ambos tipos de control y que busca evitar sus desventajas. [0007] In the literature there are various solutions on the aggregation of demand and the control of flexible loads by means of direct and indirect control methods, such as price setting before which a home energy management system (Home Energy Management System HEMS) makes scheduling or demand reduction decisions. These approaches are not capable of covering the properties of the architecture of the solution proposed by the present invention, which exhibits properties of both types of control, direct and indirect, proposing a mixed solution that inherits the advantages of both types of control and that seeks avoid its downsides.
[0008] A modo de ejemplo, la publicación titulada “An optimal day-ahead load scheduling approach based on the flexibility of aggregate demands”, Applied Energy 198:1-11, Junio 2017, tiene elementos relacionados a la agregación y control de demanda por medio de métodos indirectos de control, solución que difiere con el sistema propuesto. [0008] As an example, the publication entitled "An optimal day-ahead load scheduling approach based on the flexibility of aggregate demands", Applied Energy 198: 1-11, June 2017, has elements related to the aggregation and control of demand by means of indirect control methods, a solution that differs from the proposed system.
[0009] Por otra parte, existen otras soluciones que presentan arquitecturas de control de respuesta de demanda y agregación de demanda que pueden representar una alternativa respecto al sistema y método propuestos en la presente invención, dado su enfoque en ciertos tipos de cargas específicos o modelos de agregación y gestión de la energía. A modo de ejemplo, la publicación WO2018207226A1 de HITACHI, LTD. se refiere a sistemas y métodos asociados a un agregador y a un consumidor-productor (denominado prosumidor), en donde el sistema del lado del agregador ajusta la potencia de un sistema de potencia mediante un sistema del lado del prosumidor, distribuyendo una solicitud de ajuste de potencia a los recursos energéticos en uno o más sistemas del lado del prosumidor, y en donde el sistema del prosumidor gestiona las cargas o demanda para cumplir con una planificación. A diferencia de la presente invención, la solución en WO2018207226A1 busca cuantificar factores de influencia que son monitoreados para mantenerse entre ciertos valores prestablecidos, realizando la distribución de la solicitud de ajuste de la potencia en base a dicho monitoreo. Por lo tanto, la solución en WO2018207226A1 no refleja la flexibilidad involucrada en el sistema, ya que no genera una gestión del recurso energético que refleje la flexibilidad existente tanto en la oferta de energía como en la demanda de energía. [0009] On the other hand, there are other solutions that present demand response control architectures and demand aggregation that can represent an alternative with respect to the system and method proposed in the present invention, given its focus on certain types of specific loads or models. aggregation and energy management. By way of example, publication WO2018207226A1 by HITACHI, LTD. refers to systems and methods associated with an aggregator and a consumer-producer (called prosumer), where the system on the aggregator side adjusts the power of a power system through a system on the prosumer side, distributing a request for adjustment of empowers energy resources in one or more systems on the prosumer side, and where the prosumer system manages loads or demand to meet a schedule. Unlike the present invention, the solution in WO2018207226A1 seeks to quantify influence factors that are monitored to stay between certain preset values, making the distribution of the power adjustment request based on said monitoring. Therefore, the solution in WO2018207226A1 does not reflect the flexibility involved in the system, since it does not generate an energy resource management that reflects the existing flexibility in both energy supply and energy demand.
[0010] En este sentido, la publicación WO2019243524A1 de MOIXA ENERGY HOLDINGS LIMITED propone sistemas para optimizar y gestionar la flexibilidad de múltiples activos locales de recursos de almacenamiento energético distribuidos. Si bien la solución en WO2019243524A1 se focaliza en un problema donde las cargas son principalmente baterías, se consideran implicancias asociadas a la facturación/precio de la energía, contratos inteligentes, e implementa técnicas de aprendizaje de máquina para reconocer patrones de comportamiento de la demanda, para coordinar cómo la flexibilidad en recursos energéticos puede ser programada, compartida o gestionada. Sin embargo, de la divulgación de dicho documento no existe una capacidad relevante de procesamiento a nivel local, impidiendo una debida identificación de la flexibilidad de carga existente en un sistema energético y dificultando la gestión de la demanda de energía en función de dicha flexibilidad. Además, la solución propuesta se focaliza en cargas de almacenamiento de energía, cuyo manejo de flexibilidad es sencillo respecto a otros tipos de cargas. In this sense, the publication WO2019243524A1 of MOIXA ENERGY HOLDINGS LIMITED proposes systems to optimize and manage the flexibility of multiple local assets of distributed energy storage resources. Although the solution in WO2019243524A1 focuses on a problem where the loads are mainly batteries, implications associated with the energy billing / pricing, smart contracts, and implements machine learning techniques to recognize patterns of demand behavior, to coordinate how flexibility in energy resources can be programmed, shared or managed. However, from the disclosure of said document there is no relevant processing capacity at the local level, preventing a proper identification of the load flexibility existing in an energy system and making it difficult to manage energy demand based on said flexibility. In addition, the proposed solution focuses on energy storage loads, whose flexibility management is simple compared to other types of loads.
[0011] Tanto de la información anterior, como de otras soluciones existentes en el Estado de la Técnica, es posible concluir que prácticamente todas las soluciones se dirigen a considerar la flexibilidad existente en el lado de la generación/distribución de energía, es decir, en la oferta de energía, gestionando una respuesta de demanda de energía que contempla dicha flexibilidad, generalmente dada por el uso de diversas fuentes de generación, convencionales y no-convencionales, que tienen diferentes disponibilidades y costos. Dichas soluciones no reflejan correctamente la flexibilidad del lado del usuario o de la demanda, elemento donde se enfoca la presente invención. Both from the above information, and from other existing solutions in the State of the Art, it is possible to conclude that practically all the solutions are aimed at considering the existing flexibility on the side of power generation / distribution, that is, in the energy supply, managing an energy demand response that contemplates said flexibility, generally given by the use of various generation sources, conventional and non-conventional, which have different availabilities and costs. Said solutions do not correctly reflect the flexibility on the user or demand side, an element on which the present invention is focused.
[0012] La invención busca diseñar e implementar la infraestructura tecnológica necesaria para la gestión y coordinación de consumos eléctricos flexibles. Estos consumos se caracterizan por presentar cierta holgura en la forma de consumir electricidad a través del tiempo, sin impactar la calidad del servicio obtenido. Un ejemplo de consumo flexible puede ser una bomba asociada a un filtro de piscina que necesita funcionar 3 horas al día para cumplir el servicio de mantener la piscina limpia. Dicho servicio se cumplirá con la misma efectividad consumiendo electricidad de manera consecutiva o distribuyendo las horas de consumo eléctrico a través del día de cualquier otra manera. Otros ejemplos de consumos eléctricos flexibles incluyen, a nivel industrial, bombas de agua industriales, plantas desalinizadoras, manufactura de aluminio, y a nivel residencial, calderas, refrigeración y carga de vehículos eléctricos, entre otros. [0012] The invention seeks to design and implement the technological infrastructure necessary for the management and coordination of flexible electrical consumptions. These consumptions are characterized by presenting a certain slack in the way of consuming electricity over time, without impacting the quality of the service obtained. An example of flexible consumption can be a pump associated with a pool filter that needs to run 3 hours a day to fulfill the service of keeping the pool clean. Said service will be fulfilled with the same effectiveness by consuming electricity consecutively or by distributing the hours of electricity consumption throughout the day in any other way. Other examples of flexible electrical consumptions include, at the industrial level, industrial water pumps, desalination plants, aluminum manufacturing, and at the residential level, boilers, refrigeration and charging of electric vehicles, among others.
[0013] Utilizar la flexibilidad disponible en el consumo eléctrico tiene importantes impactos sistémicos y privados. Desde el punto de vista sistémico, permite integrar efectivamente grandes cantidades de recursos renovables variables de electricidad sin la necesidad de contar con unidades de generación de respaldo o nueva infraestructura de transmisión: es la flexibilidad en la demanda la que se ajusta a un recurso de generación variable como la generación solar o eólica. Desde un punto de vista privado, permite reconocer explícitamente los diversos tipos de consumidores, permitiendo una diferenciación de acuerdos comerciales entre las empresas proveedoras de electricidad y sus clientes a través de la implementación de contratos inteligentes. Dichos contratos inteligentes permiten considerar atributos adicionales a los usuales de energía y potencia, incluyendo caracterizaciones de flexibilidad del consumo eléctrico. [0013] Using the flexibility available in electricity consumption has important systemic and private impacts. From a systemic point of view, it allows to effectively integrate large amounts of variable renewable electricity resources without the need for backup generation units or new transmission infrastructure: it is the flexibility in demand that is adjusted to a generation resource variable such as solar or wind generation. From a private point of view, it makes it possible to explicitly recognize the various types of consumers, allowing a differentiation of commercial agreements between electricity supplier companies and their customers through the implementation of smart contracts. Said smart contracts allow considering additional attributes to the usual ones of energy and power, including characterizations of flexibility of electricity consumption.
[0014] La posibilidad de aprovechar la flexibilidad disponible en consumos eléctricos se incrementa al tener disponible un gran conjunto heterogéneo de cargas flexibles. Lograr lo anterior requiere la agregación y coordinación de un gran conjunto de dichos consumos. En concreto, existe la necesidad de desarrollar la infraestructura tecnológica adecuada para dichos requerimientos y el desarrollo de modelos de optimización y control escalables. [0014] The possibility of taking advantage of the flexibility available in electrical consumption is increased by having a large heterogeneous set of flexible loads available. Achieving the above requires the aggregation and coordination of a large set of these consumptions. Specifically, there is a need to develop the appropriate technological infrastructure for these requirements and the development of scalable optimization and control models.
[0015] En este contexto, el problema a resolver por la invención es el de extraer la flexibilidad desde diferentes cargas en la red por medio del desarrollo de una infraestructura tecnológica apropiada y modelos de control adecuados, posibilitando la gestión descentralizada de diferentes tipos de cargas y entregando una respuesta coordinada, satisfaciendo los requerimientos de flexibilidad del sistema, sin impactar el servicio obtenido por los clientes. In this context, the problem to be solved by the invention is to extract the flexibility from different loads in the network by means of the development of an appropriate technological infrastructure and suitable control models, enabling the decentralized management of different types of loads. and delivering a coordinated response, satisfying the flexibility requirements of the system, without impacting the service obtained by customers.
[0016] Luego, se busca una solución que proporcione un método y sistema de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos, que permita controlar de forma coordinada a múltiples consumos eléctricos flexibles, de modo que su flexibilidad se utilice convenientemente y en tiempo real en función de algún propósito. Esta solución debe ser capaz de reunir distintos consumidores industriales y residenciales, coordinar sus consumos y de esta manera gestionar su demanda de manera inteligente para responder a diferentes requerimientos de la forma más conveniente posible. [0016] Then, a solution is sought that provides a method and system for the control and management of energy demand in electrical systems, which allows a coordinated control of multiple flexible electrical consumptions, so that its flexibility is used conveniently and in real time based on some purpose. This solution must be able to bring together different industrial and residential consumers, coordinate their consumption and in this way manage their demand intelligently to respond to different requirements in the most convenient way possible.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0017] La invención se refiere a un sistema y a un método de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos. The invention relates to a system and a method for controlling and managing energy demand in electrical systems.
[0018] En particular, de acuerdo con una modalidad preferente de la invención, el sistema de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos comprende: una o más unidades de agregación de demanda dispuestas en comunicación con una red eléctrica de un sistema eléctrico, en donde cada unidad de agregación de demanda comprende al menos un servidor central, y en donde cada unidad de agregación de demanda tiene asociada una cantidad de energía disponible para su consumo por parte de usuarios del sistema eléctrico; una o más pluralidades de unidades locales de coordinación, en donde cada pluralidad de unidades locales de coordinación está dispuesta en comunicación con al menos una unidad de agregación de demanda correspondiente, y en donde cada unidad local de coordinación comprende al menos un servidor local; una o más pluralidades de nodos terminales (NT), en donde cada pluralidad de nodos terminales está dispuesta en comunicación con al menos una unidad local de coordinación correspondiente, en donde cada nodo terminal tiene la capacidad de monitorear y/o controlar la operación de cargas eléctricas conectadas al mismo; una o más cargas eléctricas controlables o flexibles, en donde cada carga eléctrica controlable está dispuesta en comunicación con al menos un nodo terminal correspondiente, y en donde cada carga eléctrica controlable tiene asociada información sobre su flexibilidad de demanda; y una o más cargas eléctricas no-controlables, en donde cada carga eléctrica no-controlable está dispuesta en comunicación con al menos un nodo terminal correspondiente.In particular, according to a preferred embodiment of the invention, the energy demand management and control system in electrical systems comprises: one or more demand aggregation units arranged in communication with an electrical network of an electrical system, wherein each demand aggregation unit comprises at least one central server, and wherein each demand aggregation unit has associated an amount of energy available for consumption by users of the electrical system; one or more pluralities of local coordination units, wherein each plurality of local coordination units is arranged in communication with at least one corresponding demand aggregation unit, and wherein each local coordination unit comprises at least one local server; one or more pluralities of terminal nodes (NT), wherein each plurality of terminal nodes is arranged in communication with at least one corresponding local coordination unit, wherein each terminal node has the ability to monitor and / or control the operation of loads electrical connected to it; one or more controllable or flexible electrical loads, wherein each controllable electrical load is arranged in communication with at least one corresponding terminal node, and where each controllable electrical load has associated information about its demand flexibility; and one or more non-controllable electrical loads, wherein each non-controllable electrical load is arranged in communication with at least one corresponding terminal node.
[0019] De acuerdo con la modalidad preferente de la invención, mediante el monitoreo de las cargas eléctricas por parte de cada nodo terminal, cada unidad local de coordinación está configurada para: recopilar información de las cargas eléctricas controlables para cuantificar la demanda de energía de las cargas eléctricas controlables; y recopilar información de las cargas eléctricas no -controlables para modelar la demanda de energía de las cargas eléctricas no-controlables; According to the preferred embodiment of the invention, by monitoring the electrical loads by each terminal node, each local coordination unit is configured to: collect information from the controllable electrical loads to quantify the energy demand of controllable electrical loads; and collect information on non-controllable electrical loads to model the energy demand of non-controllable electrical loads;
[0020] De acuerdo con la modalidad preferente de la invención, mediante el modelamiento de la demanda de energía de las cargas eléctricas, cada unidad local de coordinación está configurada para generar información del requerimiento energético de las cargas eléctricas. Dicha información del requerimiento energético comprende: información de las cargas eléctricas controlables disponibles; información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables por unidad de tiempo, dicha información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables comprendiendo datos de consumo del día anterior y/o datos de predicción de la demanda no-controlable, correspondientes a la operación de las cargas eléctricas no-controlables durante un período de tiempo de predicción; un valor de la energía total requerida por las cargas eléctricas controlables durante un período de tiempo predeterminado; la potencia máxima de consumo factible de las cargas eléctricas controlables por unidad de tiempo durante un período de tiempo predeterminado; e información de cargas eléctricas específicas; [0020] According to the preferred embodiment of the invention, by modeling the energy demand of the electrical loads, each local coordination unit is configured to generate information on the energy requirement of the electrical loads. Said information on the energy requirement comprises: information on the available controllable electrical loads; information on the consumption of non-controllable electrical loads per unit of time, said information on the consumption of non-controllable electrical loads, comprising consumption data from the previous day and / or prediction data for non-controllable demand, corresponding to the operation of non-controllable electrical charges during a prediction time period; a value of the total energy required by the controllable electrical loads during a predetermined period of time; the maximum feasible power consumption of the controllable electrical loads per unit of time during a predetermined period of time; and information on specific electrical loads;
[0021] Adicionalmente, de acuerdo con la modalidad preferente de la invención, cada unidad de agregación de demanda está configurada para: recibir la información del requerimiento energético desde cada unidad local de coordinación; en base a la información del requerimiento energético, generar una banda de trayectorias de demanda para un primer período de tiempo de operación, para cada unidad local de coordinación, en donde la banda de trayectorias de demanda generada por cada unidad de agregación de demanda comprende una trayectoria de demanda mínima y una trayectoria de demanda máxima para un periodo de tiempo de operación, en donde dichas trayectorias de demanda mínima y máxima definen una banda de demanda para cada unidad local de coordinación; y enviar dicha banda de trayectorias de demanda a cada unidad local de coordinación, en donde dicha banda de trayectorias de demanda es capaz de cumplir con el requerimiento energético de las cargas eléctricas y, simultáneamente, minimizar desviaciones de la demanda de energía respecto a la cantidad energía disponible para cada unidad de agregación de demanda. Additionally, according to the preferred embodiment of the invention, each demand aggregation unit is configured to: receive the information on the energy requirement from each local coordination unit; Based on the information on the energy requirement, generate a band of demand trajectories for a first period of time of operation, for each local coordination unit, where the band of demand trajectories generated by each demand aggregation unit comprises a trajectory of minimum demand and a trajectory of maximum demand for a period of time of operation, where said trajectories of minimum and maximum demand define a demand band for each local coordination unit; and send said band of demand trajectories to each local coordination unit, where said band of demand trajectories is capable of meeting the energy requirement of the electrical loads and, simultaneously, minimizing deviations of the energy demand with respect to the quantity energy available for each unit of demand aggregation.
[0022] En este contexto, cada unidad local de coordinación está configurada para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, ajustando el consumo de energía de dichas cargas eléctricas controlables a la banda de trayectorias de demanda recibida. Además, cada unidad local de coordinación está configurada para calcular información de desviación de la demanda de energía respecto a la banda de trayectorias de demanda recibida y para enviar dicha información de desviación de la demanda a la unidad de agregación de demanda correspondiente, tanto durante el agendamiento de la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles como durante el monitoreo de la operación de las cargas eléctricas agendadas. In this context, each local coordination unit is configured to schedule the operation of the available controllable electrical loads, adjusting the energy consumption of said controllable electrical loads to the received demand path band. Furthermore, each local coordination unit is configured to calculate energy demand deviation information with respect to the received demand path band and to send said demand deviation information to the corresponding demand aggregation unit, both during the scheduling of the operation of the available controllable electrical loads as during the monitoring of the operation of scheduled electrical loads.
[0023] Finalmente, en base a la información de desviación de la demanda recibida desde cada unidad local de coordinación, de acuerdo con la modalidad preferente cada unidad de agregación de demanda está configurada para: analizar la información de desviación de la demanda de la pluralidad de unidades locales de coordinación correspondiente; evaluar si la cantidad de energía disponible es suficiente para satisfacer la demanda de energía; y en base a dicha evaluación, cada unidad de agregación de demanda está configurada para uno o más de: o determinar la necesidad de disponer de energía adicional desde la red eléctrica, o determinar la opcionalidad de entregar energía adicional hacia la red eléctrica, y o generar una nueva banda de trayectorias de demanda para un segundo período de tiempo de operación siguiente al primer período de tiempo de operación, para una o más de las unidades locales de coordinación correspondientes a determinar en base a la información del requerimiento energético. Finally, based on the demand deviation information received from each local coordination unit, according to the preferred modality, each demand aggregation unit is configured to: analyze the demand deviation information from the plurality corresponding local coordination units; assess whether the amount of available energy is sufficient to meet the energy demand; and based on said evaluation, each demand aggregation unit is configured for one or more of: o determine the need to have additional energy from the electricity grid, or determine the option of delivering additional energy to the electricity grid, and or generate a new band of demand trajectories for a second period of operation time following the first period of operation time, for one or more of the corresponding local coordination units to be determined based on the information on the energy requirement.
[0024] Por otra parte, de acuerdo con una modalidad preferente de la invención, el método de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos, que se implementa en un sistema de control y gestión como el descrito anteriormente, comprende las etapas de: a) monitorear las cargas eléctricas por parte de cada nodo terminal de manera que cada unidad local de coordinación: i. recopila información de las cargas eléctricas controlables para modelar la demanda de energía de las cargas eléctricas controlables; ii. recopila información de las cargas eléctricas no-controlables para modelar la demanda de energía de las cargas eléctricas no-controlables; b) generar, por parte de cada unidad local de coordinación y mediante el modelamiento de la demanda de energía de las cargas eléctricas, información del requerimiento energético de las cargas eléctricas, en donde dicha información del requerimiento energético comprende: i. información de las cargas eléctricas controlables disponibles; ii. información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables por unidad de tiempo, dicha información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables comprendiendo datos de consumo del día anterior y/o datos de predicción de la demanda no-controlable, correspondientes a la operación de las cargas eléctricas no- controlables durante un período de tiempo de predicción; iii. un valor de la energía total requerida por las cargas eléctricas controlables durante un período de tiempo predeterminado; iv. la potencia máxima de consumo factible de las cargas eléctricas controlables por unidad de tiempo durante un período de tiempo predeterminado; e v. información de cargas eléctricas específicas; c) recibir, por parte de cada unidad de agregación de demanda, la información del requerimiento energético desde cada unidad local de coordinación; d) generar, por parte de cada unidad de agregación de demanda y en base a la información del requerimiento energético, una banda de trayectorias de demanda para un primer período de tiempo de operación, para cada unidad local de coordinación, en donde la banda de trayectorias de demanda generada por cada unidad de agregación de demanda comprende una trayectoria de demanda mínima y una trayectoria de demanda máxima para un periodo de tiempo de operación, en donde dichas trayectorias de demanda mínima y máxima definen una banda de demanda para cada unidad local de coordinación; e) enviar, por parte de cada unidad de agregación de demanda, dicha banda de trayectorias de demanda a cada unidad local de coordinación, en donde dicha banda de trayectorias de demanda es capaz de cumplir con el requerimiento energético de las cargas eléctricas y, simultáneamente, minimizar desviaciones de la demanda de energía respecto a la cantidad energía disponible para cada unidad de agregación de demanda; f) agendar, por parte de cada unidad local de coordinación, la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, ajustando el consumo de energía de dichas cargas eléctricas controlables a la banda de trayectorias de demanda recibida, en donde para el agendamiento de la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles cada unidad local de coordinación: i. calcula información de desviación de la demanda de energía respecto a la banda de trayectorias de demanda recibida; y ii. envía dicha información de desviación de la demanda a la unidad de agregación de demanda correspondiente, tanto durante el agendamiento de la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles como durante el monitoreo de la operación de las cargas eléctricas agendadas; y g) en base a dicha información de desviación de la demanda recibida desde cada unidad local de coordinación, el método además comprende que cada unidad de agregación de demanda: i. analice la información de desviación de la demanda de la pluralidad de unidades locales de coordinación correspondiente; ii. evalúe si la cantidad de energía disponible es suficiente para satisfacer la demanda de energía; y iii. en base a dicha evaluación: determine la necesidad de disponer de energía adicional desde la red eléctrica, determine la opcionalidad de entregar energía adicional hacia la red eléctrica, y genere una nueva banda de trayectorias de demanda para un segundo período de tiempo de operación siguiente al primer período de tiempo de operación, para una o más de las unidades locales de coordinación correspondientes a determinar en base a la información del requerimiento energético. [0024] On the other hand, according to a preferred embodiment of the invention, the method of control and management of energy demand in electrical systems, which is implemented in a control and management system such as the one described above, comprises the steps of: a) monitor electrical loads by each terminal node so that each local coordination unit: i. collects information from controllable electrical loads to model the power demand of controllable electrical loads; ii. collects information from non-controllable electrical loads to model the energy demand of non-controllable electrical loads; b) generate, by each local coordination unit and by modeling the energy demand of electrical loads, information on the energy requirement of electrical loads, where such information on the energy requirement includes: i. information on available controllable electrical loads; ii. information on the consumption of non-controllable electrical loads per unit of time, said information on the consumption of non-controllable electrical loads, comprising consumption data from the previous day and / or prediction data for non-controllable demand, corresponding to the operation of non-controllable electrical charges during a prediction time period; iii. a value of the total energy required by the controllable electrical loads during a predetermined period of time; iv. the maximum feasible power consumption of the controllable electrical loads per unit of time during a predetermined period of time; e v. information on specific electrical loads; c) receive, by each demand aggregation unit, the information on the energy requirement from each local coordination unit; d) generate, by each unit of demand aggregation and based on the information of the energy requirement, a band of demand trajectories for a first period of time of operation, for each local coordination unit, where the band of demand trajectories generated by each demand aggregation unit comprises a minimum demand trajectory and a maximum demand trajectory for a period of time of operation, where said minimum and maximum demand trajectories define a demand band for each local unit of coordination; e) send, by each demand aggregation unit, said demand trajectory band to each local coordination unit, where said demand trajectory band is capable of meeting the energy requirement of the electrical loads and, simultaneously , minimize deviations of energy demand with respect to the amount of energy available for each unit of demand aggregation; f) Schedule, by each local coordination unit, the operation of the available controllable electrical loads, adjusting the energy consumption of said controllable electrical loads to the band of received demand trajectories, where for the programming of the operation of the controllable electrical loads available each local coordinating unit: i. calculates energy demand deviation information from the received demand path band; and ii. sends said demand deviation information to the corresponding demand aggregation unit, both during the scheduling of the operation of the available controllable electrical loads and during the monitoring of the operation of the scheduled electrical loads; and g) based on said demand deviation information received from each local coordination unit, the method further comprises that each demand aggregation unit: i. analyze the demand deviation information from the plurality of corresponding local coordination units; ii. assess whether the amount of available energy is sufficient to meet the energy demand; and iii. Based on this evaluation: determine the need to have additional energy from the electricity grid, determine the optionality of delivering additional energy to the electricity grid, and generate a new band of demand trajectories for a second period of time of operation following the first period of time of operation, for one or more of the corresponding local coordination units to be determined based on the information on the energy requirement.
[0025] Adicionalmente, modalidades alternativas de la invención comprenden que cada unidad de agregación de demanda esté configurada para identificar la flexibilidad de demanda latente de cada unidad local de coordinación. Dicha identificación de la flexibilidad latente ocurre en base a la información del requerimiento energético y en base a la información de desviación de la demanda recibida desde cada unidad local de coordinación. Additionally, alternative embodiments of the invention comprise that each demand aggregation unit is configured to identify the latent demand flexibility of each local coordination unit. Said identification of latent flexibility occurs based on the energy requirement information and based on the demand deviation information received from each local coordination unit.
[0026] Otras modalidades alternativas de la invención comprenden que dos o más unidades locales de coordinación, pertenecientes a la una o más pluralidades de unidades locales de coordinación de la modalidad preferente, se agrupen según el comportamiento de la demanda de energía de las cargas eléctricas asociadas. La agrupación de las dos o más unidades locales de coordinación es considerada de forma independiente por la unidad de agregación de demanda correspondiente. [0027] Otras modalidades alternativas de la invención comprenden que cada unidad de agregación de demanda este configurada para caracterizar la demanda de energía de la pluralidad de unidades locales de coordinación correspondiente. Dicha caracterización de la demanda de energía ocurre en base a la información del requerimiento energético. La caracterización de la demanda de energía es de forma agregada y se denomina información de demanda agregada. [0026] Other alternative modalities of the invention comprise that two or more local coordination units, belonging to the one or more pluralities of local coordination units of the preferred modality, are grouped according to the behavior of the energy demand of the electrical loads associated. The grouping of the two or more local coordination units is considered independently by the corresponding demand aggregation unit. Other alternative embodiments of the invention comprise that each demand aggregation unit is configured to characterize the energy demand of the plurality of corresponding local coordination units. Said characterization of the energy demand occurs based on the information of the energy requirement. The characterization of energy demand is in an aggregate form and is called aggregate demand information.
[0028] Otras modalidades alternativas de la invención comprenden que cada unidad local de coordinación esté configurada para: minimizar las desviaciones de la demanda de energía respecto de la banda de trayectorias de demanda recibida desde la unidad de agregación de demanda correspondiente; y en caso de existir desviaciones de la demanda, comunicarlas a la unidad de agregación de demanda correspondiente. [0028] Other alternative modalities of the invention comprise that each local coordination unit is configured to: minimize the deviations of the energy demand with respect to the band of demand trajectories received from the corresponding demand aggregation unit; and in case of demand deviations, communicate them to the corresponding demand aggregation unit.
[0029] Por otra parte, de acuerdo con modalidades alternativas de la invención, la información de las cargas eléctricas controlables, recopilada por cada unidad local de coordinación, comprende uno o una combinación de dos o más de: cantidad de cargas controlables; tiempo total de operación de cada carga eléctrica durante 24 horas; información sobre el tipo de carga controlable, por ejemplo, si la carga eléctrica es interrumpible o ininterrumpible; ventana de disponibilidad de cada carga eléctrica; consumo estimado de cada carga eléctrica cada 1 hora; y consumo estimado de cada carga eléctrica durante 24 horas. [0029] On the other hand, according to alternative embodiments of the invention, the information of the controllable electrical loads, collected by each local coordination unit, comprises one or a combination of two or more of: quantity of controllable loads; total operating time of each electrical load for 24 hours; information on the type of controllable load, for example, whether the electrical load is interruptible or uninterruptible; window of availability of each electrical load; estimated consumption of each electrical load every 1 hour; and estimated consumption of each electrical load during 24 hours.
[0030] Además, cuando al menos una carga eléctrica controlable es térmica, la información de las cargas eléctricas controlables, recopilada por cada unidad local de coordinación, comprende uno o una combinación de dos o más de: temperatura media de operación de la carga eléctrica; intervalo de temperatura aceptable de un recinto donde opera la carga eléctrica; temperatura objetivo del recinto para un período de tiempo determinado; y ventana de no-disponibilidad. Furthermore, when at least one controllable electrical load is thermal, the information on the controllable electrical loads, collected by each local coordinating unit, comprises one or a combination of two or more of: average operating temperature of the electrical load ; acceptable temperature range of an enclosure where the electrical load operates; target room temperature for a given period of time; and window of unavailability.
[0031] Otras modalidades alternativas de la invención comprenden que, para generar la información del requerimiento energético de las cargas eléctricas, cada unidad local de coordinación recopila información histórica de consumo, y que, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación combina la banda de trayectorias de demanda recibida con uno o más de: una predicción de la temperatura ambiente durante el período de tiempo de predicción, en caso de existir cargas eléctricas térmicas asociadas; información de propiedades térmicas de un recinto, en caso de existir cargas eléctricas térmicas asociadas; y la información del requerimiento energético de las cargas eléctricas. Other alternative modalities of the invention include that, to generate the information on the energy requirement of the electrical loads, each local coordination unit collects historical consumption information, and that, to schedule the operation of the controllable electrical loads available, each local coordination unit combines the band of received demand paths with one or more of: a prediction of the ambient temperature during the prediction time period, in the event of associated thermal electrical loads; information on the thermal properties of an enclosure, in the event of associated thermal electrical loads; and information on the energy requirement of electrical loads.
[0032] Adicionalmente, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación puede estar configurada para, en base a la banda de trayectorias de demanda recibida, determinar puntos de operación por unidad de tiempo para cada una de las cargas eléctricas controlables, durante un primer período de tiempo de agendamiento. En la presente modalidad, los puntos de operación se pueden determinar por hora, el primer período de tiempo de agendamiento puede corresponder a las próximas 24 horas, y la determinación de los puntos de operación además puede contemplar información meteoróloga para ducho período de tiempo de agendamiento. [0032] Additionally, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit can be configured to, based on the band of received demand trajectories, determine operation points per unit of time for each of the controllable electrical loads, during a first scheduling period of time. In the present mode, the operating points can be determined by the hour, the first scheduling period of time can correspond to the next 24 hours, and the determination of the operating points can also include meteorological information for the scheduling period of time. .
[0033] Otras modalidades alternativas de la invención comprenden que, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación además está configurada para evaluar la demanda de energía total del agendamiento durante un segundo período de tiempo de agendamiento de menor duración al primer periodo de tiempo de agendamiento, recalculando la demanda de energía y actualizando el agendamiento de las cargas eléctricas controlables. [0033] Other alternative modalities of the invention comprise that, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit is also configured to evaluate the total energy demand of the scheduling during a second period of time of lower scheduling. duration to the first scheduling period of time, recalculating the energy demand and updating the scheduling of the controllable electrical loads.
[0034] Otras modalidades alternativas de la invención comprenden que cada unidad local de coordinación este configurada para: comunicar la información de las cargas eléctricas controlables disponibles a la unidad de agregación de demanda correspondiente, en donde dicha comunicación se ejecuta cada vez que se detecta un cambio en las cargas eléctricas controlables conectadas al al menos un nodo terminal correspondiente; comunicar la información del consumo de las cargas eléctricas no -controlables a la unidad de agregación de demanda correspondiente cada 1 hora, dicha información del consumo comprendiendo datos de predicción de la demanda no-controlable que a su vez comprenden una trayectoria de la demanda no-controlable durante las próximas 24 horas, con resolución horaria; comunicar, al menos una vez cada 24 horas, el valor de la energía total requerida por las cargas eléctricas controlables durante las próximas 24 horas; comunicar, al menos una vez cada 24 horas, la potencia máxima de consumo factible de las cargas eléctricas controlables, dicha potencia máxima de consumo factible comprendiendo una trayectoria de la potencia máxima de consumo factible durante las próximas 24 horas, con resolución horaria; cada vez que se recibe una banda de trayectorias de demanda desde la unidad de agregación de demanda correspondiente, adquirir una predicción de temperatura ambiente y radiación solar global durante las próximas 24 horas, con resolución horaria, desde un servidor meteorológico en una red de internet o desde la unidad de agregación de demanda correspondiente; y agendar la operación de las cargas eléctricas controlables cada vez que se recibe una banda de trayectorias de demanda desde la unidad de agregación de demanda correspondiente[0034] Other alternative modalities of the invention comprise that each local coordination unit is configured to: communicate the information of the controllable electrical loads available to the corresponding demand aggregation unit, wherein said communication is executed each time a change in controllable electrical loads connected to the at least one corresponding terminal node; communicate the information on the consumption of the non-controllable electrical loads to the corresponding demand aggregation unit every 1 hour, said consumption information comprising prediction data of the non-controllable demand which in turn comprise a path of the non-controllable demand. controllable for the next 24 hours, with hourly resolution; communicate, at least once every 24 hours, the value of the total energy required by the controllable electrical loads during the next 24 hours; communicate, at least once every 24 hours, the maximum feasible consumption power of the controllable electrical loads, said maximum feasible consumption power comprising a trajectory of the maximum feasible power consumption during the next 24 hours, with hourly resolution; each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit, acquire a prediction of ambient temperature and global solar radiation for the next 24 hours, with hourly resolution, from a meteorological server on an internet network or from the corresponding demand aggregation unit; and schedule the operation of the controllable electrical loads each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit
[0035] Finalmente, una modalidad alternativa de la invención contempla que las trayectorias de demanda mínima y máxima generadas por cada unidad de agregación de demanda son para un periodo de tiempo de operación correspondiente a las próximas 24 horas. De acuerdo con dicha modalidad, la banda de trayectorias de demanda es generada al menos una vez cada 24 horas, de preferencia cada 1 o 6 horas. Además, de acuerdo con la presente modalidad, las desviaciones de la demanda ocurren cuando la demanda de energía se encuentra fuera de la banda de demanda. Finally, an alternative embodiment of the invention contemplates that the minimum and maximum demand trajectories generated by each demand aggregation unit are for a period of operation time corresponding to the next 24 hours. According to said modality, the band of demand trajectories is generated at least once every 24 hours, preferably every 1 or 6 hours. Furthermore, according to the present modality, demand deviations occur when the energy demand is outside the demand band.
[0036] Además de los beneficios ya expuestos anteriormente, la invención propuesta presenta diferentes beneficios para cada tipo de cliente o entidades participantes del sistema eléctrico, donde destacan: [0036] In addition to the benefits already exposed above, the proposed invention presents different benefits for each type of client or entities participating in the electrical system, where the following stand out:
Chentes libres: Posibilidad de obtener mejores precios de la energía para satisfacer sus necesidades y la capacidad de responder a requerimientos de flexibilidad del sistema con una recompensa en sus costos. Free customers: Possibility of obtaining better energy prices to satisfy your needs and the ability to respond to flexibility requirements of the system with a reward in its costs.
Generadores: Capacidad de coordinar la generación con la demanda, disminuyendo el ciclado de los generadores, las reducciones de generación y revisar en tiempo real el cumplimiento de los contratos contractuales con algunos de sus clientes. Generators: Ability to coordinate generation with demand, reducing the cycling of generators, reducing generation and reviewing in real time the fulfillment of contractual contracts with some of its clients.
Distribuidoras: el distribuidor puede llevar control de las cargas de sus clientes de manera que es capaz de responder ante contingencias en las líneas o tener un monitoreo del consumo energético en tiempo real. Distributors: the distributor can keep control of the loads of its clients so that it is able to respond to contingencies in the lines or monitor energy consumption in real time.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0037] Como parte de la presente invención se presentan las siguientes figuras representativas de la misma, las que enseñan modalidades preferentes de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como limitantes a la definición de la materia reivindicada. [0037] As part of the present invention, the following representative figures thereof are presented, which teach preferred embodiments of the invention and, therefore, should not be considered as limiting the definition of the claimed matter.
La Fig. 1 muestra un esquema de la estructura centralizada y jerárquica de la arquitectura de red propuesta de acuerdo con una modalidad de la invención. La Fig. 2 muestra un esquema de las interacciones entre los diferentes elementos que componen la arquitectura de una unidad de agregación de demanda de acuerdo con una modalidad de la invención. Fig. 1 shows a diagram of the centralized and hierarchical structure of the proposed network architecture according to an embodiment of the invention. Fig. 2 shows a diagram of the interactions between the different elements that make up the architecture of a demand aggregation unit according to one embodiment of the invention.
La Fig. 3 muestra un esquema con los flujos de información y procesos realizados por la unidad local de coordinación. Fig. 3 shows a diagram with the information flows and processes carried out by the local coordination unit.
La Fig. 4 muestra un ejemplo de la banda de trayectorias de demanda agregada de acuerdo con una modalidad de la invención. Fig. 4 shows an example of the aggregate demand path band according to one embodiment of the invention.
La Fig. 5a y la Fig. 5b muestran un ejemplo de bandas de trayectorias de demanda propuestas y el agendamiento de las cargas propuesto, respectivamente, de acuerdo con una modalidad de la invención. Fig. 5a and Fig. 5b show an example of proposed demand path bands and proposed load scheduling, respectively, in accordance with one embodiment of the invention.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA MODALIDAD PREFERENTE DETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED MODE
[0038] El servicio de respuesta de demanda es provisto por el operador de las cargas flexibles, o unidad de agregación o agregador, al sistema eléctrico. La unidad de agregación cuenta con diversas cargas a su disposición, distribuidas geográficamente, y que evolucionan en el tiempo de acuerdo a las necesidades de los consumidores. En un momento determinado la unidad de agregación, de acuerdo a las solicitudes que reciba de parte del operador del sistema eléctrico, deberá determinar el nivel de carga disponible. Cabe notar que la naturaleza distribuida de las cargas impone un desafío para la infraestructura del servicio, pues para tomar una decisión conjunta es necesario: i) centralizar la información de diagnóstico de la red, ii) procesarla, iii) generar una respuesta y, finalmente, iv) traducir esta respuesta en acciones concretas para cada una de las cargas a su disposición. The demand response service is provided by the operator of the flexible loads, or aggregation unit or aggregator, to the electrical system. The aggregation unit has various loads at its disposal, geographically distributed, and which evolve over time according to the needs of consumers. At a certain point in time, the aggregation unit, according to the requests it receives from the electrical system operator, must determine the level of available load. It should be noted that the distributed nature of the loads imposes a challenge for the service infrastructure, since to make a joint decision it is necessary to: i) centralize the network diagnostic information, ii) process it, iii) generate a response and, finally , iv) translate this response into concrete actions for each of the charges at your disposal.
[0039] Si bien existen diversas estructuras de redes, una estructura centralizada y jerárquica es aquella que mejor se ajusta a los requerimientos del servicio y es bajo la cual se implementa la solución de la invención, como se muestra en la Fig. 1. La estructura del servicio se compone de tres niveles: i) actuadores y sensores alojados en un dispositivo denominado nodo terminal, ii) unidades locales de coordinación que comprenden servidores locales y iii) la unidad de agregación que comprende un servidor central. De acuerdo con una modalidad de la invención, para cada uno de estos niveles algunos de los supuestos de diseño y requerimientos específicos son: [0039] Although there are various network structures, a centralized and hierarchical structure is the one that best adjusts to the service requirements and is under which the solution of the invention is implemented, as shown in Fig. 1. The The structure of the service is made up of three levels: i) actuators and sensors housed in a device called a terminal node, ii) local coordination units comprising local servers and iii) the aggregation unit comprising a central server. According to one embodiment of the invention, for each of these levels some of the design assumptions and specific requirements are:
Supuestos: a. Las cargas asociadas a un consumidor se encuentran acotadas en un recinto. b. El recinto se considera un ambiente de interior y de cierto alcance local, por ejemplo, de 10 a 100 metros. c. Los Nodos Terminales se encuentran adyacentes a las cargas y al interior del recinto. d. Las cargas están debidamente compensadas con factor de potencia igual a uno. e. Cada recinto cuenta con un servidor local en su interior. f. El recinto dispone de una conexión a internet o bien cuenta con cobertura celular. Requerimientos: a. Medir la comente consumida por cada carga. b. Medir el voltaje al interior del recinto en al menos un punto. c. Las mediciones reportadas se acompañan del instante de tiempo en que fueron registradas. d. Siempre que se encuentre disponible, se utiliza la interfaz de usuario para actuar sobre un dispositivo. e. En el caso de que la carga no cuente con una interfaz de usuario y se utilice un control de conexión y desconexión, el Nodo Terminal cuenta con los sensores, actuadores e inteligencia adecuados para asegurar la integridad de la carga. f. En Nodos Terminales que gestionan cargas térmicas, se cuenta con la información de temperatura del ambiente en que actúa. g. Los Nodos Terminales se diseñan de forma modular, lo que permite la incorporación de nuevos sensores y actuadores a medida que evoluciona el recinto. h. Cada Servidor Local establece una comunicación bidireccional con cada Nodo Terminal de la red. i. Cada Servidor Local es capaz de dar servicio a múltiples Nodos Terminales, al menos, a 10 Nodos Terminales. j. La Red Nodos Terminales-Servidor Local es capaz de conectar al Servidor Local con múltiples Nodos Terminales, al menos, con 10 Nodos Terminales. k. El Servidor Local se conecta a internet. l. La solución de conexión a internet es modular. m. El tiempo de transmisión de datos es reducido, por ejemplo, menor a un segundo. n. El Servidor Central puede manejar de forma simultánea más de un millón de conexiones con Servidores Locales. Assumptions: a. The loads associated with a consumer are limited in an enclosure. b. The enclosure is considered an indoor environment and of a certain local scope, for example, from 10 to 100 meters. c. The Terminal Nodes are adjacent to the loads and inside the enclosure. d. The loads are duly compensated with a power factor equal to one. and. Each enclosure has a local server inside. F. The enclosure has an internet connection or has cellular coverage. Requirements: a. Measure the current consumed by each load. b. Measure the voltage inside the enclosure at at least one point. c. The reported measurements are accompanied by the instant of time in which they were recorded. d. Whenever available, the user interface is used to act on a device. and. In the event that the load does not have a user interface and a connection and disconnection control is used, the Terminal Node has the appropriate sensors, actuators and intelligence to ensure the integrity of the load. F. In Terminal Nodes that manage thermal loads, there is information on the temperature of the environment in which it operates. g. The Terminal Nodes are designed in a modular way, which allows the incorporation of new sensors and actuators as the enclosure evolves. h. Each Local Server establishes a bidirectional communication with each Terminal Node of the network. i. Each Local Server is capable of serving multiple Terminal Nodes, at least 10 Terminal Nodes. j. The Terminal Node-Local Server Network is capable of connecting to the Local Server with multiple Terminal Nodes, at least with 10 Terminal Nodes. k. The Local Server connects to the internet. l. The internet connection solution is modular. m. The data transmission time is reduced, for example, less than one second. n. The Central Server can simultaneously handle more than a million connections with Local Servers.
Arquitectura de la Solución Solution Architecture
[0040] De acuerdo con una modalidad de la invención, los elementos de la arquitectura de cada Nodo Terminal se dividen en aquellos asociados al equipo a controlar y aquellos asociados a la operación del Nodo Terminal. Los elementos asociados al equipo a controlar pueden dividirse, a su vez, en dos gmpos: sensores y actuadores. El grupo de sensores puede poseer los siguientes elementos: i) sensor de corriente, ii) sensor de voltaje, iii) controlador para interfaz humano-máquina del equipo a controlar, y iv) sensores específicos para la carga en cuestión. Por su parte, el gmpo de actuadores puede poseer los siguientes elementos: i) actuadores de tipo on/off y ii) controladores para actuadores de tipo on/off. Por otra parte, los elementos asociados a la operación del Nodo Terminal pueden ser: i) un microcontrolador, ii) un conversor análogo a digital y iii) un transceptor de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo, WiFi. Finalmente, cada Nodo Terminal tiene una arquitectura de operación modular, que permite maximizar su flexibilidad incorporando diversos componentes a medida que evoluciona el sistema de cargas conectado al mismo. According to one embodiment of the invention, the elements of the architecture of each Terminal Node are divided into those associated with the equipment to be controlled and those associated with the operation of the Terminal Node. The elements associated with the equipment to be controlled can be divided, in turn, into two groups: sensors and actuators. The group of sensors may have the following elements: i) current sensor, ii) voltage sensor, iii) controller for human-machine interface of the equipment to be controlled, and iv) specific sensors for the load in question. For its part, the actuator group may have the following elements: i) on / off type actuators and ii) on / off type actuators controllers. By On the other hand, the elements associated with the operation of the Terminal Node can be: i) a microcontroller, ii) an analog to digital converter and iii) a wireless communications transceiver, for example, WiFi. Finally, each Terminal Node has a modular operating architecture, which allows its flexibility to be maximized by incorporating various components as the load system connected to it evolves.
[0041] Por su parte, de acuerdo con una modalidad de la invención, la arquitectura de hardware de cada Servidor Local se basa principalmente en un computador embebido con una capacidad de procesamiento mayor a la de los Nodos Terminales, el cual alberga los modelos de optimización local del servicio de oferta de demanda. Adicionalmente, cada Servidor Local posee un módulo transceptor de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo, WiFi, configurado como punto de acceso, para conectarse con los Nodos Terminales. Por otra parte, posee un módulo transceptor de comunicaciones cableado, por ejemplo, Ethernet, y un segundo módulo transceptor de comunicaciones inalámbricas, para establecer la comunicación con el Servidor Central. Además, el Servidor Local alimenta su electrónica mediante una fuente de energía, utilizando un conversor AC/DC si fuese necesario. [0041] For its part, according to one embodiment of the invention, the hardware architecture of each Local Server is based mainly on an embedded computer with a processing capacity greater than that of the Terminal Nodes, which houses the models of local optimization of the demand supply service. Additionally, each Local Server has a wireless communications transceiver module, for example, WiFi, configured as an access point, to connect with the Terminal Nodes. On the other hand, it has a wired communications transceiver module, for example, Ethernet, and a second wireless communications transceiver module, to establish communication with the Central Server. In addition, the Local Server feeds its electronics through a power source, using an AC / DC converter if necessary.
[0042] Es relevante destacar que cada Servidor Local debe tener la capacidad de comunicarse localmente con los Nodos Terminales y remotamente con el Servidor Central. De acuerdo con una modalidad de la invención, la comunicación local ocurre a través de una primera interfaz inalámbrica, que se implementa con un protocolo que mantiene tópicos con los datos de sensores con retención, es decir, mantiene en memoria los últimos datos correctamente recibidos. Luego, la información recibida es procesada por una capa intermedia, denominada Middleware de comunicaciones local. La comunicación local también funciona en el sentido contrario, es decir, desde el Servidor Local hacia cada Nodo Terminal. [0042] It is relevant to highlight that each Local Server must have the ability to communicate locally with the Terminal Nodes and remotely with the Central Server. According to one embodiment of the invention, local communication occurs through a first wireless interface, which is implemented with a protocol that maintains topics with the sensor data with retention, that is, it keeps in memory the last correctly received data. Then, the information received is processed by an intermediate layer, called Local Communications Middleware. Local communication also works in the opposite direction, that is, from the Local Server to each Terminal Node.
[0043] Por su parte, la comunicación remota ocurre a través de una interfaz cableada, por ejemplo, Ethernet, o bien, una segunda interfaz inalámbrica. Esta última es comandada a través de un microcontrolador configurado como puerta de enlace, el cual es comandado mediante una interfaz serial. El protocolo de comunicación implementado ofrece un intercambio de información bidireccional entre el Servidor Central y el Servidor Local. La comunicación remota, al igual que la comunicación local, opera de forma bidireccional. [0043] For its part, remote communication occurs through a wired interface, for example Ethernet, or a second wireless interface. The latter is commanded through a microcontroller configured as a gateway, which is commanded through a serial interface. The communication protocol implemented offers a bidirectional exchange of information between the Central Server and the Local Server. Remote communication, like local communication, operates bi-directionally.
[0044] La arquitectura del Servidor Central se basa en un protocolo que permite la lectura, escritura e intercambio de información desde y hacia los Servidores Locales. Adicionalmente la arquitectura contempla: i) una base de datos para almacenar la información histórica del sistema y ii) una capa de aplicación de datos con una interfaz de datos para dar servicio a una capa de aplicación de modelos, a un frontend y a un backend. La capa de aplicación de modelos ejecuta los modelos de optimización global del sistema, el frontend permite a los usuarios acceder a información diagnóstica sobre su consumo y el backend permite una conexión externa con la capa de aplicación y con la base de datos. [0045] Finalmente, según la clasificación de una carga determinada, las cargas pueden proveer distintos tipos de flexibilidad. Por ejemplo, existen cargas de desconexión instantánea, es decir, permiten su desconexión en cualquier instante de tiempo y por una prolongación determinada, sin afectar el servicio que esta presta al usuario. Otro tipo de flexibilidad es la que brindan las denominadas cargas desplazables, las cuales, para proveer su servicio, solo dependen de un número determinado de horas de operación diaria, sin importar si estás son continuas o no, ni en qué momento del día operen. Ejemplos de este tipo de cargas se encuentran en sistemas de riego o en bombas hidráulicas para piscinas, piletas o estanques. Otro tipo de flexibilidad, denominada flexibilidad por multiplexación temporal, se encuentra disponible en todo equipo que opere en ciclos de trabajo, es decir, en cada ciclo de operación la carga se encuentra activa una porción del tiempo e inactiva el resto del ciclo. En este sentido, cada carga por sí sola no representa una fuente de flexibilidad para el sistema. Sin embargo, cuando varias cargas operan de forma simultánea, existe la posibilidad de escoger, para cada carga, el instante de inicio del ciclo de trabajo. Así, mediante el control del instante de inicio de los ciclos de trabajo de este tipo de cargas, es posible controlar la potencia instantánea agregada que estas demandan de la red. [0044] The architecture of the Central Server is based on a protocol that allows the reading, writing and exchange of information from and to the Local Servers. Additionally, the architecture includes: i) a database to store the historical information of the system and ii) a data application layer with a data interface to serve a model application layer, a frontend and a backend. The model application layer executes the global optimization models of the system, the frontend allows users to access diagnostic information about their consumption and the backend allows an external connection with the application layer and with the database. [0045] Finally, according to the classification of a given load, the loads can provide different types of flexibility. For example, there are instantaneous disconnection loads, that is to say, they allow disconnection at any moment of time and for a certain length of time, without affecting the service it provides to the user. Another type of flexibility is provided by the so-called movable loads, which, to provide their service, only depend on a certain number of hours of daily operation, regardless of whether they are continuous or not, or at what time of day they operate. Examples of this type of loads are found in irrigation systems or in hydraulic pumps for swimming pools, pools or ponds. Another type of flexibility, called time multiplexing flexibility, is available in all equipment that operates in duty cycles, that is, in each operating cycle the load is active for a portion of the time and inactive for the rest of the cycle. In this sense, each load alone does not represent a source of flexibility for the system. However, when several loads operate simultaneously, there is the possibility of choosing, for each load, the starting time of the work cycle. Thus, by controlling the start time of the work cycles of this type of loads, it is possible to control the added instantaneous power that they demand from the network.
[0046] De acuerdo con una modalidad de la invención, se contemplan sensores y controladores para: (i) equipos de aire acondicionado, (ii) equipos de refrigeración, (iii) motores hidráulicos, (iv) luminarias y (v) equipos de carga de baterías. Sin embargo, cabe destacar que el sistema propuesto, por su modularidad, puede adaptarse para operar con otros tipos de cargas. [0046] According to one embodiment of the invention, sensors and controllers are contemplated for: (i) air conditioning equipment, (ii) refrigeration equipment, (iii) hydraulic motors, (iv) lighting fixtures and (v) lighting equipment. battery charging. However, it should be noted that the proposed system, due to its modularity, can be adapted to operate with other types of loads.
Mecanismos de interacción Interaction mechanisms
[0047] Para el trabajo conjunto de la unidad de agregación con cada unidad local de coordinación es necesario establecer diferentes mecanismos de interacción entre cada uno de estos elementos. De forma general, un sistema de gestión, agregación y agendamiento distribuido de demanda presenta 4 niveles: [0047] For the joint work of the aggregation unit with each local coordination unit, it is necessary to establish different mechanisms of interaction between each of these elements. In general, a distributed demand management, aggregation and scheduling system has 4 levels:
Interacción de la unidad de agregación con el mercado para la adquisición de energía desde fuentes renovables a la red, adquisición de energía adicional no considerada en contratos previos y ofertas de desplazamiento o curtailment de demanda. Esto puede ser considerado como la gestión económica de la unidad de agregación. Interaction of the aggregation unit with the market for the acquisition of energy from renewable sources to the grid, acquisition of additional energy not considered in previous contracts and offers of displacement or curtailment of demand. This can be considered as the economic management of the aggregation unit.
Agregación de demanda, generación de bandas de trayectorias de demanda para cada participante de la unidad de agregación y la implementación de los requerimientos de la red. Puede ser llamado como las acciones a tomar y gestión de demanda de la unidad de agregación. Demand aggregation, generation of demand trajectories bands for each participant of the aggregation unit and the implementation of the network requirements. It can be called as the actions to be taken and demand management of the aggregation unit.
Negociación y definición de las interacciones entre cada unidad local de coordinación y la respectiva unidad de agregación, por medio de contratos inteligentes que definen reglas de operación, capacidad de respuesta y valorización de la flexibilidad. Negotiation and definition of the interactions between each local coordination unit and the respective aggregation unit, by means of smart contracts that define operating rules, response capacity and valorization of flexibility.
Gestión local de la flexibilidad, agendamiento y cumplimiento de los contratos inteligentes por medio de cada unidad local de coordinación. Para ello, puede hacer uso de herramientas de optimización para definir su operación. [0048] En la Fig. 2 se evidencian las interacciones entre cada uno de estos elementos de la arquitectura de la solución propuesta, la información que fluye entre dichos elementos y sus respectivas tareas. Local management of the flexibility, scheduling and compliance of smart contracts through each local coordination unit. To do this, you can make use of optimization tools to define your operation. [0048] Fig. 2 shows the interactions between each of these elements of the architecture of the proposed solution, the information that flows between said elements and their respective tasks.
[0049] Cada uno de los niveles implica una interacción con la unidad de agregación de demanda, tanto a nivel de gestión de energía como las interacciones económicas con las unidades locales de coordinación y la red del sistema eléctrico (grid), en donde la unidad de agregación está configurada para asegurar el cumplimiento de los contratos, y generar el modelamiento de la demanda flexible y no controlable, con la que puede definir diferentes servicios de flexibilidad que a posterior puede entregar a la red. Por otro lado, la unidad de agregación cumple con la revisión de diferentes contratos y ofertas de demanda. [0049] Each of the levels implies an interaction with the demand aggregation unit, both at the energy management level and the economic interactions with the local coordination units and the electrical system network (grid), where the unit Aggregation is configured to ensure compliance with contracts, and generate flexible and uncontrollable demand modeling, with which you can define different flexibility services that you can later deliver to the network. On the other hand, the aggregation unit complies with the review of different contracts and demand offers.
[0050] La interacción entre la unidad de agregación y cada unidad local de coordinación se encuentra definida por la banda de trayectorias de demanda que la unidad de agregación entrega como una sugerencia de consumo eléctrico con el que las unidades de coordinación local proponen un agendamiento de las cargas flexibles, de tal manera de disminuir las desviaciones respecto a la banda de demanda definida por dicha banda de trayectorias de demanda. Para ello, la banda de trayectorias de demanda se compone de una serie de bloques de demanda por hora que son capaces de satisfacer los requerimientos de energía de cada unidad local de coordinación y que puede tener diferentes patrones, según las indicaciones de la unidad de agregación para adaptarse tanto a perfiles de generación de demanda específicos como a requerimientos de desprendimiento de demanda. Además del perfil de la banda de trayectorias de demanda, el tamaño del bloque de demanda entregado delimita tanto la flexibilidad disponible de la unidad de agregación como la requerida desde cada unidad local de coordinación. Por ejemplo, si la unidad de agregación entrega un bloque de demanda amplio implica que la unidad de agregación se puede hacer cargo de las variaciones de la demanda desde la unidad local de coordinación correspondiente, mientras que si el bloque de demanda enviado es muy acotado significa que la unidad de agregación requiere de la flexibilidad de la unidad local de coordinación para poder llegar a un consumo de energía específico, por lo que las desviaciones respecto al bloque serán penalizadas ya que estas afectarán a la operación de la unidad de agregación. Cabe indicar que este atributo de entrega de flexibilidad puede ser valorizado en proporción al ancho de la banda de demanda, donde una amplia banda de demanda tiene un costo mayor que una acotada. [0050] The interaction between the aggregation unit and each local coordination unit is defined by the band of demand trajectories that the aggregation unit delivers as a suggestion of electricity consumption with which the local coordination units propose a schedule of flexible loads, in such a way as to reduce deviations with respect to the demand band defined by said demand path band. For this, the band of demand trajectories is made up of a series of hourly demand blocks that are capable of satisfying the energy requirements of each local coordination unit and that can have different patterns, according to the indications of the aggregation unit. to adapt to both specific demand generation profiles and demand release requirements. In addition to the profile of the demand path band, the size of the delivered demand block delimits both the flexibility available from the aggregation unit and that required from each local coordination unit. For example, if the aggregation unit delivers a large demand block, it implies that the aggregation unit can take care of the variations in demand from the corresponding local coordination unit, while if the demand block sent is very limited, it means that the aggregation unit requires the flexibility of the local coordination unit in order to reach a specific energy consumption, so deviations from the block will be penalized since these will affect the operation of the aggregation unit. It should be noted that this attribute of flexibility delivery can be valued in proportion to the width of the demand band, where a wide demand band has a higher cost than a limited one.
[0051] Por lo anterior, de acuerdo con una modalidad de la invención la unidad de agregación tiene 3 tareas principales (indicadas en la Fig. 2), las cuales son: Therefore, according to one embodiment of the invention, the aggregation unit has 3 main tasks (indicated in Fig. 2), which are:
1. Evaluación y seguimiento de contratos inteligentes. 1. Evaluation and monitoring of smart contracts.
2. Modelamiento de la demanda, acorde a la adquisición/generación de energías renovables.2. Modeling of demand, according to the acquisition / generation of renewable energies.
3. Construcción de las trayectorias de demanda para cada unidad local de coordinación. 3. Construction of demand trajectories for each local coordination unit.
[0052] Para ello, se construye un modelo de unidad de agregación capaz de capturar la flexibilidad latente y a la vez, suplir las necesidades de demanda de cada una de las unidades locales de coordinación, evaluando modelos de coordinación de cargas flexibles y considerando una nueva función objetivo con la capacidad de maximizar la flexibilidad latente en las unidades locales de coordinación o minimizar los costos de la energía demandada por las unidades locales de coordinación. Además, es posible utilizar diferentes modelos como series de tiempo, procesos gaussianos, modelos de Markov y redes neuronales para modelar la flexibilidad, la demanda no controlable y la capacidad de cada unidad local de coordinación de respetar la banda de trayectorias generadas por la unidad de agregación, con el fin de mejorar los modelos de generación de bandas de trayectorias factibles para las unidades locales de coordinación. [0052] For this, a model of an aggregation unit is built capable of capturing the latent flexibility and at the same time, meeting the demand needs of each of the local coordination units, evaluating models of coordination of flexible loads and considering a new objective function with the ability to maximize the latent flexibility in the local coordination units or minimize the costs of the energy demanded by the local coordination units. In addition, it is possible to use different models such as time series, Gaussian processes, Markov models and neural networks to model flexibility, uncontrollable demand and the ability of each local coordination unit to respect the band of trajectories generated by the unit of aggregation, in order to improve the models of generation of bands of feasible trajectories for the local coordination units.
[0053] Por último, las unidades locales de coordinación deben ser capaces de responder ante los requerimientos tanto de la unidad de agregación como las reglas establecidas por los diferentes contratos inteligentes, con el fin de seguir la banda de trayectorias enviada por la unidad de agregación. Para ello, se propone el modelamiento de la flexibilidad presente en las cargas controladas y su capacidad de agendamiento de las cargas para el seguimiento de la banda de trayectorias enviada por la unidad de agregación. Los modelos propuestos incluyen modelos capaces de agendar la operación de las cargas de la unidad local de coordinación desde el día anterior y modelos que evalúan el estado de la unidad local de coordinación en tiempo real, para el agendamiento y el seguimiento de las demanda, en lo que puede ser descrito como un modelo de 2 etapas, donde el objetivo de la primera etapa es la minimización de las desviaciones de la demanda, mientras que el objetivo de la segunda es la minimización de peaks y de demanda por sobre el valor esperado, de manera que el consumo de cada unidad local de coordinación sea lo más cercano al propuesto por la primera etapa del modelo. Es posible integrar restricciones adicionales acorde a los requerimientos de los contratos inteligentes. Finally, the local coordination units must be able to respond to the requirements of both the aggregation unit and the rules established by the different smart contracts, in order to follow the trajectory band sent by the aggregation unit. . To do this, the modeling of the flexibility present in the controlled loads and its capacity for scheduling the loads to follow the trajectory band sent by the aggregation unit is proposed. The proposed models include models capable of scheduling the operation of the loads of the local coordination unit from the previous day and models that evaluate the state of the local coordination unit in real time, for the scheduling and monitoring of demand, in What can be described as a 2-stage model, where the objective of the first stage is to minimize deviations in demand, while the objective of the second is to minimize peaks and demand above the expected value. so that the consumption of each local coordination unit is as close to that proposed by the first stage of the model. It is possible to integrate additional restrictions according to the requirements of smart contracts.
[0054] En particular, en el marco de la presente solicitud, la arquitectura propuesta se acota a cuatro partes que interactúan entre sí: unidad de agregación, unidades locales de coordinación, contratos inteligentes y finalmente mecanismos de comunicación. A continuación, se detallan algunas de estas partes en atención a la solución propuesta en la presente invención. [0054] In particular, within the framework of the present application, the proposed architecture is limited to four parts that interact with each other: aggregation unit, local coordination units, smart contracts and finally communication mechanisms. Some of these parts are detailed below in attention to the solution proposed in the present invention.
Unidad de agregación de demanda Demand aggregation unit
[0055] Su propósito es el manejo de la flexibilidad y la demanda de energía de los diferentes hogares y/o clientes industriales por medio de la generación de bandas de trayectorias de demanda y la identificación de la flexibilidad latente para ofrecer a cada uno de los participantes contratos de energía acorde a sus necesidades, a la vez que la unidad de agregación es capaz de ajustar la demanda agregada acorde a señales externas en base a la flexibilidad latente que es capaz de captar de sus clientes. La identificación de la flexibilidad en el sistema eléctrico permite a la unidad de agregación no solo responder ante variaciones en la generación, si no que ajustar sus bandas de demanda agregada a perfiles de generación de menor costo (plantas solares, eólicas, generación renovable no controlable en general). [0055] Its purpose is to manage the flexibility and energy demand of different households and / or industrial clients through the generation of demand trajectories bands and the identification of the latent flexibility to offer each one of the participants contract energy according to their needs, while the aggregation unit is able to adjust the aggregate demand according to external signals based on the latent flexibility that it is able to capture from its customers. The identification of the flexibility in the electrical system allows the aggregation unit not only to respond to variations in generation, but also to adjust its aggregate demand bands to lower cost generation profiles (solar, wind, non-controllable renewable generation usually).
[0056] A nivel de operación, el objetivo de la unidad de agregación es entregar a cada uno de los participantes (unidades locales de coordinación) bandas de trayectorias de demanda que sean capaces de cumplir con los requerimientos energéticos a la vez que minimiza la adquisición de energía adicional a los contratos de adquisición de energía por hora que la unidad de agregación posee con diferentes generadores o agentes del mercado, energía que no suponen ningún costo adicional para la operación diaria de la unidad de agregación. De acuerdo con la presente solución, se considera que la unidad de agregación dispone de dichos contratos, es decir, tiene preestablecida la cantidad de energía disponible. [0056] At the operation level, the objective of the aggregation unit is to deliver to each of the participants (local coordination units) bands of demand trajectories that are capable of meet the energy requirements while minimizing the acquisition of additional energy to the hourly energy acquisition contracts that the aggregation unit has with different generators or market agents, energy that does not involve any additional cost for the daily operation of the aggregation unit. According to the present solution, it is considered that the aggregation unit has said contracts, that is, it has a pre-established amount of available energy.
[0057] De acuerdo con una modalidad, para la generación de las trayectorias de demanda que conforman la banda de demanda para cada unidad de local de coordinación, la unidad de agregación requiere al menos de la siguiente información para poder aplicar sus modelos de optimización: According to one modality, for the generation of the demand trajectories that make up the demand band for each unit of local coordination, the aggregation unit requires at least the following information to be able to apply its optimization models:
Una estimación de demanda no controlable con resolución horaria. An uncontrollable demand estimate with hourly resolution.
La energía total requerida por las cargas controlables a lo largo del día. The total energy required by controllable loads throughout the day.
La potencia máxima posible de consumo de cargas controlables con resolución horaria.The maximum possible power consumption of controllable loads with hourly resolution.
Información relativa a cargas específicas que puedan representar un impacto en la operación de la unidad de agregación (por ejemplo, vehículos eléctricos y su alto consumo).Information regarding specific loads that may represent an impact on the operation of the aggregation unit (for example, electric vehicles and their high consumption).
[0058] Si se asume que la unidad de agregación dispone de toda la información de cada una de las cargas, esto implica que es posible entregar una banda de trayectorias de demanda más acertada y fácil de seguir, pero recibir y generar modelos de forma específica para cada una de las cargas incrementa la complejidad computacional de los modelos y restringe la escalabilidad de la unidad de agregación a tal punto que este no sería capaz de entregar un resultado factible, generando problemas tanto a las unidades locales de coordinación, al recibir bandas de trayectorias de demanda que no son capaces de seguir, y a la misma unidad de agregación, que debe adquirir energía adicional o recalcular el agendamiento de las unidades locales de coordinación más flexibles con el fin de mantenerse en la demanda agregada total (y aún persiste el problema de alta complejidad computacional). De esta manera, el desafío presente en el diseño del problema de la unidad de agregación es encontrar el balance entre el mínimo nivel de información necesaria de cada una de las unidades locales de coordinación, que a la vez le permita generar trayectorias de demanda factibles y extraer la flexibilidad latente en cada una de ellas. [0058] If it is assumed that the aggregation unit has all the information of each of the loads, this implies that it is possible to deliver a more accurate and easy-to-follow band of demand trajectories, but to receive and generate models in a specific way. for each of the loads, it increases the computational complexity of the models and restricts the scalability of the aggregation unit to such an extent that it would not be able to deliver a feasible result, generating problems for both the local coordination units, when receiving bands of demand trajectories that are not able to follow, and to the same aggregation unit, which must acquire additional energy or recalculate the scheduling of the more flexible local coordination units in order to stay within the total aggregate demand (and the problem still persists of high computational complexity). In this way, the present challenge in the design of the aggregation unit problem is to find the balance between the minimum level of information necessary for each of the local coordination units, which at the same time allows them to generate feasible demand trajectories and extract the latent flexibility in each one of them.
[0059] Con el fin de caracterizar las propiedades de las unidades locales de coordinación y ofrecer diferentes contratos inteligentes según sus necesidades, es posible clusterizar o agrupar a las diferentes unidades locales de coordinación según sus comportamientos de consumo. Por ejemplo, un primer cluster o grupo incluye a diferentes hogares con alzas de consumo al amanecer y anochecer, mientras que un segundo cluster o grupo incluye oficinas con un alto consumo a mediodía, complementando ambos consumos y presentando diferentes tipos de respuesta ante requerimientos de demanda. [0059] In order to characterize the properties of the local coordination units and offer different smart contracts according to their needs, it is possible to cluster or group the different local coordination units according to their consumption behaviors. For example, a first cluster or group includes different households with increases in consumption at dawn and dusk, while a second cluster or group includes offices with high consumption at noon, complementing both consumptions and presenting different types of response to demand requirements. .
[0060] Otra tarea de la unidad de agregación, de acuerdo con una modalidad de la invención, es caracterizar la demanda de las unidades locales de coordinación de forma agregada. En un inicio la unidad de agregación recibe predicciones de demanda no controlable de cada una de las unidades locales de coordinación, aun así, la predicción de forma independiente presenta un mayor porcentaje de error que la predicción agregada de las unidades locales de coordinación. Para ello, es posible usar modelos de redes neuronales artificiales (ANN) o procesos gaussianos para predecir los consumos totales y de demanda no controlable, trabajando de forma conjunta con los clusters de unidades locales de coordinación, donde pueden existir modelos diferentes para cada cluster que capturen las propiedades específicas exhibidas por las unidades locales de coordinación. [0060] Another task of the aggregation unit, according to one embodiment of the invention, is to characterize the demand of the local coordination units in an aggregate way. Initially, the aggregation unit receives predictions of uncontrollable demand from each of the local coordination units, even so, the prediction independently presents a higher percentage of error than the aggregate prediction of the local coordinating units. To do this, it is possible to use artificial neural network (ANN) models or Gaussian processes to predict total consumption and uncontrollable demand, working together with clusters of local coordination units, where there may be different models for each cluster that Capture the specific properties exhibited by the local coordinating units.
[0061] Por otro lado, la unidad de agregación es responsable de formular y evaluar los contratos inteligentes realizados con cada una de las unidades locales de coordinación, definiendo las interacciones entre las diferentes unidades locales de coordinación y la propia unidad de agregación, mediante un conjunto acotado de información. [0061] On the other hand, the aggregation unit is responsible for formulating and evaluating the smart contracts made with each of the local coordination units, defining the interactions between the different local coordination units and the aggregation unit itself, through a bounded set of information.
Unidad Local de Coordinación Local Coordination Unit
[0062] La estructura y propiedades de la unidad local de coordinación busca replicar las funciones de un Home Management Energy System (HEMS), realizando tareas de evaluación, monitoreo y agendamiento de cargas flexibles bajo el enfoque de minimizar las desviaciones de la banda de trayectorias de demanda enviada por la unidad de agregación. [0062] The structure and properties of the local coordination unit seeks to replicate the functions of a Home Management Energy System (HEMS), performing tasks of evaluation, monitoring and scheduling of flexible loads under the approach of minimizing the deviations of the trajectory band demand sent by the aggregation unit.
[0063] Para ello, es necesario que la unidad local de coordinación sea capaz de recopilar información de las cargas y cómo estas pueden entregar flexibilidad al sistema, mientras que por medio del monitoreo sea capaz de construir modelos para la predicción de la demanda de las cargas no controlables, lo que se ve dificultado por el errático accionar de los habitantes. El fin del modelamiento de las cargas controlables y la demanda no controlable es delimitar y simplificar la información que la unidad local de coordinación reporta a la unidad de agregación, para que este pueda generar las bandas de trayectorias de demanda. [0063] For this, it is necessary for the local coordination unit to be able to collect information on the loads and how they can provide flexibility to the system, while through monitoring it is able to build models for the prediction of the demand of the loads. uncontrollable loads, which is hampered by the erratic actions of the inhabitants. The purpose of modeling controllable loads and non-controllable demand is to delimit and simplify the information that the local coordination unit reports to the aggregation unit, so that it can generate the demand path bands.
[0064] Para que la unidad local de coordinación pueda simplificar la información relevante, es necesario que pueda modelar el comportamiento de las cargas a controlar y distinguir las características más importantes que pueden generar un impacto en la generación de las bandas de trayectorias. Algunas de estas propiedades pueden ser: [0064] In order for the local coordination unit to be able to simplify the relevant information, it is necessary to be able to model the behavior of the loads to be controlled and to distinguish the most important characteristics that can generate an impact on the generation of the trajectory bands. Some of these properties can be:
Tiempo total de operación (en el día). Total operating time (in the day).
Carga interrumpible o ininterrumpible. Interruptible or uninterruptible load.
Ventana de disponibilidad de la carga (hora de inicio y fin del proceso). Load availability window (process start and end time).
Consumo estimado (por hora y en el día). Estimated consumption (per hour and per day).
[0065] Las características descritas anteriormente corresponden a cargas controlables que se pueden considerar como tareas, además de otras cargas que pueden ser modeladas como baterías, tales como bombas y vehículos eléctricos. [0065] The characteristics described above correspond to controllable loads that can be considered as tasks, in addition to other loads that can be modeled as batteries, such as pumps and electric vehicles.
[0066] De forma especial, las cargas térmicas requieren de características adicionales para su modelación. Estas pueden ser: Temperatura media de operación. In a special way, thermal loads require additional characteristics for their modeling. These can be: Average operating temperature.
Intervalo de temperatura aceptable. Acceptable temperature range.
Temperatura esperada en un horario predefinido. Expected temperature at a predefined time.
Ventana de no disponibilidad. Unavailability window.
[0067] La simplificación de estos parámetros según el tipo de carga permite que la unidad de agregación pueda disminuir la complejidad computacional del modelo de control a proponer, de manera que las unidades locales de coordinación no informen a la unidad de agregación sobre ciertos tipos de cargas de forma individual, agrupándolas en un conjunto pequeño de parámetros correspondientes a la demanda requerida y la potencia a consumir por hora. The simplification of these parameters according to the type of load allows the aggregation unit to reduce the computational complexity of the control model to be proposed, so that the local coordination units do not inform the aggregation unit about certain types of charges individually, grouping them into a small set of parameters corresponding to the required demand and the power to be consumed per hour.
[0068] En base a la información de cada una de las cargas más la información histórica de consumo del hogar obtenida, por ejemplo, por métodos de monitoreo, la unidad local de coordinación tiene la tarea de generar curvas de predicción de demanda tanto a corto plazo como para un día completo. Es posible que esta predicción no presente un alto nivel de precisión a nivel horario y sub-horario debido a la dificultad de modelar el comportamiento de los habitantes del hogar, pero si debiese de modelar de buena manera el consumo total de energía diario en cada hogar. La relevancia de este proceso es el de modelar el agendamiento de las cargas en base a la estimación de demanda no controlable con el fin de no sobrepasar los límites máximos de demanda debido a acciones de la unidad local de coordinación, junto con entregar una predicción de demanda horario y diario a la unidad de agregación para la determinación de la banda de trayectorias de demanda de la unidad local de coordinación para las próximas 24 horas. [0068] Based on the information of each of the loads plus the historical information on household consumption obtained, for example, by monitoring methods, the local coordination unit has the task of generating demand prediction curves both in the short term as for a full day. It is possible that this prediction does not present a high level of precision at the hourly and sub-hourly level due to the difficulty of modeling the behavior of the inhabitants of the home, but if it should model in a good way the total daily energy consumption in each home. . The relevance of this process is to model the load scheduling based on the uncontrollable demand estimate in order not to exceed the maximum demand limits due to actions of the local coordination unit, together with delivering a prediction of Hourly and daily demand to the aggregation unit to determine the demand trajectory band of the local coordination unit for the next 24 hours.
[0069] La unidad local de coordinación, al recibir una nueva banda de trayectorias de demanda desde la unidad de agregación debe ser capaz de agendar las cargas disponibles con el fin de minimizar las desviaciones de la demanda. De acuerdo con una modalidad, este proceso puede ocurrir en intervalos de 1 hora como mínimo hasta una vez cada 24 horas, o ante algún requerimiento de la unidad de agregación. [0069] The local coordination unit, upon receiving a new band of demand trajectories from the aggregation unit, must be able to schedule the available loads in order to minimize demand deviations. According to one modality, this process can occur at intervals of at least 1 hour up to once every 24 hours, or in response to some requirement of the aggregation unit.
[0070] Para realizar el proceso de agendamiento la unidad de agregación requiere de la siguiente información, según las propiedades del modelo y la caracterización de cada una de las cargas: [0070] To carry out the scheduling process, the aggregation unit requires the following information, according to the properties of the model and the characterization of each of the loads:
Bandas de trayectorias de demanda desde las unidades de agregación (24 horas).Demand trajectories bands from aggregation units (24 hours).
Predicción de la temperatura ambiente (24 horas). Prediction of ambient temperature (24 hours).
Cargas flexibles disponibles para control y ventana de disponibilidad. Flexible loads available for control and availability window.
Predicción de la demanda no controlable (24 horas). Uncontrollable demand prediction (24 hours).
Estimaciones de la demanda requerida para la operación de cada una de las cargas flexibles (valor único o un vector de demanda). Estimates of the demand required for the operation of each of the flexible loads (single value or a vector of demand).
Propiedades térmicas del hogar para el modelamiento de cargas del tipo HVAC. [0071] Información adicional puede ser requerida para mejorar el modelo de agendamiento. Además del agendamiento de las cargas en base a la banda de trayectorias, la unidad local de coordinación es responsable de informar toda desviación de la demanda a la unidad de agregación con el fin de que la unidad de agregación pueda recopilar las desviaciones del conjunto unidades locales de coordinación y analizar si es necesaria la adquisición de energía adicional o el reagendamiento de un conjunto de unidades locales de coordinación. Thermal properties of the home for the modeling of HVAC-type loads. [0071] Additional information may be required to improve the scheduling model. In addition to scheduling the loads based on the trajectory band, the local coordination unit is responsible for reporting any deviation in demand to the aggregation unit so that the aggregation unit can collect the deviations from the set of local units. of coordination and analyze whether the acquisition of additional energy or the re-scheduling of a set of local coordination units is necessary.
[0072] Para llevar a cabo todas estas tareas, la solución propuesta de acuerdo con una modalidad es que cada unidad local de coordinación resuelva dos problemas con diferentes tiempos de análisis, con el fin de disminuir el costo computacional del agendamiento y seguimiento de la operación de las cargas a lo largo del día. Estos problemas son: [0072] To carry out all these tasks, the proposed solution according to one modality is that each local coordination unit solves two problems with different analysis times, in order to reduce the computational cost of the scheduling and monitoring of the operation. of loads throughout the day. These problems are:
Problema Horario: Agendamiento de las cargas disponibles según las bandas de trayectorias disponibles para la unidad local de coordinación y la información meteorológica para las próximas 24 horas, con un intervalo de tiempo de 1 hora por bloque. Se determinan puntos de operación que cada una de las cargas cumplirá a lo largo del día. Schedule Problem: Scheduling of available loads according to the trajectory bands available for the local coordination unit and the meteorological information for the next 24 hours, with a time interval of 1 hour per block. Operation points are determined that each of the loads will fulfill throughout the day.
Problema Sub-horario: Se extrae la información de agendamiento de las cargas del problema horario con el fin de implementar los resultados y evaluar la demanda total en la unidad local de coordinación en cortos intervalos de tiempo, con un horizonte de evaluación de 2 horas. El objetivo es mantener la demanda propuesta por el problema horario y minimizar los peaks de consumo que pueden ocurrir por el agendamiento de múltiples cargas en un mismo intervalo. Cabe destacar que al solo agendar un conjunto acotado de cargas se reduce la complejidad del modelo. Sub-schedule problem: The scheduling information of the loads of the schedule problem is extracted in order to implement the results and evaluate the total demand in the local coordination unit in short time intervals, with an evaluation horizon of 2 hours. The objective is to maintain the demand proposed by the hourly problem and minimize the consumption peaks that can occur due to the scheduling of multiple loads in the same interval. It should be noted that only scheduling a limited set of loads reduces the complexity of the model.
[0073] La principal razón de la división del problema es la potencia computacional disponible. La división del modelo de control por etapas permite manejar de forma efectiva el agendamiento de las cargas y el seguimiento de la demanda con una resolución temporal adecuada. De otra manera, un modelo con las mismas capacidades que el expuesto generaría un problema que no sería capaz de ser evaluado a menos que se haga uso de procesadores de alta potencia o heurísticas de operación que limitarían la optimalidad del problema. [0073] The main reason for the division of the problem is the computational power available. The division of the control model into stages allows to effectively manage the scheduling of the loads and the monitoring of the demand with an adequate temporal resolution. Otherwise, a model with the same capabilities as the one exposed would generate a problem that would not be able to be evaluated unless high-power processors or operation heuristics were used that would limit the optimality of the problem.
[0074] Extendiendo las capacidades del problema sub-horario, la unidad local de coordinación es capaz de recalcular la demanda y realizar cambios en el agendamiento en cada paso de tiempo, por lo que la unidad local de coordinación es capaz de responder a cambios en la demanda o a solicitudes de disminución del consumo en un corto intervalo de tiempo, asegurando que cada una de las cargas opere durante el tiempo estipulado y respetando las restricciones de confort. Por ello, el problema sub-horario extiende las capacidades de la unidad local de coordinación al ser capaz de validar los agendamientos propuestos por medio de la demanda y hacer predicciones de la demanda total para la próxima hora, información que se puede usar para mejorar los modelos de agendamiento y participar en mercados de respuesta de demanda de 15 minutos o una hora. [0075] Finalmente, la Fig. 3 describe de forma concisa los diferentes procesos de la unidad local de coordinación en base al modelo horario y sub-horario, además de la información que la unidad local de coordinación necesita de la unidad de agregación para poder implementar sus modelos de control. By extending the capabilities of the sub-schedule problem, the local coordination unit is able to recalculate the demand and make changes in the scheduling at each time step, so the local coordination unit is able to respond to changes in demand or requests to reduce consumption in a short period of time, ensuring that each of the loads operates during the stipulated time and respecting the comfort restrictions. Therefore, the sub-schedule problem extends the capacities of the local coordination unit by being able to validate the proposed schedules through demand and make predictions of the total demand for the next hour, information that can be used to improve the scheduling models and participating in demand response markets of 15 minutes or one hour. [0075] Finally, Fig. 3 concisely describes the different processes of the local coordination unit based on the hourly and sub-hourly model, in addition to the information that the local coordination unit needs from the aggregation unit to be able to implement your control models.
Mecanismos de comunicación Communication mechanisms
[0076] Los mecanismos de comunicación describen la interacción entre unidades locales de coordinación y la unidad de agregación, considerando las reglas económicas y de operación descritas en contratos inteligentes. En concreto, de acuerdo a una modalidad de la invención, la información que intercambian las unidades locales de coordinación y la unidad de agregación se lista a continuación: a. Cargas flexibles: la unidad local de coordinación, a partir de la información disponible, determina la cantidad y tipo de cargas disponibles para controlar. La información de cargas flexibles es reportada a la unidad de agregación cada vez que exista un cambio en la lista de cargas disponibles, tales como el cambio de un aire acondicionado o la adquisición de un nuevo vehículo eléctrico. La información reportada corresponde a una lista de parámetros para cada tipo de carga bajo el dominio de la unidad local de coordinación. Los parámetros incluyen, pero no están limitados a: i) una ventana temporal de operación y ii) potencia máxima de consumo. b. Demanda no controlable: la unidad local de coordinación genera e informa cada 1 hora una predicción de la demanda nocontrolable, con el fin de facilitar el agendamiento de las cargas a la unidad de agregación. La predicción consiste en una trayectoria de las próximas 24 horas, con resolución horaria. Es decir, un arreglo de 24 valores. c. Energía total controlable diaria: la unidad local de coordinación informa a la unidad de agregación la energía total requerida por sus cargas controlables para un día de operación. La energía total requerida es un número escalar. d. Potencia de consumo máxima: la unidad local de coordinación informa a la unidad de agregación la potencia de consumo máxima factible. La potencia de consumo máxima se informa mediante un vector de 24 valores correspondientes a las 24 horas de un día. e. Información Meteorológica: la unidad local de coordinación requiere de una predicción de temperatura ambiente y de radiación solar global (GHI, del inglés global horizontal irradiance). Esta información se puede solicitar a un servidor meteorológico con capacidad de predecir la temperatura e irradiancia durante las próximas 24 horas. La información meteorológica corresponde entonces a un arreglo de 24 puntos para cada variable y es solicitada cada vez que recibe una banda de trayectorias de demanda. f. Bandas de trayectorias de 24 horas: A partir de la información de cargas flexibles y la predicción de demanda no controlable, la unidad de agregación generará una banda de trayectorias de demanda mínima y máxima para la unidad local de coordinación. Cada trayectoria consiste en 24 puntos asociados a las próximas 24 horas desde la unidad de agregación a cada unidad local de coordinación. Esta información será enviada cada una hora. g. Desviaciones de la trayectoria: la unidad local de coordinación al recibir las trayectorias de demanda mínima y máxima analizará la factibilidad del seguimiento. Al inicio de cada hora la unidad local de coordinación propondrá el agendamiento de las cargas disponibles con el fin de ajustar la demanda a la banda de demanda permitida. En el caso de existir una desviación de demanda fuera de la banda de demanda permitida, la unidad local de coordinación reportará el valor de la desviación a la unidad de agregación. The communication mechanisms describe the interaction between local coordination units and the aggregation unit, considering the economic and operation rules described in smart contracts. Specifically, according to one embodiment of the invention, the information exchanged by the local coordination units and the aggregation unit is listed below: a. Flexible loads: the local coordinating unit, based on the information available, determines the amount and type of loads available to control. The information on flexible loads is reported to the aggregation unit whenever there is a change in the list of available loads, such as the change of an air conditioner or the acquisition of a new electric vehicle. The information reported corresponds to a list of parameters for each type of load under the domain of the local coordination unit. The parameters include, but are not limited to: i) a time window of operation and ii) maximum power consumption. b. Uncontrollable demand: the local coordination unit generates and reports a prediction of the uncontrollable demand every 1 hour, in order to facilitate the scheduling of loads to the aggregation unit. The prediction consists of a trajectory of the next 24 hours, with hourly resolution. That is, an array of 24 values. c. Total daily controllable energy: the local coordinating unit informs the aggregation unit of the total energy required by its controllable loads for one day of operation. The total energy required is a scalar number. d. Maximum consumption power: the local coordination unit informs the aggregation unit of the maximum feasible consumption power. The maximum power consumption is reported by a vector of 24 values corresponding to the 24 hours of a day. and. Meteorological Information: the local unit of coordination requires a prediction of ambient temperature and global solar radiation (GHI). This information can be requested from a meteorological server with the ability to predict temperature and irradiance for the next 24 hours. The meteorological information then corresponds to an arrangement of 24 points for each variable and is requested each time it receives a band of demand trajectories. F. 24-hour trajectory bands: From the flexible load information and the uncontrollable demand prediction, the aggregation unit will generate a minimum and maximum demand trajectory band for the local coordination unit. Each trajectory consists of 24 points associated with the next 24 hours from the aggregation unit to each local coordination unit. This information will be sent every hour. g. Deviations from the trajectory: the local coordination unit upon receiving the trajectories of minimum and maximum demand will analyze the feasibility of the follow-up. At the beginning of each hour, the local coordination unit will propose the scheduling of the available loads in order to adjust the demand to the allowed demand band. In the event of a demand deviation outside the permitted demand band, the local coordination unit will report the value of the deviation to the aggregation unit.
[0077] A continuación, se describe el orden en que la información listada anteriormente se intercambiará entre las unidades locales de coordinación y la unidad de agregación, de acuerdo con una modalidad de la invención. [0077] Next, the order in which the information listed above will be exchanged between the local coordination units and the aggregation unit is described, according to an embodiment of the invention.
1. La unidad local de coordinación informa el tipo y la cantidad disponible de cargas flexibles. La unidad local de coordinación informa la cantidad de energía necesaria para mantener temperatura dentro del rango de confort, junto con una predicción de la demanda no controlable. 1. The local coordinating unit reports the type and quantity available of flexible loads. The local coordination unit reports the amount of energy required to maintain temperature within the comfort range, along with a forecast of uncontrollable demand.
2. La unidad de agregación envía una primera banda de trayectorias de demanda a la unidad local de coordinación, dos vectores de 24 parámetros cada uno con los consumos máximos y mínimos permitidos para las próximas 24 horas. Para generar las trayectorias utiliza modelos de optimización e información histórica de trayectorias factibles. 2. The aggregation unit sends a first band of demand trajectories to the local coordination unit, two vectors of 24 parameters each with the maximum and minimum consumption allowed for the next 24 hours. To generate the trajectories, it uses optimization models and historical information on feasible trajectories.
3. La unidad local de coordinación optimiza a nivel local el agendamiento de cargas e informa a la unidad de agregación las desviaciones respecto de los valores máximos y mínimos permitidos. Esto se realiza mediante un vector de 24 horas. Esta etapa se repite cada vez que se recibe una banda de trayectorias de demanda por parte de la unidad de agregación, lo que ocurre al menos una vez al día, pudiendo llegar a repetirse cada 4 o 6 horas. 3. The local coordination unit optimizes the load scheduling at the local level and informs the aggregation unit of deviations from the maximum and minimum values allowed. This is done using a 24 hour vector. This stage is repeated each time a band of demand trajectories is received by the aggregation unit, which occurs at least once a day, and can be repeated every 4 or 6 hours.
4. Adicionalmente la unidad local de coordinación informa en cada hora la demanda consumida y un estimativo de ésta para la próxima hora. 4. Additionally, the local coordination unit informs each hour of the consumed demand and an estimate of this for the next hour.
EJEMPLO DE APLICACIÓN EXAMPLE OF APPLICATION
[0078] Con el objetivo de verificar el funcionamiento del sistema y método de gestión de demanda energética propuesto, en particular de la gestión de la unidad local de coordinación, se generó un entorno de simulación que simula la operación de un hogar. Para ello, son necesarias mediciones de consumo eléctrico de diferentes hogares y de temperatura ambiente, por lo que se recurrió a la base de datos de Pecan Street Inc. Dataport que dispone de mediciones de consumo eléctrico de forma desagregada por cada carga, reportada en intervalos de tiempo de 1, 15 y 60 minutos para cientos de hogares. Mientras que datos de temperatura ambiente han sido obtenidos desde la base de datos de NOAA NCEI Climate Normáis , específicamente, el modelo estadístico de las temperaturas de un año tipo en base a mediciones realizadas en el aeropuerto de Los Ángeles, EE.UU. por 30 años, donde la temperatura es separada por decil, siendo requeridos el decil 1, 5 y 9 para representar días de bajas temperaturas (decil 1), días promedios (decil 5) y de altas temperaturas (decil 9). [0078] In order to verify the operation of the proposed energy demand management system and method, in particular the management of the local coordination unit, a simulation environment was generated that simulates the operation of a home. For this, measurements of electricity consumption of different homes and of ambient temperature are necessary, so the Pecan Street Inc. Dataport database was used, which has electricity consumption measurements disaggregated by each load, reported in intervals time of 1, 15 and 60 minutes for hundreds of households. While Ambient temperature data have been obtained from the NOAA NCEI Climate Standards database, specifically, the statistical model of temperatures for a typical year based on measurements made at the Los Angeles airport, USA for 30 years, where the temperature is separated by decile, decile 1, 5 and 9 being required to represent days of low temperatures (decile 1), average days (decile 5) and high temperatures (decile 9).
[0079] Para caracterizar la variabilidad térmica a lo largo de un año se han seleccionado datos de temperatura para 4 meses según su estación meteorológica. Fueron seleccionados los meses de marzo (decil 1 - invierno), junio (decil 5 - primavera), septiembre (decil 9 - verano) y diciembre (decil 5 - otoño). [0079] To characterize the thermal variability throughout a year, temperature data for 4 months have been selected according to their meteorological station. The months of March (decile 1 - winter), June (decile 5 - spring), September (decile 9 - summer) and December (decile 5 - autumn) were selected.
[0080] El modelamiento de la demanda de las diferentes cargas disponibles en los hogares fue realizada en base a las mediciones extraídas desde Dataport. Debido a la falta de cargas ininterrumpibles con una duración mayor que 3 horas se extendió el tiempo de operación de algunas cargas con el fin de aumentar el número de cargas disponibles. [0080] The modeling of the demand of the different loads available in the homes was carried out based on the measurements extracted from Dataport. Due to the lack of uninterruptible loads with a duration greater than 3 hours, the operating time of some loads was extended in order to increase the number of loads available.
[0081] En base a las mediciones recopiladas de consumo eléctrico, temperatura y el modelamiento de cargas se construyen diferentes casos de prueba que simulan las cargas disponibles en una casa. Para ello, se definieron una serie de cargas disponibles por cada caso por analizar, donde la elección de cargas es aleatoria. Este modelo, al que llamaremos caso estándar de pruebas cumple con los siguientes requerimientos para las cargas: [0081] Based on the collected measurements of electrical consumption, temperature and load modeling, different test cases are built that simulate the loads available in a house. For this, a series of available loads were defined for each case to be analyzed, where the choice of loads is random. This model, which we will call the standard test case, meets the following requirements for loads:
Un EV (Vehículo Eléctrico) de un conjunto de 13 vehículos eléctricos con diferentes características y estados de carga. An EV (Electric Vehicle) of a set of 13 electric vehicles with different characteristics and states of charge.
Un aire acondicionado de un conjunto de 7 modelos diferentes. An air conditioner of a set of 7 different models.
Un refrigerador de 5 opciones. A 5-option refrigerator.
Desde cero a dos cargas interrumpibles (bombas). From zero to two interruptible loads (pumps).
Dos o tres cargas ininterrumpibles, de un conjunto de 8 opciones (cargas de una hora de duración). Two or three uninterruptible charges, from a set of 8 options (one-hour charges).
Una o dos cargas ininterrumpibles, de un conjunto de 5 opciones (dos horas de duración).One or two uninterruptible charges, from a set of 5 options (two hours duration).
Una a tres cargas ininterrumpibles, de un conjunto de 10 opciones (cargas con una duración entre 3 y 5 horas). One to three uninterruptible charges, from a set of 10 options (charges lasting between 3 and 5 hours).
[0082] En base al entorno de simulación descrito anteriormente se construyeron dos casos de pmebas para evaluar la capacidad de escalamiento y de manejo de cargas del modelo propuesto para la unidad local de coordinación. Estos casos son: [0082] Based on the simulation environment described above, two test cases were built to evaluate the scaling and load handling capacity of the proposed model for the local coordination unit. These cases are:
Caso estándar de pmebas: 112 casos que cubren 4 meses de operación y dispone de las cargas indicadas anteriormente. Caso de múltiples cargas: 28 casos que consideran 3 cargas interrumpidles, 4 cargas ininterrumpibles de una hora, 3 cargas de 2 horas y 4 cargas con duración mayor a 3 horas. El fin de esta prueba es estresar al modelo con un alto número de cargas disponiblesStandard test case: 112 cases that cover 4 months of operation and have the loads indicated above. Case of multiple charges: 28 cases that consider 3 interruptible charges, 4 uninterruptible charges of one hour, 3 charges of 2 hours and 4 charges lasting more than 3 hours. The purpose of this test is to stress the model with a high number of available loads
Caso estándar de pruebas Standard test case
[0083] Los resultados obtenidos para el caso estándar de pruebas se exponen en el gráfico de la Fig. 4, donde se muestra que ante una banda de demanda que es capaz de cubrir las necesidades de demanda de las cargas flexibles controladas por la unidad local de coordinación, el modelo propuesto es capaz de entregar una respuesta de agendamiento en un corto intervalo de tiempo. El modelo propuesto fue capaz de agendar las cargas de los 112 casos estudiados, donde el tiempo promedio del modelo en entregar una solución de agendamiento es de 1.63 segundos, mientras que el caso que más tiempo tomó en llegar a una solución de agendamiento fue de 12.69 segundos. [0083] The results obtained for the standard test case are shown in the graph of Fig. 4, where it is shown that in the face of a demand band that is capable of meeting the demand needs of the flexible loads controlled by the local unit of coordination, the proposed model is capable of delivering a scheduling response in a short time interval. The proposed model was able to schedule the loads of the 112 cases studied, where the average time of the model to deliver a scheduling solution is 1.63 seconds, while the case that took the longest to reach a scheduling solution was 12.69 seconds.
[0084] Debido a que la banda de demanda enviada por la unidad de agregación puede cubrir los requerimientos de demanda, no se observaron desviaciones fuera del intervalo o bloque de demanda permitido. De forma agregada, en la Fig. 4 se observa la sumatoria de la demanda de los 112 casos estudiados respecto a la banda de trayectorias agregadas de demanda enviada por la unidad de agregación a las diferentes unidades locales de coordinación. [0084] Because the demand band sent by the aggregation unit can cover the demand requirements, no deviations outside the allowed demand interval or block were observed. In aggregate form, Fig. 4 shows the sum of the demand of the 112 cases studied with respect to the band of aggregate demand trajectories sent by the aggregation unit to the different local coordination units.
[0085] De forma agregada no es posible observar como la unidad local de coordinación es capaz de agendar las cargas. Si analizamos de forma específica uno de los 112 casos analizados se posible entender como la unidad local de coordinación define la operación de las cargas, dependiendo tanto del consumo esperado como de la flexibilidad en el agendamiento entregado en la banda de demanda. De esta manera, el modelo agenda cada una de las cargas disponibles sin que se generen desviaciones considerables en la demanda. [0085] In an aggregate way, it is not possible to observe how the local coordination unit is capable of scheduling the loads. If we specifically analyze one of the 112 cases analyzed, it is possible to understand how the local coordination unit defines the operation of the loads, depending on both the expected consumption and the flexibility in the scheduling delivered in the demand band. In this way, the model schedules each of the available loads without generating considerable deviations in demand.
Caso de múltiples careas Multi-faceted case
[0086] Al igual que en el caso anterior, el modelo propuesto para la unidad local de coordinación no tuvo problemas en agendar las diferentes cargas, a pesar del notable aumento en el número de elementos a agendar en este caso de pruebas. El tiempo promedio en que el modelo fue capaz de agendar las cargas es de 4.79 segundos, 3 veces mayor que el caso estándar pero aun es un bajo tiempo de respuesta. Mientras que el tiempo máximo registrado en que los casos propuestos alcancen la convergencia fue de 11.76 segundos, en línea con los valores obtenidos en el caso anterior. [0086] As in the previous case, the model proposed for the local coordination unit had no problems in scheduling the different loads, despite the notable increase in the number of elements to schedule in this test case. The average time in which the model was able to schedule the loads is 4.79 seconds, 3 times longer than the standard case but it is still a low response time. While the maximum time recorded in which the proposed cases reach convergence was 11.76 seconds, in line with the values obtained in the previous case.
[0087] A modo de ejemplo, es posible ver el agendamiento y la trayectoria propuesta para uno de los casos evaluados en las Fig. 5a y 5b, donde se muestran la banda de trayectorias de demanda propuesta por la unidad de agregación para uno de los casos evaluados (Fig. 5a) y el agendamiento de las cargas propuesto por la unidad local de coordinación (Fig. 5b). El modelo horario es capaz de agendar las 17 cargas propuestas acorde a la trayectoria enviada, además de simplificar el futuro problema de la unidad local de coordinación en intervalos de tiempo subhorarios, en donde solo debe agendar un conjunto limitado de cargas que no supera las 7 cargas (bloque 19, 7 cargas agendadas) en vez de las 17 cargas disponibles en el problema horario, lo que significa que en el peor caso tiene que evaluar menos de la mitad de las cargas consideradas originalmente. [0087] By way of example, it is possible to see the schedule and the trajectory proposed for one of the cases evaluated in Figs. 5a and 5b, where the band of demand trajectories proposed by the aggregation unit for one of the cases evaluated (Fig. 5a) and the load scheduling proposed by the local coordination unit (Fig. 5b). The time model is capable of scheduling the 17 proposed loads according to the path sent, in addition to simplifying the future problem of the local coordination unit in sub-hourly time intervals, where it only has to schedule a limited set of loads that does not exceed 7 loads (block 19, 7 scheduled loads) instead of the 17 loads available in the time problem, which means that in the worst case you have to evaluate less than half of the originally considered loads.
[0088] En vista de los ejemplos anteriores, es posible mostrar que el modelo propuesto es capaz de evaluar la flexibilidad de las cargas y distribuir temporalmente su operación acorde a la banda de trayectorias de demanda enviada por la unidad de agregación. Su tiempo de resolución es bajo, siendo este en promedio de 3 segundos, además de que en ningún caso evaluado superó los 15 segundos, por lo que el modelo propuesto es capaz de dar una respuesta rápida que permite que las cargas puedan ser reagendadas rápidamente ante un cambio en las restricciones, cargas disponibles o un nuevo requerimiento de la unidad de agregación. El modelo propuesto demuestra su capacidad de agendar múltiples cargas, cumpliendo con los números esperados a encontrar en los hogares e incluso números que podrán corresponder a una división específica de una industria, asumiendo que cada carga evaluada pueda ser un proceso industrial. In view of the previous examples, it is possible to show that the proposed model is capable of evaluating the flexibility of the loads and temporarily distributing its operation according to the band of demand trajectories sent by the aggregation unit. Its resolution time is low, this being an average of 3 seconds, in addition to the fact that in no case evaluated did it exceed 15 seconds, so the proposed model is capable of giving a quick response that allows the charges to be quickly re-scheduled before a change in restrictions, available loads or a new requirement of the aggregation unit. The proposed model demonstrates its ability to schedule multiple loads, complying with the numbers expected to be found in households and even numbers that may correspond to a specific division of an industry, assuming that each load evaluated can be an industrial process.
[0089] Por lo tanto, la solución propuesta permite tanto el control distribuido de diferentes cargas flexibles con las que la unidad de agregación disponga de contratos, las que pueden ser usadas para diferentes servicios: Therefore, the proposed solution allows both the distributed control of different flexible loads with which the aggregation unit has contracts, which can be used for different services:
Coordinación de la generación con la demanda. Coordination of generation with demand.
Regulación de frecuencia. Frequency regulation.
Servicios complementarios. Complementary services.
Gestión y monitoreo tanto local como distribuida de la demanda Management and monitoring both local and distributed of demand
Supervisión e implementación de contratos de adquisición y consumo de energía entre generadores y clientes libres. Supervision and implementation of energy purchase and consumption contracts between generators and free customers.
Cumplimiento de restricciones dadas tanto por contratos como por la operación técnica de la red eléctrica. Compliance with restrictions given both by contracts and by the technical operation of the electrical network.
Monitoreo de la energía. Energy monitoring.
[0090] Ante la amplia gama de servicios que teóricamente el sistema de agregación de demanda puede ofrecer, la implementación de cada una de ellas solo depende de los modelos de control y optimización a ser implementados tanto en la unidad de agregación de demanda como en la unidad local de coordinación. Por ejemplo, es posible implementar un sistema de respuesta de frecuencia primaria o secundaria por medio del establecimiento de una lista de mérito de cargas disponibles según lo notificado por la unidad local de coordinación a la unidad de agregación, mientras que esta última solo indica finalmente el descenso en la demanda que se espera de cada cliente. Por ello, el peso de los diferentes sistemas de control entrega las diferentes oportunidades de servicios y negocios en base a la flexibilidad latente de la red. [0091] Un servicio indirecto de la unidad de agregación de demanda es la determinación de fallos en las redes de distribución eléctrica, por medio del análisis de la perdida de comunicación con diferentes unidades locales de coordinación con los que el sistema tenga contrato. O que las mismas unidades locales de coordinación entreguen una notificación de la caída del consumo eléctrico en el caso de que dispongan de un sistema de alimentación independiente de la red. Con ello, agiliza el trabajo de reposición de servicio de la red a los distribuidores. [0090] Given the wide range of services that the demand aggregation system can theoretically offer, the implementation of each one of them only depends on the control and optimization models to be implemented both in the demand aggregation unit and in the local coordination unit. For example, it is possible to implement a primary or secondary frequency response system by establishing a merit list of available loads as notified by the local coordinating unit to the aggregation unit, while the latter only finally indicates the decrease in demand that is expected from each client. Therefore, the weight of the different control systems provides the different service and business opportunities based on the latent flexibility of the network. [0091] An indirect service of the demand aggregation unit is the determination of failures in the electrical distribution networks, by means of the analysis of the loss of communication with different local coordination units with which the system has a contract. Or that the same local coordination units deliver a notification of the drop in electricity consumption in the event that they have a power supply system independent of the network. With this, it speeds up the work of restoring the network service to the distributors.
[0092] Una modificación importante en la operación del sistema de la unidad de agregación puede ser la posibilidad de ofrecer diferentes tipos de contratos de energía acorde a un modelamiento de la flexibilidad de cada uno de los clientes. De esta manera, la unidad de agregación puede entregar diferentes condiciones de operación y gestión de la energía que se adapten de mejor manera tanto a las necesidades del cliente a la vez que busca disminuir los costos totales del servicio. [0092] An important modification in the operation of the system of the aggregation unit may be the possibility of offering different types of energy contracts according to a modeling of the flexibility of each one of the clients. In this way, the aggregation unit can deliver different operating and energy management conditions that are better adapted to both the customer's needs while seeking to reduce the total costs of the service.
[0093] Una nueva variación del servicio es la predicción de la demanda en base al estudio y los modelos desarrollados para comprender el comportamiento de los diferentes agentes del mercado. De esta manera, la unidad de agregación puede determinar previamente posibles peaks de demanda o requerimientos de flexibilidad y adaptar su operación para realizar ofertas de regulación. [0093] A new variation of the service is the prediction of demand based on the study and the models developed to understand the behavior of the different market agents. In this way, the aggregation unit can previously determine possible demand peaks or flexibility requirements and adapt its operation to carry out regulation offers.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos, CARACTERIZADO porque comprende: una o más unidades de agregación de demanda dispuestas en comunicación con una red eléctrica de un sistema eléctrico, en donde cada unidad de agregación de demanda comprende al menos un servidor central, y en donde cada unidad de agregación de demanda tiene asociada una cantidad de energía disponible para su consumo por parte de usuarios del sistema eléctrico; una o más pluralidades de unidades locales de coordinación, en donde cada pluralidad de unidades locales de coordinación está dispuesta en comunicación con al menos una unidad de agregación de demanda correspondiente, y en donde cada unidad local de coordinación comprende al menos un servidor local; una o más pluralidades de nodos terminales, en donde cada pluralidad de nodos terminales está dispuesta en comunicación con al menos una unidad local de coordinación correspondiente, en donde cada nodo terminal tiene la capacidad de monitorear y/o controlar la operación de cargas eléctricas conectadas al mismo; una o más cargas eléctricas controlables o flexibles, en donde cada carga eléctrica controlable está dispuesta en comunicación con al menos un nodo terminal correspondiente, y en donde cada carga eléctrica controlable tiene asociada información sobre su flexibilidad de demanda; y una o más cargas eléctricas no-controlables, en donde cada carga eléctrica no-controlable está dispuesta en comunicación con al menos un nodo terminal correspondiente; en donde, mediante el monitoreo de las cargas eléctricas por parte de cada nodo terminal, cada unidad local de coordinación está configurada para: recopilar información de las cargas eléctricas controlables para cuantificar la demanda de energía de las cargas eléctricas controlables; y recopilar información de las cargas eléctricas no -controlables para modelar la demanda de energía de las cargas eléctricas no-controlables; en donde, mediante el modelamiento de la demanda de energía de las cargas eléctricas, cada unidad local de coordinación está configurada para generar información del requerimiento energético de las cargas eléctricas, en donde dicha información del requerimiento energético comprende: información de las cargas eléctricas controlables disponibles; información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables por unidad de tiempo, dicha información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables comprendiendo datos de consumo del día anterior y/o datos de predicción de la demanda no-controlable, correspondientes a la operación de las cargas eléctricas no-controlables durante un período de tiempo de predicción; un valor de la energía total requerida por las cargas eléctricas controlables durante un período de tiempo predeterminado; la potencia máxima de consumo factible de las cargas eléctricas controlables por unidad de tiempo durante un período de tiempo predeterminado; e información de cargas eléctricas específicas; en donde cada unidad de agregación de demanda está configurada para: recibir la información del requerimiento energético desde cada unidad local de coordinación; en base a la información del requerimiento energético, generar una banda de trayectorias de demanda para un primer período de tiempo de operación, para cada unidad local de coordinación, en donde la banda de trayectorias de demanda generada por cada unidad de agregación de demanda comprende una trayectoria de demanda mínima y una trayectoria de demanda máxima para un periodo de tiempo de operación, en donde dichas trayectorias de demanda mínima y máxima definen una banda de demanda para cada unidad local de coordinación; y enviar dicha banda de trayectorias de demanda a cada unidad local de coordinación, en donde dicha banda de trayectorias de demanda es capaz de cumplir con el requerimiento energético de las cargas eléctricas y, simultáneamente, minimizar desviaciones de la demanda de energía respecto a la cantidad energía disponible para cada unidad de agregación de demanda; en donde cada unidad local de coordinación está configurada para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, ajustando el consumo de energía de dichas cargas eléctricas controlables a la banda de trayectorias de demanda recibida; en donde cada unidad local de coordinación está configurada para calcular información de desviación de la demanda de energía respecto a la banda de trayectorias de demanda recibida y para enviar dicha información de desviación de la demanda a la unidad de agregación de demanda correspondiente, tanto durante el agendamiento de la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles como durante el monitoreo de la operación de las cargas eléctricas agendadas; y en donde, en base a dicha información de desviación de la demanda recibida desde cada unidad local de coordinación, cada unidad de agregación de demanda está configurada para: analizar la información de desviación de la demanda de la pluralidad de unidades locales de coordinación correspondiente; evaluar si la cantidad de energía disponible es suficiente para satisfacer la demanda de energía; y en base a dicha evaluación, cada unidad de agregación de demanda está configurada para uno o más de: o determinar la necesidad de disponer de energía adicional desde la red eléctrica, o determinar la opcionalidad de entregar energía adicional hacia la red eléctrica, y o generar una nueva banda de trayectorias de demanda para un segundo período de tiempo de operación siguiente al primer período de tiempo de operación, para una o más de las unidades locales de coordinación correspondientes a determinar en base a la información del requerimiento energético. 1. An energy demand management and control system in electrical systems, CHARACTERIZED because it comprises: one or more demand aggregation units arranged in communication with an electrical network of an electrical system, where each demand aggregation unit comprises at least a central server, and where each demand aggregation unit has associated an amount of energy available for consumption by users of the electrical system; one or more pluralities of local coordination units, wherein each plurality of local coordination units is arranged in communication with at least one corresponding demand aggregation unit, and wherein each local coordination unit comprises at least one local server; one or more pluralities of terminal nodes, wherein each plurality of terminal nodes is arranged in communication with at least one corresponding local coordination unit, wherein each terminal node has the ability to monitor and / or control the operation of electrical loads connected to the same; one or more controllable or flexible electrical loads, wherein each controllable electrical load is arranged in communication with at least one corresponding terminal node, and wherein each controllable electrical load has associated information on its demand flexibility; and one or more non-controllable electrical loads, wherein each non-controllable electrical load is arranged in communication with at least one corresponding terminal node; where, by monitoring the electrical loads by each terminal node, each local coordination unit is configured to: collect information from the controllable electrical loads to quantify the energy demand of the controllable electrical loads; and collect information on non-controllable electrical loads to model the energy demand of non-controllable electrical loads; where, by modeling the energy demand of the electrical loads, each local coordination unit is configured to generate information on the energy requirement of the electrical loads, where said information on the energy requirement includes: information on the available controllable electrical loads ; information on the consumption of non-controllable electrical loads per unit of time, said information on the consumption of non-controllable electrical loads, comprising consumption data from the previous day and / or prediction data for non-controllable demand, corresponding to the operation of non-controllable electrical loads during a prediction period of time; a value of the total energy required by the controllable electrical loads during a predetermined period of time; the maximum feasible power consumption of the controllable electrical loads per unit of time during a predetermined period of time; and information on specific electrical loads; where each demand aggregation unit is configured to: receive the energy requirement information from each local coordination unit; Based on the information on the energy requirement, generate a band of demand trajectories for a first period of time of operation, for each local coordination unit, where the band of demand trajectories generated by each demand aggregation unit comprises a minimum demand trajectory and a maximum demand trajectory for a period of time of operation, wherein said minimum and maximum demand trajectories define a demand band for each local coordination unit; and send said band of demand trajectories to each local coordination unit, where said band of demand trajectories is capable of meeting the energy requirement of the electrical loads and, simultaneously, minimizing deviations of the energy demand with respect to the quantity energy available for each unit of demand aggregation; wherein each local coordination unit is configured to schedule the operation of the available controllable electrical loads, adjusting the energy consumption of said controllable electrical loads to the band of received demand trajectories; where each local coordination unit is configured to calculate energy demand deviation information with respect to the received demand path band and to send said demand deviation information to the corresponding demand aggregation unit, both during the scheduling of the operation of the available controllable electrical loads as during the monitoring of the operation of scheduled electrical loads; and wherein, based on said demand deviation information received from each local coordination unit, each demand aggregation unit is configured to: analyze demand deviation information from the plurality of corresponding local coordination units; assess whether the amount of available energy is sufficient to meet the energy demand; and based on said evaluation, each demand aggregation unit is configured for one or more of: o determine the need to have additional energy from the electrical network, or determine the option of delivering additional energy to the electrical network, and / or generate a new band of demand paths for a second period of time of operation following the first period of time of operation, for one or more of the corresponding local coordination units to be determined based on the information on the energy requirement.
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque cada unidad de agregación de demanda, en base a la información del requerimiento energético y en base a la información de desviación de la demanda recibida desde cada unidad local de coordinación, está configurada para identificar la flexibilidad de demanda latente de cada unidad local de coordinación. 2. The system according to claim 1, CHARACTERIZED in that each demand aggregation unit, based on the energy requirement information and based on the demand deviation information received from each local coordination unit, is configured to identify the latent demand flexibility of each local coordination unit.
3. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, CARACTERIZADO porque dos o más unidades locales de coordinación de la una o más pluralidades de unidades locales de coordinación se agrupan según el comportamiento de la demanda de energía de las cargas eléctricas asociadas, en donde la agrupación de dichas dos o más unidades locales de coordinación es considerada de forma independiente por la unidad de agregación de demanda correspondiente. 3. The system according to any one of claims 1-2, CHARACTERIZED in that two or more local coordination units of the one or more pluralities of local coordination units are grouped according to the behavior of the energy demand of the electrical loads associated, where the grouping of said two or more local coordination units is considered independently by the corresponding demand aggregation unit.
4. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, CARACTERIZADO porque cada unidad de agregación de demanda además está configurada para, en base a dicha información del requerimiento energético, caracterizar la demanda de energía de la pluralidad de unidades locales de coordinación correspondiente, en donde dicha caracterización de la demanda de energía es de forma agregada y se denomina información de demanda agregada. 4. The system according to any one of claims 1-3, CHARACTERIZED in that each demand aggregation unit is further configured to, based on said energy requirement information, characterize the energy demand of the plurality of local units of corresponding coordination, where said characterization of energy demand is in an aggregate form and is called aggregate demand information.
5. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, CARACTERIZADO porque cada unidad local de coordinación está además configurada para: minimizar las desviaciones de la demanda de energía respecto de la banda de trayectorias de demanda recibida desde la unidad de agregación de demanda correspondiente; y en caso de existir desviaciones de la demanda, comunicarlas a la unidad de agregación de demanda correspondiente. 5. The system according to any one of claims 1-4, CHARACTERIZED in that each local coordination unit is further configured to: minimize deviations of the energy demand with respect to the band of demand trajectories received from the aggregation unit corresponding demand; and in case of demand deviations, communicate them to the corresponding demand aggregation unit.
6. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, CARACTERIZADO porque la información de las cargas eléctricas controlables, recopilada por cada unidad local de coordinación, comprende uno o una combinación de dos o más de: cantidad de cargas controlables; tiempo total de operación de cada carga eléctrica durante 24 horas; información sobre el tipo de carga controlable, por ejemplo, si la carga eléctrica es interrumpible o ininterrumpible; ventana de disponibilidad de cada carga eléctrica; consumo estimado de cada carga eléctrica cada 1 hora; y consumo estimado de cada carga eléctrica durante 24 horas. 6. The system according to any one of claims 1-5, CHARACTERIZED in that the information on the controllable electrical loads, collected by each local coordination unit, comprises one or a combination of two or more of: quantity of controllable loads; total operating time of each electrical load for 24 hours; information on the type of controllable load, for example, whether the electrical load is interruptible or uninterruptible; window of availability of each electrical load; estimated consumption of each electrical load every 1 hour; and estimated consumption of each electrical load during 24 hours.
7. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, CARACTERIZADO porque, cuando al menos una carga eléctrica controlable es térmica, la información de las cargas eléctricas controlables, recopilada por cada unidad local de coordinación, comprende uno o una combinación de dos o más de: temperatura media de operación de la carga eléctrica; intervalo de temperatura aceptable de un recinto donde opera la carga eléctrica; temperatura objetivo del recinto para un período de tiempo determinado; y ventana de no-disponibilidad. The system according to any one of claims 1-6, CHARACTERIZED in that, when at least one controllable electrical load is thermal, the information of the controllable electrical loads, collected by each local coordination unit, comprises one or a combination two or more of: average operating temperature of the electrical load; acceptable temperature range of an enclosure where the electrical load operates; target room temperature for a given period of time; and window of unavailability.
8. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, CARACTERIZADO porque, para generar la información del requerimiento energético de las cargas eléctricas, cada unidad local de coordinación está configurada para recopilar información histórica de consumo. 8. The system according to any one of claims 1-7, CHARACTERIZED in that, to generate the information on the energy requirement of the electrical loads, each local coordination unit is configured to collect historical consumption information.
9. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, CARACTERIZADO porque, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación combina la banda de trayectorias de demanda recibida con uno o más de: una predicción de la temperatura ambiente durante el período de tiempo de predicción, en caso de existir cargas eléctricas térmicas asociadas; información de propiedades térmicas de un recinto, en caso de existir cargas eléctricas térmicas asociadas; y la información del requerimiento energético de las cargas eléctricas. 9. The system according to any one of claims 1-8, CHARACTERIZED in that, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit combines the band of received demand paths with one or more of: a prediction of the ambient temperature during the prediction time period, in case of associated thermal electrical loads; information on the thermal properties of an enclosure, in the event of associated thermal electrical loads; and information on the energy requirement of electrical loads.
10. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, CARACTERIZADO porque, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación está configurada para, en base a la banda de trayectorias de demanda recibida, determinar puntos de operación por unidad de tiempo para cada una de las cargas eléctricas controlables, durante un primer período de tiempo de agendamiento. 10. The system according to any one of claims 1-9, CHARACTERIZED in that, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit is configured to, based on the received demand path band, determine operating points per unit of time for each of the controllable electrical loads, during a first scheduling period of time.
11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10, CARACTERIZADO porque los puntos de operación se determinan por hora, porque el primer período de tiempo de agendamiento corresponde a las próximas 24 horas, y porque la determinación de los puntos de operación además contempla información meteoróloga para ducho período de tiempo de agendamiento. 11. The system according to claim 10, CHARACTERIZED in that the operating points are determined per hour, because the first scheduling period of time corresponds to the next 24 hours, and because the determination of the points of operation also includes meteorological information for this scheduling period of time.
12. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10-11, CARACTERIZADO porque, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación además está configurada para evaluar la demanda de energía total del agendamiento durante un segundo período de tiempo de agendamiento de menor duración al primer periodo de tiempo de agendamiento, recalculando la demanda de energía y actualizando el agendamiento de las cargas eléctricas controlables. 12. The system according to any one of claims 10-11, CHARACTERIZED in that, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit is also configured to evaluate the total energy demand of the schedule for one second scheduling time period shorter than the first scheduling time period, recalculating the energy demand and updating the scheduling of the controllable electrical loads.
13. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, CARACTERIZADO porque cada unidad local de coordinación está configurada para: comunicar la información de las cargas eléctricas controlables disponibles a la unidad de agregación de demanda correspondiente, en donde dicha comunicación se ejecuta cada vez que se detecta un cambio en las cargas eléctricas controlables conectadas al al menos un nodo terminal correspondiente; comunicar la información del consumo de las cargas eléctricas no -controlables a la unidad de agregación de demanda correspondiente cada 1 hora, dicha información del consumo comprendiendo datos de predicción de la demanda no-controlable que a su vez comprenden una trayectoria de la demanda no-controlable durante las próximas 24 horas, con resolución horaria; comunicar, al menos una vez cada 24 horas, el valor de la energía total requerida por las cargas eléctricas controlables durante las próximas 24 horas; comunicar, al menos una vez cada 24 horas, la potencia máxima de consumo factible de las cargas eléctricas controlables, dicha potencia máxima de consumo factible comprendiendo una trayectoria de la potencia máxima de consumo factible durante las próximas 24 horas, con resolución horaria; cada vez que se recibe una banda de trayectorias de demanda desde la unidad de agregación de demanda correspondiente, adquirir una predicción de temperatura ambiente y radiación solar global durante las próximas 24 horas, con resolución horaria, desde un servidor meteorológico en una red de internet o desde la unidad de agregación de demanda correspondiente; y agendar la operación de las cargas eléctricas controlables cada vez que se recibe una banda de trayectorias de demanda desde la unidad de agregación de demanda correspondiente. The system according to any one of claims 1-12, CHARACTERIZED in that each local coordination unit is configured to: communicate the information of the available controllable electrical loads to the corresponding demand aggregation unit, wherein said communication is executes each time a change is detected in the controllable electrical loads connected to the at least one corresponding terminal node; communicate the information on the consumption of the non-controllable electrical loads to the corresponding demand aggregation unit every 1 hour, said consumption information comprising prediction data of the non-controllable demand which in turn comprise a path of the non-controllable demand. controllable for the next 24 hours, with hourly resolution; communicate, at least once every 24 hours, the value of the total energy required by the controllable electrical loads during the next 24 hours; communicating, at least once every 24 hours, the maximum feasible consumption power of the controllable electrical loads, said maximum feasible consumption power comprising a path of the maximum feasible consumption power during the next 24 hours, with hourly resolution; each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit, acquire a prediction of ambient temperature and global solar radiation for the next 24 hours, with hourly resolution, from a meteorological server on an internet network or from the corresponding demand aggregation unit; and scheduling the operation of the controllable electrical loads each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit.
14. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-13, CARACTERIZADO porque las trayectorias de demanda mínima y máxima generadas por cada unidad de agregación de demanda son para un periodo de tiempo de operación correspondiente a las próximas 24 horas, en donde la banda de trayectorias de demanda es generada al menos una vez cada 24 horas, de preferencia cada 1 o 6 horas, y en donde las desviaciones de la demanda ocurren cuando la demanda de energía se encuentra fuera de la banda de demanda. 14. The system according to any one of claims 1-13, CHARACTERIZED in that the minimum and maximum demand trajectories generated by each aggregation unit of demand are for a period of time of operation corresponding to the next 24 hours, where the band of demand trajectories is generated at least once every 24 hours, preferably every 1 or 6 hours, and where demand deviations They occur when the demand for energy is outside the demand band.
15. Un método de control y gestión de demanda energética en sistemas eléctricos, implementado en un sistema de control y gestión de demanda energética que comprende: una o más unidades de agregación de demanda dispuestas en comunicación con una red eléctrica de un sistema eléctrico, en donde cada unidad de agregación de demanda comprende al menos un servidor central, y en donde cada unidad de agregación de demanda tiene asociada una cantidad de energía disponible para su consumo por parte de usuarios del sistema eléctrico; una o más pluralidades de unidades locales de coordinación, en donde cada pluralidad de unidades locales de coordinación está dispuesta en comunicación con al menos una unidad de agregación de demanda correspondiente, y en donde cada unidad local de coordinación comprende al menos un servidor local; una o más pluralidades de nodos terminales, en donde cada pluralidad de nodos terminales está dispuesta en comunicación con al menos una unidad local de coordinación correspondiente, en donde cada nodo terminal tiene la capacidad de monitorear y/o controlar la operación de cargas eléctricas conectadas al mismo; una o más cargas eléctricas controlables o flexibles, en donde cada carga eléctrica controlable está dispuesta en comunicación con al menos un nodo terminal correspondiente; y una o más cargas eléctricas no-controlables, en donde cada carga eléctrica no-controlable está dispuesta en comunicación con al menos un nodo terminal correspondiente, y en donde cada carga eléctrica controlable tiene asociada información sobre su flexibilidad de demanda; el método CARACTERIZADO porque comprende: a) monitorear las cargas eléctricas por parte de cada nodo terminal de manera que cada unidad local de coordinación: i. recopila información de las cargas eléctricas controlables para modelar la demanda de energía de las cargas eléctricas controlables; ii. recopila información de las cargas eléctricas no-controlables para modelar la demanda de energía de las cargas eléctricas no-controlables; b) generar, por parte de cada unidad local de coordinación y mediante el modelamiento de la demanda de energía de las cargas eléctricas, información del requerimiento energético de las cargas eléctricas, en donde dicha información del requerimiento energético comprende: i. información de las cargas eléctricas controlables disponibles; ii. información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables por unidad de tiempo, dicha información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables comprendiendo datos de consumo del día anterior y/o datos de predicción de la demanda no-controlable, correspondientes a la operación de las cargas eléctricas no- controlables durante un período de tiempo de predicción; iii. un valor de la energía total requerida por las cargas eléctricas controlables durante un período de tiempo predeterminado; iv. la potencia máxima de consumo factible de las cargas eléctricas controlables por unidad de tiempo durante un período de tiempo predeterminado; e v. información de cargas eléctricas específicas; c) recibir, por parte de cada unidad de agregación de demanda, la información del requerimiento energético desde cada unidad local de coordinación; d) generar, por parte de cada unidad de agregación de demanda y en base a la información del requerimiento energético, una banda de trayectorias de demanda para un primer período de tiempo de operación, para cada unidad local de coordinación, en donde la banda de trayectorias de demanda generada por cada unidad de agregación de demanda comprende una trayectoria de demanda mínima y una trayectoria de demanda máxima para un periodo de tiempo de operación, en donde dichas trayectorias de demanda mínima y máxima definen una banda de demanda para cada unidad local de coordinación; e) enviar, por parte de cada unidad de agregación de demanda, dicha banda de trayectorias de demanda a cada unidad local de coordinación, en donde dicha banda de trayectorias de demanda es capaz de cumplir con el requerimiento energético de las cargas eléctricas y, simultáneamente, minimizar desviaciones de la demanda de energía respecto a la cantidad energía disponible para cada unidad de agregación de demanda; f) agendar, por parte de cada unidad local de coordinación, la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, ajustando el consumo de energía de dichas cargas eléctricas controlables a la banda de trayectorias de demanda recibida, en donde para el agendamiento de la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles cada unidad local de coordinación: i. calcula información de desviación de la demanda de energía respecto a la banda de trayectorias de demanda recibida; y ii. envía dicha información de desviación de la demanda a la unidad de agregación de demanda correspondiente, tanto durante el agendamiento de la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles como durante el monitoreo de la operación de las cargas eléctricas agendadas; y g) en base a dicha información de desviación de la demanda recibida desde cada unidad local de coordinación, el método además comprende que cada unidad de agregación de demanda: i. analice la información de desviación de la demanda de la pluralidad de unidades locales de coordinación correspondiente; ii. evalúe si la cantidad de energía disponible es suficiente para satisfacer la demanda de energía; y iii. en base a dicha evaluación: determine la necesidad de disponer de energía adicional desde la red eléctrica, determine la opcionalidad de entregar energía adicional hacia la red eléctrica, y genere una nueva banda de trayectorias de demanda para un segundo período de tiempo de operación siguiente al primer período de tiempo de operación, para una o más de las unidades locales de coordinación correspondientes a determinar en base a la información del requerimiento energético. 15. A method of control and management of energy demand in electrical systems, implemented in an energy demand control and management system that comprises: one or more demand aggregation units arranged in communication with an electrical network of an electrical system, in where each demand aggregation unit comprises at least one central server, and where each demand aggregation unit has associated an amount of energy available for consumption by users of the electrical system; one or more pluralities of local coordination units, wherein each plurality of local coordination units is arranged in communication with at least one corresponding demand aggregation unit, and wherein each local coordination unit comprises at least one local server; one or more pluralities of terminal nodes, wherein each plurality of terminal nodes is arranged in communication with at least one corresponding local coordination unit, wherein each terminal node has the ability to monitor and / or control the operation of electrical loads connected to the same; one or more controllable or flexible electrical loads, wherein each controllable electrical load is arranged in communication with at least one corresponding terminal node; and one or more non-controllable electrical loads, wherein each non-controllable electrical load is arranged in communication with at least one corresponding terminal node, and wherein each controllable electrical load has associated information on its demand flexibility; The method CHARACTERIZED because it comprises: a) monitoring the electrical charges by each terminal node so that each local coordination unit: i. collects information from controllable electrical loads to model the power demand of controllable electrical loads; ii. collects information from non-controllable electrical loads to model the energy demand of non-controllable electrical loads; b) generate, by each local coordination unit and by modeling the energy demand of electrical loads, information on the energy requirement of electrical loads, where such information on the energy requirement includes: i. information on available controllable electrical loads; ii. information on the consumption of non-controllable electrical loads per unit of time, said information on the consumption of non-controllable electrical loads, comprising consumption data from the previous day and / or prediction data for non-controllable demand, corresponding to the operation of non-controllable electrical charges during a prediction time period; iii. a value of the total energy required by the controllable electrical loads during a predetermined period of time; iv. the maximum feasible power consumption of the controllable electrical loads per unit of time during a predetermined period of time; e v. information on specific electrical loads; c) receive, by each demand aggregation unit, the information on the energy requirement from each local coordination unit; d) generate, by each unit of demand aggregation and based on the information of the energy requirement, a band of demand trajectories for a first period of time of operation, for each local coordination unit, where the band of demand trajectories generated by each demand aggregation unit comprises a minimum demand trajectory and a maximum demand trajectory for a period of time of operation, where said minimum and maximum demand trajectories define a demand band for each local unit of coordination; e) send, by each demand aggregation unit, said demand trajectory band to each local coordination unit, where said demand trajectory band is capable of meeting the energy requirement of the electrical loads and, simultaneously , minimize deviations of energy demand with respect to the amount of energy available for each unit of demand aggregation; f) Schedule, by each local coordination unit, the operation of the available controllable electrical loads, adjusting the energy consumption of said controllable electrical loads to the band of received demand trajectories, where for the programming of the operation of the controllable electrical loads available each local coordinating unit: i. calculates energy demand deviation information from the received demand path band; and ii. sends said demand deviation information to the corresponding demand aggregation unit, both during the scheduling of the operation of the available controllable electrical loads and during the monitoring of the operation of the scheduled electrical loads; and g) based on said demand deviation information received from each local coordination unit, the method further comprises that each demand aggregation unit: i. analyze the demand deviation information from the plurality of corresponding local coordination units; ii. assess whether the amount of available energy is sufficient to meet the energy demand; and iii. Based on this evaluation: determine the need to have additional energy from the electricity grid, determine the optionality of delivering additional energy to the electricity grid, and generate a new band of demand trajectories for a second period of time of operation following the first period of time of operation, for one or more of the corresponding local coordination units to be determined based on the information on the energy requirement.
16. El método de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque además comprende identificar, por parte de cada unidad de agregación de demanda, en base a la información del requerimiento energético y en base a la información de desviación de la demanda recibida desde cada unidad local de coordinación, la flexibilidad de demanda latente de cada unidad local de coordinación. 16. The method according to claim 15, CHARACTERIZED in that it further comprises identifying, by each unit of demand aggregation, based on the information of the energy requirement and based on the information on the deviation of the demand received from each unit local coordination unit, the latent demand flexibility of each local coordination unit.
17. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-16,17. The method according to any one of claims 15-16,
CARACTERIZADO porque comprende agrupar dos o más unidades locales de coordinación de la una o más pluralidades de unidades locales de coordinación según el comportamiento de la demanda de energía de las cargas eléctricas asociadas, en donde la agrupación de dichas dos o más unidades locales de coordinación es considerada de forma independiente por la unidad de agregación de demanda correspondiente. CHARACTERIZED because it comprises grouping two or more local coordination units of the one or more pluralities of local coordination units according to the behavior of the energy demand of the associated electrical loads, where the grouping of said two or more local coordination units is considered independently by the corresponding demand aggregation unit.
18. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-17,18. The method according to any one of claims 15-17,
CARACTERIZADO porque comprende caracterizar, por parte de cada unidad de agregación de demanda y en base a dicha información del requerimiento energético, la demanda de energía de la pluralidad de unidades locales de coordinación correspondiente, en donde dicha caracterización de la demanda de energía es de forma agregada y se denomina información de demanda agregada. CHARACTERIZED because it comprises characterizing, by each demand aggregation unit and based on said information on the energy requirement, the energy demand of the plurality of corresponding local coordination units, wherein said characterization of the energy demand is in the form aggregate and is called aggregate demand information.
19. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-18,19. The method according to any one of claims 15-18,
CARACTERIZADO porque además comprende, por parte de cada unidad local de coordinación: CHARACTERIZED because it also comprises, on the part of each local coordination unit:
Minimizar las desviaciones de la demanda de energía respecto de la banda de trayectorias de demanda recibida desde la unidad de agregación de demanda correspondiente; y en caso de existir desviaciones de la demanda, comunica dichas desviaciones de la demanda a la unidad de agregación de demanda correspondiente. Minimize the deviations of the energy demand with respect to the band of demand trajectories received from the corresponding demand aggregation unit; and in the event of demand deviations, report said demand deviations to the corresponding demand aggregation unit.
20. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-19, CARACTERIZADO porque la información de las cargas eléctricas controlables, recopilada por cada unidad local de coordinación, comprende uno o una combinación de dos o más de: cantidad de cargas controlables; tiempo total de operación de cada carga eléctrica durante 24 horas; información sobre el tipo de carga controlable, por ejemplo, si la carga eléctrica es interrumpible o ininterrumpible; ventana de disponibilidad de cada carga eléctrica; consumo estimado de cada carga eléctrica cada 1 hora; y consumo estimado de cada carga eléctrica durante 24 horas. 20. The method according to any one of claims 15-19, CHARACTERIZED in that the information on the controllable electrical loads, collected by each local coordination unit, comprises one or a combination of two or more of: quantity of controllable loads; total operating time of each electrical load for 24 hours; information on the type of controllable load, for example, whether the electrical load is interruptible or uninterruptible; window of availability of each electrical load; estimated consumption of each electrical load every 1 hour; and estimated consumption of each electrical load during 24 hours.
21. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-20,21. The method according to any one of claims 15-20,
CARACTERIZADO porque, cuando al menos una carga eléctrica controlable es térmica, la información de las cargas eléctricas controlables, recopilada por cada unidad local de coordinación, comprende uno o una combinación de dos o más de: temperatura media de operación de la carga eléctrica; intervalo de temperatura aceptable de un recinto donde opera la carga eléctrica; temperatura objetivo del recinto para un período de tiempo determinado; y ventana de no-disponibilidad. CHARACTERIZED in that, when at least one controllable electrical load is thermal, the information on the controllable electrical loads, collected by each local coordination unit, comprises one or a combination of two or more of: average operating temperature of the electrical load; acceptable temperature range of an enclosure where the electrical load operates; target room temperature for a given period of time; and window of unavailability.
22. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-21,22. The method according to any one of claims 15-21,
CARACTERIZADO porque, para generar la información del requerimiento energético de las cargas eléctricas, cada unidad local de coordinación recopila información histórica de consumo. CHARACTERIZED because, to generate information on the energy requirement of electrical loads, each local coordination unit collects historical consumption information.
23. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-22,23. The method according to any one of claims 15-22,
CARACTERIZADO porque, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación combina la banda de trayectorias de demanda recibida con uno o más de: una predicción de la temperatura ambiente durante el período de tiempo de predicción, en caso de existir cargas eléctricas térmicas asociadas; información de propiedades térmicas de un recinto, en caso de existir cargas eléctricas térmicas asociadas; y la información del requerimiento energético de las cargas eléctricas. CHARACTERIZED because, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit combines the band of demand trajectories received with one or more of: a prediction of the ambient temperature during the prediction time period, in case of there are associated thermal electrical charges; information on the thermal properties of an enclosure, in the event of associated thermal electrical loads; and information on the energy requirement of electrical loads.
24. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-23, CARACTERIZADO porque, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación, en base a la banda de trayectorias de demanda recibida, determina puntos de operación por unidad de tiempo para cada una de las cargas eléctricas controlables, durante un primer período de tiempo de agendamiento. 24. The method according to any one of claims 15-23, CHARACTERIZED in that, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit, based on the received demand trajectory band, determines points of operation per unit of time for each of the controllable electrical loads, during a first scheduling period of time.
25. El método de acuerdo con la reivindicación 24, CARACTERIZADO porque los puntos de operación se determinan por hora, porque el primer período de tiempo de agendamiento corresponde a las próximas 24 horas, y porque la determinación de los puntos de operación además contempla información meteoróloga para ducho período de tiempo de agendamiento. 25. The method according to claim 24, CHARACTERIZED in that the operating points are determined per hour, because the first scheduling period of time corresponds to the next 24 hours, and because the determination of the operating points also includes meteorological information. for this scheduling period of time.
26. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 24-25,26. The method according to any one of claims 24-25,
CARACTERIZADO porque, para agendar la operación de las cargas eléctricas controlables disponibles, cada unidad local de coordinación además evalúa la demanda de energía total del agendamiento durante un segundo período de tiempo de agendamiento de menor duración al primer periodo de tiempo de agendamiento, recalculando la demanda de energía y actualizando el agendamiento de las cargas eléctricas controlables. CHARACTERIZED because, to schedule the operation of the available controllable electrical loads, each local coordination unit also evaluates the total energy demand of the scheduling during a second scheduling period of less duration than the first scheduling period of time, recalculating the demand of energy and updating the programming of the controllable electrical loads.
27. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-26,27. The method according to any one of claims 15-26,
CARACTERIZADO porque además comprende, por parte de cada unidad local de coordinación: comunicar la información de las cargas eléctricas controlables disponibles a la unidad de agregación de demanda correspondiente, en donde dicha comunicación se ejecuta cada vez que se detecta un cambio en las cargas eléctricas controlables conectadas al al menos un nodo terminal correspondiente; comunicar la información del consumo de las cargas eléctricas no-controlables a la unidad de agregación de demanda correspondiente cada 1 hora, dicha información del consumo comprendiendo datos de predicción de la demanda no-controlable que a su vez comprenden una trayectoria de la demanda no-controlable durante las próximas 24 horas, con resolución horaria; comunicar, al menos una vez cada 24 horas, el valor de la energía total requerida por las cargas eléctricas controlables durante las próximas 24 horas; comunicar, al menos una vez cada 24 horas, la potencia máxima de consumo factible de las cargas eléctricas controlables, dicha potencia máxima de consumo factible comprendiendo una trayectoria de la potencia máxima de consumo factible durante las próximas 24 horas, con resolución horaria; cada vez que se recibe una banda de trayectorias de demanda desde la unidad de agregación de demanda correspondiente, adquirir una predicción de temperatura ambiente y radiación solar global durante las próximas 24 horas, con resolución horaria, desde un servidor meteorológico en una red de internet o desde la unidad de agregación de demanda correspondiente; y agendar la operación de las cargas eléctricas controlables cada vez que se recibe una banda de trayectorias de demanda desde la unidad de agregación de demanda correspondiente. CHARACTERIZED because it also comprises, by each local coordination unit: communicating the information of the available controllable electrical loads to the corresponding demand aggregation unit, where said communication is executed every time a change in the controllable electrical loads is detected connected to the at least one corresponding terminal node; communicate the information on the consumption of the non-controllable electrical loads to the corresponding demand aggregation unit every 1 hour, said consumption information comprising prediction data of the non-controllable demand which in turn comprise a path of the non-controllable demand. controllable for the next 24 hours, with hourly resolution; communicate, at least once every 24 hours, the value of the total energy required by the controllable electrical loads during the next 24 hours; communicating, at least once every 24 hours, the maximum feasible consumption power of the controllable electrical loads, said maximum feasible consumption power comprising a path of the maximum feasible consumption power during the next 24 hours, with hourly resolution; each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit, acquire a prediction of ambient temperature and global solar radiation for the next 24 hours, with hourly resolution, from a meteorological server on an internet network or from the corresponding demand aggregation unit; and scheduling the operation of the controllable electrical loads each time a band of demand trajectories is received from the corresponding demand aggregation unit.
28. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15-27, CARACTERIZADO porque las trayectorias de demanda mínima y máxima generadas por cada unidad de agregación de demanda son para un periodo de tiempo de operación correspondiente a las próximas 24 horas, en donde la banda de trayectorias de demanda es generada al menos una vez cada 24 horas, de preferencia cada 1 o 6 horas, y en donde las desviaciones de la demanda ocurren cuando la demanda de energía se encuentra fuera de la banda de demanda. 28. The method according to any one of claims 15-27, CHARACTERIZED in that the minimum and maximum demand trajectories generated by each demand aggregation unit are for an operation time period corresponding to the next 24 hours, where the band of demand trajectories is generated at least once every 24 hours, preferably every 1 or 6 hours, and where demand deviations occur when the energy demand is outside the demand band.
PCT/CL2021/050017 2020-04-01 2021-03-22 System and method for controlling and managing energy demand in electrical systems WO2021195796A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CL868-2020 2020-04-01
CL2020000868A CL2020000868A1 (en) 2020-04-01 2020-04-01 System and method of control and management of energy demand in electrical systems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021195796A1 true WO2021195796A1 (en) 2021-10-07

Family

ID=77931110

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CL2021/050017 WO2021195796A1 (en) 2020-04-01 2021-03-22 System and method for controlling and managing energy demand in electrical systems

Country Status (2)

Country Link
CL (1) CL2020000868A1 (en)
WO (1) WO2021195796A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003055031A2 (en) * 2001-12-20 2003-07-03 Enel Distribuzione S.P.A. System for the remote data acquisition and control of electric energy meters
WO2014022596A1 (en) * 2012-07-31 2014-02-06 Causam Energy, Inc. System, method, and apparatus for electric power grid and network management of grid elements
US9188109B2 (en) * 2012-02-16 2015-11-17 Spyros James Lazaris Virtualization, optimization and adaptation of dynamic demand response in a renewable energy-based electricity grid infrastructure
CN110809844A (en) * 2018-02-05 2020-02-18 比吉有限责任公司 Method and device for load management of an electrical installation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003055031A2 (en) * 2001-12-20 2003-07-03 Enel Distribuzione S.P.A. System for the remote data acquisition and control of electric energy meters
US9188109B2 (en) * 2012-02-16 2015-11-17 Spyros James Lazaris Virtualization, optimization and adaptation of dynamic demand response in a renewable energy-based electricity grid infrastructure
WO2014022596A1 (en) * 2012-07-31 2014-02-06 Causam Energy, Inc. System, method, and apparatus for electric power grid and network management of grid elements
CN110809844A (en) * 2018-02-05 2020-02-18 比吉有限责任公司 Method and device for load management of an electrical installation

Also Published As

Publication number Publication date
CL2020000868A1 (en) 2022-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Aduda et al. Demand side flexibility: Potentials and building performance implications
Huang et al. A multiagent minority-game-based demand-response management of smart buildings toward peak load reduction
Beaudin et al. Residential energy management using a two-horizon algorithm
Ramchurn et al. Putting the'smarts' into the smart grid: a grand challenge for artificial intelligence
Chan et al. Load/price forecasting and managing demand response for smart grids: Methodologies and challenges
ES2848274T3 (en) Power supply network control system and method
Karfopoulos et al. A multi-agent system providing demand response services from residential consumers
Kircher et al. Model predictive control of thermal storage for demand response
TW201610901A (en) Systems and methods for energy cost optimization
Carli et al. Cooperative distributed control for the energy scheduling of smart homes with shared energy storage and renewable energy source
Orsi et al. Smart home energy planning using IoT and the cloud
Vatanparvar et al. Design space exploration for the profitability of a rule-based aggregator business model within a residential microgrid
Livengood The energy box: Comparing locally automated control strategies of residential electricity consumption under uncertainty
Lu et al. The potential of thermostatically controlled appliances for intra-hour energy storage applications
Rottondi et al. An energy management system for a smart office environment
Jiang et al. A distributed agent-based system for coordinating smart solar-powered microgrids
Vesaoja et al. Hybrid modeling and co-simulation of district heating systems with distributed energy resources
Aduda Smart grid-building energy interactions: demand side power flexibility in office buildings
WO2021195796A1 (en) System and method for controlling and managing energy demand in electrical systems
Savvides et al. Cyber-physical systems for next generation intelligent buildings
Wei Design and management for energy-efficient cyber-physical systems
Clausen et al. An agent-based framework for aggregation of manageable distributed energy resources
Joo et al. Distributed scheduling of demand resources in a congested network
Al-Salim et al. Cyclic blackout mitigation and prevention using semi-dispatchable standby generation and stratified demand dispatch
Li et al. On market-based coordination of thermostatically controlled loads with user preference

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21778750

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21778750

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1