ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤ ΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤ ΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤ ΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤ ΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αναγνώριση Φορτίων σε Οικιακή Εγκατάσταση Ηλεκτρικής Ενέργειας ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Απιδόπουλος Κωνσταντίνος Σαμόγλου Αθανάσιος Επιβλέπων : Ανδρέου Γεώργιος Λέκτορας Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2014

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αναγνώριση Φορτίων σε Οικιακή Εγκατάσταση Ηλεκτρικής Ενέργειας ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Απιδόπουλος Κωνσταντίνος Σαμόγλου Αθανάσιος Επιβλέπων : Ανδρέου Γεώργιος Λέκτορας Α.Π.Θ. Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 21η Νοεμρίου (Υπογραφή) (Υπογραφή) (Υπογραφή) Δημήτρης Λαμπρίδης Γρηγόρης Παπαγιάννης Γιώργος Ανδρέου Καθηγητής Α.Π.Θ. Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ Λέκτορας Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2014

3 (Υπογραφή)... Απιδόπουλος Κωνσταντίνος Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ. (Υπογραφή)... Σαμόγλου Αθανάσιος Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ. Copyright Απιδόπουλος Κωνσταντίνος, Σαμόγλου Αθανάσιος, Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος.allrightsreserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τους συγγραφείς.

4 Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Ανδρέου Γεώργιο, λέκτορα Α.Π.Θ, τόσο για την ανάθεση της παρούσας διπλωματικής όσο και την εμπιστοσύνη και την καθοδήγηση του κατά τη διάρκεια εκπόνησης της.

5 Περίληψη Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται προσπάθεια να αναπτυχθεί λογισμικό που να επιτρέπει την εύρεση σημαντικών ενεργειακών διαστημάτων καθώς και των διαστημάτων λειτουργίας των συσκευών ενός οικιακού καταναλωτή. Αρχικά περιγράφεται συνοπτικά ο τρόπος λειτουργίας του συμβατικού δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και πως προκύπτει η ανάγκη για ένα δίκτυο με μεγαλύτερη ευφυΐα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα έξυπνο δίκτυο με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά στο οποίο θα γίνεται χρήση του παραπάνω λογισμικού. Ακολουθούν η περιγραφή και τα αποτελέσματα για κάθε αλγόριθμο ξεχωριστά καθώς και για τον συνδυασμό τους. Στο τέλος, γίνεται μία αξιολόγηση της προσπάθειας αλλά και προτάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη της.

6 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή Περιγραφή συμβατικού δικτύου Έξυπνα δίκτυα (Smart Grids) Το δικό μας έξυπνο δίκτυο Σκοπός της διπλωματικής εργασίας ος Αλγόριθμος Περιγραφή του αλγορίθμου Έλεγχος για θέσεις αλμάτων και πτώσεων στον πίνακα Ρ Απαλοιφή ανεπιθύμητων θέσεων άλματος και πτώσης Ομαλοποίηση του πίνακα Pnew Έλεγχος για θέσεις αλμάτων και πτώσεων στον πίνακα Ρnew Υπολογισμός της έναρξης και της λήξης κάθε event Αναζήτηση της έναρξης και της λήξης κάθε φορτίου Απαλοιφή των κοινών θέσεων έναρξης και λήξης και ομαδοποίηση Απαλοιφή ανεπιθύμητων θέσεων έναρξης και λήξης σε επίπεδο event Υπολογισμός της έναρξης και της λήξης κάθε φορτίου Τροποποίηση του πίνακα Pinput Υπολογισμός της ενέργειας των events και των φορτίων,,, Αποτελέσματα 1 ου αλγορίθμου Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων ος Αλγόριθμος Εισαγωγή Ανάλυση αλγορίθμου Απομόνωση στιγμιαίων αιχμών Μείωση δειγματοληψίας Διαχωρισμός ON-OFF κινητήρων και άλλων φορτίων Ταυτοποίηση ON-OFF κινητήρων Ταυτοποίηση ON-OFF φορτίων R-L-C εκτός κινητήρων Αποτελέσματα 2 ου αλγορίθμου Εισαγωγή Αποτελέσματα 59 6 Συνδυασμός των δύο αλγορίθμων Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων Πως λειτουργεί ο συνδυασμός των μεθόδων Παρουσίαση της βελτίωσης των αποτελεσμάτων του 3ου κεφαλαίου..66

7 6.1.3 Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων νέου αρχείου μετρήσεων Επίλογος Συμπεράσματα και προοπτικές εξέλιξης Βιβλιογραφία

8 1 Εισαγωγή 1.1 Περιγραφή συμβατικού δικτύου Το σημερινό συμβατικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τις εγκαταστάσεις παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα αξιόπιστο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας οφείλει να τροφοδοτεί αδιάλειπτα, με καλής ποιότητας ηλεκτρική ισχύ και με το μικρότερο δυνατό κόστος τους καταναλωτές, ανεξάρτητα από παράγοντες - όπως οι δυσμενείς καιρικές συνθήκες, η δύσκολα προσβάσιμη τοποθεσία ενός καταναλωτή, οι διακυμάνσεις του φορτίου -που μπορεί να δυσχεραίνουν αυτή την προσπάθεια Η σύσταση του δικτύου μας ξεκινά με τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στους οποίους μια μορφή πρωτογενούς ενέργειας (κυρίως θερμότητα) μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Ο υπεύθυνος φορέας των σταθμών παραγωγής είναι η Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού Α.Ε. (Δ.Ε.Η. Α.Ε.). Στη συνέχεια υπάρχει το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο περιλαμβάνει τις εναέριες γραμμές ή τα υπόγεια καλώδια υψηλής τάσης μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και τους υποσταθμούς ανύψωσης και υποβιβασμού της τάσης. Ο υπεύθυνος φορέας του συστήματος μεταφοράς είναι ο Ανεξάρτητος Διαχειριστής Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας Α.Ε. (Α.Δ.Μ.Η.Ε. Α.Ε.). Τέλος, έχουμε το σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο είναι η συνέχεια του συστήματος μεταφοράς προς την κατεύθυνση της κατανάλωσης. Αποτελείται και αυτό από εναέριες γραμμές και υπόγεια καλώδια Μέσης (ΜΤ) και Χαμηλής (ΧΤ) Τάσης, καθώς και από τους υποσταθμούς υποβιβασμού της τάσης. Περιλαμβάνει και τα φορτία, δηλαδή τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίοι μπορεί να είναι είτε οικιακοί και μικροί βιοτεχνικοί καταναλωτές Χαμηλής Τάσης είτε μεγαλύτεροι βιομηχανικοί πελάτες Μέσης Τάσης. Ο υπεύθυνος φορέας του συστήματος διανομής είναι ο Διαχειριστής του Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας Α.Ε. (Δ.Ε.Δ.Δ.Η.Ε. Α.Ε.). Το δίκτυό μας επιδιώκει τη συνεχή προσαρμογή της παραγωγής στη ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας εξαιτίας της δαπανηρής και - πολλές φορές - δύσκολης αποθήκευσης της ενέργειας στο επίπεδο των MW. Καθώς αυτό δεν είναι πάντα εφικτό ή και οικονομικά βέλτιστο, έχει καθιερωθεί η διασύνδεση των εθνικών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Μέσω αυτών των διασυνδέσεων γίνονται 8

9 προγραμματισμένες αγοραπωλησίες ηλεκτρικής ενέργειας και παράλληλα προσφέρεται η δυνατότητα υποστήριξης των δικτύων σε περιπτώσεις ανάγκης. Για την κάλυψη του φορτίου γίνεται μια πρόβλεψη της ζήτησης σε χρονικό ορίζοντα 24 ωρών με βάση στατιστικά στοιχεία προηγούμενων ετών καθώς επίσης και εποχιακά (καλοκαίρι-χειμώνας) και ημερήσια (εργάσιμη-αργία) χαρακτηριστικά. Η πρόβλεψη αυτή είναι ουσιαστικά μια γραφική παράσταση, στην οποία απεικονίζεται η ζήτηση της ηλεκτρικής ισχύος στη διάρκεια της ημέρας. Η καμπύλη αύτη ονομάζεται καμπύλη φορτίου (Εικόνα 1). Εικόνα 1 (Καμπύλη φορτίου) Σύμφωνα με την πρόβλεψη της καμπύλης φορτίου προγραμματίζεται το επίπεδο ισχύος που θα κληθούν να λειτουργήσουν οι σταθμοί παραγωγής αλλά και η σειρά ένταξής τους στο δίκτυο, ώστε να επιτύχουμε την κάλυψη του φορτίου με τον οικονομικότερο δυνατό τρόπο. Τα τοπικά μέγιστα και ελάχιστα που παρουσιάζει η καμπύλη ονομάζονται αιχμές και βυθίσεις αντίστοιχα. Η καμπύλη φορτίου μπορεί να χωριστεί σε 3 ζώνες με βάση την τιμή της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Η πρώτη ζώνη (0-Pmin) χαρακτηρίζεται ως ισχύς ή φορτίο βάσης. Είναι εκείνη η ισχύς που απορροφά το δίκτυο σχεδόν σταθερά σ όλη την χρονική διάρκεια Η επόμενη, ενδιάμεση, ζώνη (Pmin-Pm) είναι το κυμαινόμενο φορτίο και, τέλος, η τρίτη ζώνη (Pm-Pmax) αποτελεί την ισχύ ή το φορτίο αιχμής. Το φορτίο βάσης στη χώρα μας καλύπτεται από τους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς (ΑΗΣ) παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σταθμοί αυτοί έχουν το μικρότερο λειτουργικό κόστος, καθώς χρησιμοποιούν σαν καύσιμο τον λιγνίτη, ο οποίος υπάρχει σε μεγάλα κοιτάσματα στην Ελλάδα, και έχουν χρόνο εκκίνησης και ένταξης στο 9

10 δίκτυο της τάξης των δεκάδων ωρών με συνέπεια να είναι αποδοτικότερο να λειτουργούν συνεχώς. Το κυμαινόμενο φορτίο αντιμετωπίζεται με αυξομειώσεις της παραγωγής των ΑΗΣ, με την ένταξη αεριοστροβιλικών σταθμών - οι οποίοι έχουν μικρούς χρόνους εκκίνησης αλλά αυξημένο κόστος λειτουργίας λόγω του καύσιμου - και με την ένταξη υδροηλεκτρικών σταθμών (ΥΗΣ), οι οποίοι εκτός από μικρούς χρόνους εκκίνησης έχουν ουσιαστικά και μηδενικό κόστος λειτουργίας. Τέλος, οι αιχμές καλύπτονται από ΥΗΣ, υδραντλητικούς και αεριοστροβιλικούς σταθμούς με κύριο καύσιμο το φυσικό αέριο, αλλά και από εισαγωγές ενέργειας μέσω των διασυνδέσεων. Ο σύγχρονος τρόπος ζωής είναι άμεσα εξαρτημένος από την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις, τόσο στο αστικό όσο και στο βιομηχανικό περιβάλλον, καθιστούν αναγκαία την ύπαρξη ενός αποτελεσματικού συστήματος παραγωγής ενέργειας, αλλά και ενός ισχυρού, αξιόπιστου και ασφαλούς συστήματος μεταφοράς και διανομής. Εξαιτίας της περιορισμένης διαθεσιμότητας και επάρκειας σε συμβατικά καύσιμα, καθώς και των ανησυχιών σχετικά με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των συμβατικών μονάδων παραγωγής, αυξάνεται το ενδιαφέρον γύρω από την αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Οι ΑΠΕ μειώνουν το μέγεθος των παραπάνω προβλημάτων καθώς περιορίζεται η κατασκευή καινούργιων συμβατικών μονάδων παραγωγής, ενισχύουν όμως την πολυπλοκότητα στη διαχείριση και τον έλεγχο του δικτύου. Καθώς, λοιπόν, ο στόχος της κάλυψης του φορτίου βασίζεται στην ολοένα και δυσκολότερη πρόβλεψη της καμπύλης φορτίου, είναι πιθανό πολλές φορές να μην επιτευχθεί με τον οικονομικά βέλτιστο τρόπο ή και σε κάποιες - ελάχιστες - περιπτώσεις να οδηγήσει στην αδυναμία του συστήματος να ανταποκριθεί στην ζήτηση. Αποτέλεσμα αυτής της αδυναμίας είναι είτε περικοπές φορτίων είτε ακόμη και η μερική ή ολική κατάρρευση του δικτύου, κυρίως σε περιπτώσεις πολύ γρήγορων και απότομων μεταβολών, στις οποίες το σύστημα δεν προλαβαίνει να προσαρμοστεί μ αυτόν τον τρόπο μειώνεται τόσο η αξιοπιστία όσο και η ασφάλεια του δικτύου ενώ προκαλείται δυσαρέσκεια και - συχνά - υλικές/οικονομικές βλάβες στους καταναλωτές. Επιπλέον παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν την αξιοπιστία και την ασφάλεια του δικτύου είναι η εσφαλμένη σχεδίαση μέρους του δικτύου, ελαττωματικά εξαρτήματα, η γήρανση του εξοπλισμού, οι κακές καιρικές συνθήκες, η ελλιπής συντήρηση. Για την εύρυθμη λοιπόν λειτουργία του δικτύου και συνεπώς την αδιάλειπτη εξυπηρέτηση των πελατών απαιτείται η αναβάθμιση των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) με την αξιοποίηση νέων μεθόδων και τεχνολογιών, ώστε να παρέχεται αμφίδρομη ροή πληροφοριών μεταξύ παροχής και κατανάλωσης και να γίνεται βέλτιστος έλεγχος της παραγωγής, της μεταφοράς, της διανομής, αλλά και του φορτίου του συστήματος. Η ανάγκη αυτή μας οδηγεί στην δημιουργία των έξυπνων δικτύων. 10

11 1.2 Έξυπνα Δίκτυα (Smart Grids) Ένα Έξυπνο Δίκτυο ενέργειας είναι ένα ηλεκτρικό δίκτυο το οποίο συλλέγει πληροφορίες σχετικά με τις καταναλώσεις και λαμβάνει αποφάσεις. [8] Ένας άλλος ορισμός που μπορεί να δοθεί είναι ότι το Έξυπνο Δίκτυο ενέργειας είναι ένα μοντέρνο δίκτυο που χρησιμοποιεί αμφίδρομες ροές ενέργειας και επικοινωνίας και παρέχει δυνατότητες ελέγχου οι οποίες θα οδηγήσουν σε ένα σύνολο νέων δυνατοτήτων και εφαρμογών. [9] Έξυπνο δίκτυο Στην ψηφιακή εποχή που ζούμε υπάρχει η δυνατότητα και η ανάγκη μετάβασης σ ένα ηλεκτρικό δίκτυο που θα μπορεί να παρέχει καλύτερη ποιότητα ρεύματος με επικοινωνία διπλής κατεύθυνσης, που θα εξισορροπεί την προσφορά και την ζήτηση σε πραγματικό χρόνο, εξομαλύνοντας τις αιχμές της ζήτησης, και που θα καθιστά τους πελάτες ενεργούς συμμέτοχους στην παραγωγή και στην κατανάλωση ηλεκτρισμού. Η τάση αυτή μας οδηγεί στην καθιέρωση των έξυπνων δικτύων. Η γενική ιδέα για το έξυπνο δίκτυο ξεκίνησε από την λειτουργία των προηγμένων μετρητικών υποδομών για την βελτίωση της διαχείρισης ζήτησης, της ενεργειακής απόδοσης και την ύπαρξη ενός ηλεκτρικού δικτύου που μπορεί να θεραπεύεται μόνο του, ενισχύοντας έτσι την αξιοπιστία του συστήματος και την αντιμετώπιση φυσικών καταστροφών και επικίνδυνων καταστάσεων. Ωστόσο, και άλλοι λόγοι οδήγησαν σε μια ευρύτερη έννοια γύρω από τα έξυπνα δίκτυα. Τέτοιοι λόγοι είναι: α) η έμφαση για την προστασία του περιβάλλοντος, συμπεριλαμβάνοντας τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ηλιακή, αιολική, κτλ.) και την απόκριση ζήτησης β) η τάση για καλύτερη αξιοποίηση του εξοπλισμού ώστε να διατηρηθεί η αξιοπιστία του συστήματος, ακόμη και η λειτουργία σε κρίσιμες καταστάσεις (περίοδοι αιχμής, σφάλματα, κτλ.) και γ) η 11

12 ανάγκη για μεγαλύτερο εύρος επιλογών από την μεριά του πελάτη. Τα οφέλη της μετάβασης από το συμβατικό στο έξυπνο δίκτυο αποτυπώνονται σε δείκτες όπως είναι η αξιοπιστία και η ευελιξία της παροχής, η αποδοτικότητα και η βιωσιμότητα του δικτύου και, φυσικά, τα οικονομικά οφέλη τόσο για τον πάροχο όσο και για τον καταναλωτή. [10] [11] Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων τα περισσότερα έξυπνα δίκτυα έχουν ορισμένα χαρακτηριστικά γνωρίσματα: [12] [13] Διασύνδεση μεταξύ των συσκευών του καταναλωτή και των τυπικών ενεργητικών στοιχείων σ ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας (σταθμοί παραγωγής, δίκτυα μεταφοράς και διανομής) Η αμφίδρομη επικοινωνία θα επιτρέπει στον καταναλωτή να ελέγχει καλύτερα τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας δίνοντάς του παράλληλα τη δυνατότητα περισσότερων επιλογών. Επιπλέον, αυτή η μορφή επικοινωνίας θα διευκολύνει τη διαδικασία Διαχείρισης/Απόκρισης Ζήτησης, δίνοντας στο διαχειριστή του δικτύου τη δυνατότητα για καλύτερο έλεγχο των φορτίων του συστήματος και, συνεπώς, μεγαλύτερη ευελιξία στη λειτουργική συμπεριφορά του συστήματος. Το έξυπνο δίκτυο είναι τουλάχιστον ημιαυτόνομο Με την χρησιμοποίηση έξυπνων συστημάτων (εξελιγμένοι αισθητήρες) και τη συνεχή παρακολούθηση του δικτύου ενεργοποιείται η απόκριση σε διάφορα ερεθίσματα με την ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση. Το έξυπνο δίκτυο αξιοποιεί με βέλτιστο τρόπο τον εξοπλισμό του συστήματος ενέργειας Οι στρατηγικές απόκρισης βελτιστοποιούν τη ροή ισχύος στο υπάρχον δίκτυο μεταφοράς ενισχύοντας την αξιοπιστία του, ενώ παράλληλα αναβάλλονται επεκτάσεις των δικτύων μεταφοράς και η κατασκευή επιπλέον σταθμών παραγωγής. Εξαιτίας της ύπαρξης αμφίδρομης επικοινωνίας σε ώρες αιχμής και της πιθανής απόκρισης του καταναλωτή στα σήματα αυξημένων χρεώσεων, ενδέχεται το μέγιστο φορτίο να μειωθεί, συνεπώς μειώνεται και ηανάγκη χρησιμοποίησης ακριβότερων και πιο ευέλικτων μονάδων παραγωγής. Το έξυπνο δίκτυο θα υποστηρίζει καλύτερα την ενσωμάτωση της διανεμημένης παραγωγής στο συμβατικό σύστημα παραγωγής Το έξυπνο δίκτυο δεν περιλαμβάνει μόνο μεγάλες και κεντρικές μονάδες παραγωγής αλλά ευνοεί την ενσωμάτωση των αποκεντρωμένων μονάδων παραγωγής ενέργειας, όπως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού μικρής κλίμακας και αποθήκευση ενέργειας. Έτσι, οι καταναλωτές (οικιακοί, εμπορικοί, βιομηχανικοί) μπορούν να εξετάσουν την πιθανότητα εγκατάστασης εξοπλισμού τοπικής παραγωγής στο χώρο τους και έτσι ένας πελάτης να λειτουργεί είτε ως παραγωγός είτε ως καταναλωτής ηλεκτρικής ενέργειας. 12

13 Δυνατότητα πληροφόρησης και συμμετοχής των καταναλωτών Οι καταναλωτές μπορούν να βοηθήσουν στο ισοζύγιο μεταξύ παροχής και ζήτησης και να ενισχύσουν την αξιοπιστία του συστήματος, αν μεταβάλουν τον τρόπο που χρησιμοποιούν και αγοράζουν ενέργεια. Οι μεταβολές αυτές θα είναι αποτέλεσμα των επιλογών που τους δίνονται ωθώντας τους σε διαφορετικές καταναλωτικές συμπεριφορές και πρότυπα. Οι επιλογές αυτές περιλαμβάνουν νέες τεχνολογίες, καινούργιες πληροφορίες σχετικά με τη χρήση του ηλεκτρισμού, νέες μορφές τιμολόγησης της ηλεκτρικής ενέργειας και διάφορα κίνητρα για συμμετοχή. Διευκόλυνση ενσωμάτωσης νέων προϊόντων, υπηρεσιών και αγορών Οι αγορές που έχουν σχεδιαστεί σωστά και λειτουργούν αποτελεσματικά δίνουν τη δυνατότητα στον καταναλωτή να επιλέξει μεταξύ ανταγωνιστικών υπηρεσιών που διατίθενται. Ορισμένα από τα στοιχεία του δικτύου που απαιτούν διαχείριση είναι η ροή ενέργειας, η ικανότητα παραγωγής, η τοποθεσία, ο χρόνος, ο ρυθμός μεταβολής και η ποιότητά της. Οι αγορές μπορούν να παίξουν καθοριστικό ρόλο στη διαχείριση των παραπάνω μεταβλητών. Οι διαχειριστές, οι ιδιοκτήτες/επιχειρηματίες και οι καταναλωτές χρειάζονται ευελιξία ώστε να μπορούν να τροποποιήσουν τους υφιστάμενους κανόνες λειτουργίας με τους οποίους χειρίζονται την ηλεκτρική ενέργεια προσαρμόζοντάς τους στη λειτουργία και τις συνθήκες της αγοράς. Το έξυπνο δίκτυο παρέχει διαφορετικά επίπεδα ποιότητας ισχύος Όλες οι εμπορικές επιχειρήσεις καθώς και όλοι οι οικιακοί καταναλωτές δεν απαιτούν την ίδια ποιότητα ισχύος. Ένα έξυπνο δίκτυο μπορεί να ποικίλει σχετικά με το βαθμό ποιότητας και τιμής στην ενέργεια που προμηθεύει. Το κόστος των ασφαλίστρων για την ποιότητα της ενέργειας περιλαμβάνεται στο συμβόλαιο με την εταιρία ηλεκτρισμού. Προηγμένες μέθοδοι ελέγχου εξασφαλίζουν τη γρήγορη διάγνωση και διαχείριση των γεγονότων που επηρεάζουν την ποιότητα της ισχύος, όπως φωτισμός, υπερτάσεις κατά τη μεταγωγή ενός διακόπτη, σφάλματα γραμμής και πηγές αρμονικών. Το έξυπνο δίκτυο είναι ελαστικό σε διαταραχές, επιθέσεις και φυσικές καταστροφές Η ελαστικότητα αναφέρεται στην ικανότητα του συστήματος να αντιδρά σε απρόσμενα γεγονότα απομονώνοντας τα προβληματικά στοιχεία, ενώ το υπόλοιπο σύστημα επαναφέρεται σε κανονική λειτουργία. Αυτές οι λειτουργίες αυτο-ίασης συμβάλλουν στη μείωση των διακοπών που υφίστανται οι καταναλωτές και βοηθούν τους παρόχους να διαχειρίζονται καλύτερα την υποδομή του συστήματος διανομής. 13

14 Για τον εκσυγχρονισμό του συμβατικού δικτύου και την εξέλιξή του, ώστε να αποκτήσει ευφυΐα, απαιτείται η υιοθέτηση κάποιων τεχνολογιών. Άλλες από αυτές βρίσκονται σε στάδιο ανάπτυξης ενώ άλλες έχουν ήδη εφαρμοστεί. Παρακάτω παρουσιάζονται οι τεχνολογίες του ευφυούς δικτύου: [14] Γενική παρακολούθηση και έλεγχος Πρόκειται για γενική παρακολούθηση όλου του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η παρακολούθηση γίνεται σε πραγματικό χρόνο και αφορά τις λειτουργίες παραγωγής, μεταφοράς, διανομής και τις διασυνδέσεις μεταξύ των διάφορων περιοχών. Έτσι μειώνεται η πιθανότητα εμφάνισης σφαλμάτων στο δίκτυο και παρέχεται εποπτεία σε ειδικού τύπου τεχνολογίες παραγωγής όπως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης, τα δεδομένα που συγκεντρώνονται αποτελούν τη βάση για τις στρατηγικές λήψης αποφάσεων. Information Communication Technology (ICT) Αποτελεί την υποδομή της μεταφοράς της πληροφορίας. Το έξυπνο δίκτυο προϋποθέτει τη μεταφορά πληροφορίας διπλής ροής και μέσα για την επίτευξη αυτής της λειτουργίας είναι το διαδίκτυο, τα τηλεφωνικά δίκτυα, τα ραδιοφωνικά δίκτυα κτλ. ΑΠΕ και διανεμημένη παραγωγή Η αποκέντρωση της παραγωγής έχει απασχολήσει τους φορείς λήψης αποφάσεων στην αγορά ενέργειας. Η διανεμημένη παραγωγή προσφέρει λύσεις για την κάλυψη απομονωμένων φορτίων. Εμπορικά κτίρια και κατοικίες θα μπορούσαν να καλύπτουν μέρος των αναγκών τους από μονάδες διανεμημένης παραγωγής. Το ευφυές δίκτυο περιλαμβάνει μονάδες ελέγχου και αποθηκευτικά μέσα για τη βέλτιστη λειτουργία τους. Διαχείριση του δικτύου διανομής Το έξυπνο δίκτυο χρησιμοποιεί αισθητήρες σε καλώδια τροφοδοσίας, σε μετασχηματιστές και αυτόματους διακόπτες και εισάγει αυτοματισμούς στους υποσταθμούς που συμβάλλουν στην σταθεροποίηση της τάσης, στην ανίχνευση των σφαλμάτων και στη μείωση του χρόνου αποκατάστασης τους. Εξελιγμένη υποδομή μέτρησης (Advanced Metering Infrastructure, AMI) Η εξελιγμένη υποδομή μέτρησης είναι από τις βασικότερες τεχνολογίες ευφυούς δικτύου και παρέχει αμφίδρομη επικοινωνία, καταγραφή του φορτίου σε πραγματικό χρόνο, αποστολή δεδομένων που αφορούν τις τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας κ.α. Χρησιμοποιεί έξυπνους μετρητές και αισθητήρες για την καταγραφή των δεδομένων των φορτίων, τα οποία χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή συμπερασμάτων για τα πρότυπα κατανάλωσης. 14

15 Συστήματα στην πλευρά των καταναλωτών Είναι οι διατάξεις και οι εφαρμογές που αποσκοπούν στον έλεγχο της κατανάλωσης και στην εγκατάσταση έξυπνων συσκευών. Νέες προσεγγίσεις προτείνουν την ανάπτυξη εφαρμογών για συσκευές κινητής τηλεφωνίας αλλά και τη χρήση των μέσων κοινωνικής δικτύωσης για τη δημιουργία τάσεων ευρείας αποδοχής της ενεργειακής αποδοτικότητας. 1.3 Το δικό μας έξυπνο δίκτυο Η δομή του έξυπνου δικτύου μας βασίζεται σε έννοιες όπως η ομαδοποίηση καταναλωτών, ο διαχειριστής ομάδας, ο έξυπνος μετρητής και η αναγνώριση φορτίων. Βραχυπρόθεσμος στόχος του δικτύου μας αποτελεί η εξομάλυνση του ηλεκτρικού φορτίου μέσω της μείωσης -ή και της εξάλειψης- των αιχμών που παρουσιάζει μια τυπική καμπύλη φορτίου. Ο απώτερος και μακροπρόθεσμος στόχος - πέραν της εξομάλυνσης του φορτίου - είναι η μείωσή του μέσω της εκπαίδευσης των πελατών σε βέλτιστες καταναλωτικές συμπεριφορές. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων είναι απαραίτητο οι καταναλωτές χαμηλής τάσης να συγκροτήσουν ομάδες. Οι ομάδες θα δημιουργούνται σε επίπεδο τοπικών υποσταθμών ΜΤ/ΧΤ. Οι καταναλωτές που τροφοδοτούνται από τον ίδιο υποσταθμό θα μπορούν είτε στο σύνολο τους είτε κατά ένα μέρος να συγκροτήσουν μια ομάδα. Τα μέλη των ομάδων συνεργάζονται κατάλληλα στα πλαίσια ενός προκαθορισμένου συνόλου κανόνων. Ο βασικός σκοπός που καλείται κάθε ομάδα να εκπληρώσει είναι η επίτευξη μιας ομαλοποιημένης καμπύλης φορτίου, η οποία έχει μια σταθερή τιμή και παρουσιάζει πολύ μικρές αποκλίσεις από αυτήν. Όσο περισσότερο πλησιάζει η καμπύλη της ομάδας την ιδανική, τόσο μεγαλύτερη είναι και η επιβράβευση που της αποδίδεται. Είναι προφανές ότι η ένταξη ενός καταναλωτή σε μια ομάδα και η συμμόρφωσή του στους κανόνες αυτής του αποφέρει κάποια κέρδη. Τα κέρδη αυτά διατυπώνονται με σαφήνεια σε συμβάσεις που καλούνται να υπογράψουν οι καταναλωτές. Στις ίδιες συμβάσεις καθορίζονται οι γενικοί κανόνες λειτουργίας του συστήματος καθώς και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας μεταξύ των εμπλεκόμενων μερών. Όπως είναι φυσικό, ένα τέτοιο σύστημα πρέπει να προβλέπει και την περίπτωση μη συμμόρφωσης ενός μέλους ή μιας ομάδας στους κανόνες του. Στην περίπτωση, λοιπόν, που η μορφή της καμπύλης φορτίου ενός μέλους ή μιας ομάδας αποκλίνει πάνω από ένα συγκεκριμένο ποσοστό από την καθορισμένη τιμή ομαλοποίησης, είναι δυνατή η επιβολή ποινών στο συγκεκριμένο μέλος ή στη συγκεκριμένη ομάδα. Οι ποινές είναι συμβολικές, καθώς μεταφράζονται σε χρέωση της kwh με βάση την ισχύουσα τιμή για καταναλωτές που δεν συμμετέχουν στο σύστημα για όσο χρονικό διάστημα σημειώνεται η υπέρβαση. Ο πελάτης ουσιαστικά δεν έχει οφέλη στην περίπτωση που δεν καταφέρνει να ομαλοποιήσει την κατανάλωσή του. Η συμπεριφορά ενός μέλους ή μιας ομάδας αποτυπώνεται σ ένα μέγεθος το οποίο καλείται δείκτης αξιοπιστίας. Ο δείκτης αξιοπιστίας αποτελεί μια 15

16 μορφή επιβράβευσης ή τιμωρίας των μελών. Όσο περισσότερο ανταποκρίνεται ένας καταναλωτής στις απαιτήσεις για ομαλοποίηση της καμπύλης φορτίου του τόσο αυξάνεται ο δείκτης αξιοπιστίας του. Εντελώς ανάλογα, όσο περισσότερο αποκλίνει κάποιος από την επιθυμητή εικόνα της κατανάλωσής του τόσο περισσότερο μειώνεται ο δείκτης αξιοπιστίας του. Ο δείκτης αυτός, λοιπόν, αποτελεί το κριτήριο με το οποίο κατανέμονται τα κέρδη ή οι ποινές μέσα σε μια ομάδα. Ο συνδετικός κρίκος ανάμεσα στο διαχειριστή του δικτύου διανομής (Δ.Ε.Δ.Δ.Η.Ε.) και την εκάστοτε ομάδα είναι ο διαχειριστής της ομάδας. Ο διαχειριστής έχοντας μελετήσει τις καταναλωτικές συμπεριφορές των μελών της ομάδας του είναι υπεύθυνος για την πρόβλεψη της ισχύος που θα χρειαστούν. Η πρόβλεψη της καμπύλης φορτίου της ομάδας είναι ομαλοποιημένη (χωρίς αιχμές) και τα μέλη, όπως αναφέραμε παραπάνω, οφείλουν να την σεβαστούν. Είναι επίσης υπεύθυνος για την παρακολούθηση της κατανάλωσης της ομάδας και τη συμμόρφωση των μελών της -μέσω μηνυμάτων- σε περίπτωση απόκλισης από την ιδανική καμπύλη φορτίου. Στις αρμοδιότητες του διαχειριστή βρίσκεται ακόμη η μεταφορά μηνυμάτων από τον διαχειριστή του δικτύου διανομής προς τα μέλη της ομάδας, όπως και η απόδοση των κερδών αλλά και η επιβολή ποινών στα μέλη. Το περιεχόμενο των μηνυμάτων μπορεί να έχει είτε προειδοποιητικό χαρακτήρα, όπως για παράδειγμα να αφορά σε ένα σφάλμα που έχει συμβεί στο δίκτυο διανομής, είτε οικονομικό χαρακτήρα για την απαίτηση επιπλέον μείωσης του φορτίου της ομάδας σε μια κρίσιμη για το σύστημα στιγμή, η οποία θα οδηγήσει φυσικά σε πρόσθετα οικονομικά οφέλη για τα μέλη της ομάδας που θα ανταποκριθούν στο μήνυμα. Τέλος, ο διαχειριστής οφείλει να εκπαιδεύει τα μέλη της ομάδας του μέσω ενημερωτικών σεμιναρίων ανά τακτά χρονικά διαστήματα, ώστε να αποκτήσουν καλύτερες καταναλωτικές συμπεριφορές οι οποίες θα οδηγήσουν σε ακόμη μεγαλύτερη ομαλοποίηση της κατανάλωσης. Για την παρακολούθηση της κατανάλωσης είναι απαραίτητο ένα προηγμένο σύστημα μέτρησης, οι λεγόμενοι έξυπνοι μετρητές. Ο έξυπνος μετρητής μας αποτελείται από έναν ψηφιακό μετρητή ο οποίος εγκαθίσταται στον γενικό πίνακα χαμηλής τάσης του σπιτιού και μετρά τη συνολική κατανάλωση του χρήστη και από μια οθόνη στην οποία φαίνεται το ποσό της ενέργειας που καταναλώνεται σε πραγματικό χρόνο, το κόστος που αντιστοιχεί στην ενέργεια αυτή, η πρόβλεψη της καμπύλης φορτίου που έχει γίνει από τον διαχειριστή, καθώς και η πραγματική κατανάλωση της ομάδας (γραφική απεικόνιση). Οι έξυπνοι μετρητές έχουν τη δυνατότητα διαφορετικής τιμολόγησης της κιλοβατώρας, ανάλογα με το χρονικό διάστημα στο οποίο καταναλώνεται η ενέργεια αυτή. Επίσης, διαθέτουν το πλεονέκτημα της αποθήκευσης δεδομένων και την παρουσίασή τους μέσω υπολογιστή, ώστε ο χρήστης να έχει ανά πάσα στιγμή πρόσβαση σ αυτά. Τέλος, ο μετρητής είναι υπεύθυνος για την ασφαλή επικοινωνία του χρήστη-μέλους της ομάδας με τον διαχειριστή του. Τελευταίο κομμάτι του έξυπνου δικτύου μας αποτελεί η αναγνώριση φορτίων. Πρόκειται για το λογισμικό το οποίο είναι εγκατεστημένο στους μετρητές και 16

17 επιτρέπει στο διαχειριστή την καλύτερη και αποδοτικότερη εποπτεία των μελών της ομάδας του, καθώς και στην κατανόηση των καταναλωτικών συμπεριφορών τους. Το λογισμικό βασίζεται αποκλειστικά και μόνο στη μέτρηση της ενεργούς και άεργου ισχύος της εγκατάστασης και δίνει σαν έξοδο τις συσκευές του χρήστη που βρίσκονται σε λειτουργία Σκοπός της διπλωματικής εργασίας Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη αλγορίθμου, ο οποίος -έχοντας σαν είσοδο την ισχύ (ενεργό και άεργο) από τον έξυπνο μετρητή μας - θα είναι σε θέση να ξεχωρίζει την έναρξη και τη λήξη σημαντικών γεγονότων/φορτίων από άποψη ενεργειακής κατανάλωσης. Ο επιμερισμός αυτός της κατανάλωσης θα οδηγήσει στη γρηγορότερη και αποτελεσματικότερη αναγνώριση των φορτίων του καταναλωτή. 17

18 2 1 ος Αλγόριθμος 2.1 Περιγραφή του αλγορίθμου Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε και έχει σαν είσοδο την ενεργό και άεργο ισχύ (με τη μορφή πινάκων), όπως προκύπτουν από τον μετρητή του καταναλωτή με δειγματοληψία 200 msec, πετυχαίνει σε μεγάλο βαθμό την αναγνώριση σημαντικών ενεργειακών γεγονότων και διαστημάτων λειτουργίας φορτίων κυρίως με διακοπτική λειτουργία, όπως είναι τα μάτια της κουζίνας, ο ηλεκτρικός φούρνος, ο θερμοσίφωνας κτλ., τα οποία αποτελούν ένα σημαντικό μέρος των ενεργοβόρων συσκευών ενός σπιτιού. Η μεθοδολογία μας βασίζεται στην εύρεση θέσεων αλμάτων και πτώσεων ενεργού ισχύος, τις οποίες στη συνέχεια προσπαθούμε να συνδυάσουμε ώστε να προκύψουν τα γεγονότα (events) και τα διαστήματα λειτουργίας των φορτίων. Παρακάτω γίνεται προσπάθεια αναλυτικής περιγραφής του αλγορίθμου, ώστε να είναι ευκολότερη η κατανόησή του από τον αναγνώστη Έλεγχος για θέσεις αλμάτων και πτώσεων στον πίνακα Ρ Αρχικά διατρέχουμε τον πίνακα Ρ (είσοδος) και δημιουργούμε τον πίνακα Pnew και τον πίνακα Pinput, οι οποίοι είναι όμοιοι με τον Ρ, ώστε να τους επεξεργαστούμε αργότερα. Παράλληλα ελέγχουμε για θέσεις αλμάτων και πτώσεων ενεργού ισχύος (μεγαλύτερων των 300W), τις οποίες και καταχωρούμε σε δύο νέους πίνακες, τους TimeTemp1 και TimeTemp5 αντίστοιχα. Λόγω της μεγάλης δειγματοληψίας - 5 δείγματα το δευτερόλεπτο- και της συνθήκης που χρησιμοποιούμε πολλές από τις θέσεις που ανιχνεύονται στους παραπάνω πίνακες αντιστοιχούν σε θέσεις κοινών αλμάτων και πτώσεων. Θέσεις κοινών αλμάτων και πτώσεων αποτελούν, όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα, εκείνες οι οποίες αντιστοιχούν στην ίδια μεταβολή ισχύος. Για το λόγο αυτό ήταν απαραίτητο να δημιουργήσουμε δύο νέους πίνακες, τους TimeTemp2 και TimeTemp6. Ελέγχοντας, λοιπόν, τον πίνακα TimeTemp1 (πίνακας αλμάτων) δημιουργούμε τον πίνακα TimeTemp2, στον οποίο καταχωρούμε τις θέσεις των μη κοινών αλμάτων και, αν κάποιο άλμα έχει ανιχνευθεί περισσότερες από μία φορές μέσα σ ένα δευτερόλεπτο, τότε στον πίνακα TimeTemp2 καταχωρούμε μόνο την πρότερη θέση αυτού του άλματος - οι υπόλοιπες 18

19 αγνοούνται. Αντίστοιχος έλεγχος γίνεται και στον πίνακα TimeTemp5 (πίνακας πτώσεων) από τον οποίο προκύπτει ο πίνακας TimeTemp6 με τις θέσεις των μη κοινών πτώσεων και με την μεταγενέστερη θέση πτώσης για την περίπτωση των κοινών πτώσεων (Εικόνα 1). Εικόνα 1 (Παράδειγμα θέσης κοινού άλματος και κοινής πτώσης) Απαλοιφή ανεπιθύμητων θέσεων άλματος και πτώσης Το επόμενο βήμα είναι να απαλείψουμε από τον πίνακα TimeTemp2 τις θέσεις των αιχμών (ανεπιθύμητα άλματα) και από τον πίνακα TimeTemp6 τις θέσεις των ανεπιθύμητων πτώσεων (Εικόνα 2). Ανεπιθύμητα άλματα και πτώσεις θεωρούνται όσα δεν είναι μέρος της διακοπτικής λειτουργίας μιας συσκευής. Έτσι δημιουργούμε 4 νέους πίνακες: 1. τον TimeTemp3, ο οποίος περιέχει τις θέσεις των αιχμών-ανεπιθύμητων αλμάτων, 2. τον TimeTemp4, ο οποίος περιέχει τις υπόλοιπες θέσεις αλμάτων του πίνακα TimeTemp2, 3. τον TimeTemp7, ο οποίος περιέχει τις θέσεις των ανεπιθύμητων πτώσεων 4. και τον TimeTemp8, ο οποίος περιέχει τις υπόλοιπες θέσεις πτώσεων του πίνακα TimeTemp6. Εικόνα 2 (Παράδειγμα θέσης αιχμής-ανεπιθύμητου άλματος και θέσης ανεπιθύμητης πτώσης) 19

20 2.1.3 Ομαλοποίηση του πίνακα Pnew Στη συνέχεια τροποποιούμε κατάλληλα τον πίνακα Pnew (όμοιος με Ρ), ώστε να τον απαλλάξουμε από τις αιχμές-ανεπιθύμητα άλματα, τις ανεπιθύμητες πτώσεις και τον θόρυβο που εισάγουν οι συσκευές μικρής κατανάλωσης. Μ αυτόν τον τρόπο πετυχαίνουμε μια ομαλοποίηση της κυματομορφής του αρχικού πίνακα Ρ, η οποία θα μας φανεί χρήσιμη στη συνέχεια, όταν και θα χρειαστεί να υπολογίσουμε τα μεγέθη των αλμάτων και των πτώσεων (Εικόνα 3). Εικόνα 3 (Παράδειγμα ομαλοποίησης Πίνακας Ρ, Πίνακας Pnew) Έλεγχος για θέσεις αλμάτων και πτώσεων στον πίνακα Ρnew Μετά την τροποποίηση του πίνακα Pnew γίνεται ο αντίστοιχος έλεγχος για θέσεις αλμάτων και πτώσεων που έγινε και στον πίνακα Ρ δημιουργούμε έτσι τους νέους πίνακες TimeTemp9 (θέσεις αλμάτων) και TimeTemp10 (θέσεις πτώσεων). Στη συνέχεια πραγματοποιείται και πάλι ο έλεγχος για την απαλοιφή των περιττών θέσεων που αντιστοιχούν σε κοινά άλματα και πτώσεις στους πίνακες TimeTemp9 και TimeTemp10 με αποτέλεσμα να προκύπτουν οι αντίστοιχοι πίνακες TimeTemp11 και TimeTemp12. Έπειτα, για τις παραπάνω θέσεις υπολογίζουμε τα μεγέθη των αλμάτων και των πτώσεων και τα καταχωρούμε στους πίνακες diff_up και diff_down Υπολογισμός της έναρξης και της λήξης κάθε event Το επόμενο βήμα είναι να ξεχωρίσουμε από αυτό το σύνολο των αλμάτων και πτώσεων εκείνα τα άλματα και τις πτώσεις τα οποία αποτελούν την έναρξη και τη λήξη των γεγονότων (events). Ξεκινάμε, λοιπόν, με τον πίνακα TimeTemp12 (θέσεις πτώσεων) και χρησιμοποιούμε μία συνθήκη η οποία ορίζει πως, όταν μία θέση πτώσης βρίσκεται χρονικά πριν από μία θέση άλματος (πίνακας TimeTemp11), η 20

21 χρονική διαφορά τους είναι μεγαλύτερη των 1500 θέσεων (διάστημα 5 λεπτών) και η ενεργός ισχύς αυτής της θέσης πτώσης είναι μικρότερη των 600W, τότε αυτή η θέση θεωρείται πως αποτελεί τη λήξη ενός γεγονότος και την καταχωρούμε στον πίνακα TimeTemp22. Ταυτόχρονα, η ίδια συνθήκη ορίζει πως κάποια θέση αποτελεί λήξη, όταν μία θέση πτώσης βρίσκεται χρονικά πριν από μία θέση άλματος, η χρονική διαφορά τους είναι μεγαλύτερη των 500 θέσεων (διάστημα 1,66 λεπτών) και μικρότερη των 1500 θέσεων (διάστημα 5 λεπτών), η ενεργός ισχύς αυτής της θέσης πτώσης είναι μικρότερη των 600W και η διαφορά του μεγέθους της πτώσης με το μέγεθος του άλματος είναι μεγαλύτερη των 300W, τότε και αυτή την θέση την καταχωρούμε στον πίνακα TimeTemp22. Κατόπιν, για να βρούμε ποια από τα άλματα του πίνακα TimeTemp11 αποτελούν τις ενάρξεις των γεγονότων (events), θεωρούμε αρχικά πως το πρώτο άλμα του πίνακα είναι και η έναρξη του πρώτου γεγονότος και το καταχωρούμε στον πίνακα TimeTemp21. Στην συνέχεια, στον πίνακα αυτόν μετά από έλεγχο καταχωρούμε κάθε φορά το άλμα εκείνο του πίνακα TimeTemp11 το οποίο εντοπίζεται πρώτο μετά από την κάθε λήξη του πίνακα TimeTemp22. Μετά τη δημιουργία των δύο αυτών πινάκων, TimeTemp21 και TimeTemp22, είμαστε σε θέση να εξάγουμε τα γεγονότα (events) που εντοπίσαμε στον αρχικό μας πίνακα Ρ (Εικόνα 4). Εικόνα 4 (Δύο γεγονότα της αρχικής καμπύλης του πίνακα Ρ) Αναζήτηση της έναρξης και της λήξης κάθε φορτίου Μετά, λοιπόν, την εξαγωγή των γεγονότων θα προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε και τις θέσεις έναρξης και λήξης του κάθε φορτίου-συσκευής που λειτούργησε, ώστε αργότερα να είναι ακόμη ευκολότερη η αναγνώρισή τους. Για το λόγο αυτό δημιουργούμε δύο νέους πίνακες, τους TimeTemp13 και TimeTemp14, οι οποίοι είναι αρχικά όμοιοι με τους πίνακες TimeTemp11 και TimeTemp12 αντίστοιχα. Στην συνέχεια, μέσα από έλεγχο που πραγματοποιούμε στους πίνακες TimeTemp13 και TimeTemp14, πετυχαίνουνε να κρατήσουμε εκείνες τις θέσεις τις οποίες θεωρούμε πως μπορεί να αποτελούν την έναρξη και τη λήξη ενός φορτίου, ενώ στις υπόλοιπες 21

22 θέσεις εκχωρούμε το μηδέν. Ο έλεγχος αυτός προβλέπει πως, όταν μια θέση άλματος του πίνακα TimeTemp13 βρίσκεται χρονικά μετά από μια θέση πτώσης του πίνακα TimeTemp14, η χρονική διαφορά τους είναι μικρότερη των 150 θέσεων (διάστημα 30 δευτερολέπτων) και η διαφορά του μεγέθους του άλματος από το μέγεθος της πτώσης είναι μικρότερο των 250W, τότε στις αντίστοιχες θέσεις των πινάκων TimeTemp13 και TimeTemp14 εκχωρείται το μηδέν. Επίσης, στους TimeTemp13 και TimeTemp14 εκχωρείται το μηδέν όταν μια θέση άλματος του πίνακα TimeTemp13 βρίσκεται χρονικά μετά από μια θέση πτώσης του πίνακα TimeTemp14, η χρονική διαφορά τους είναι μικρότερη των 150 θέσεων (διάστημα 30 δευτερολέπτων) και η διαφορά της ενεργού ισχύος, όπως αυτή προκύπτει από τον πίνακα Pnew, της θέσης λίγο μετά το άλμα με τη θέση λίγο πριν την πτώση είναι μικρότερη των 250W. Θέλοντας τώρα να κρατήσουμε μονάχα τις θέσεις των πινάκων TimeTemp13 και TimeTemp14, που η τιμή τους είναι διάφορη του μηδενός, δημιουργούμε τους πίνακες TimeTemp15 (θέσεις έναρξης) και TimeTemp16 (θέσεις λήξης) και ταυτόχρονα - για αυτές και μόνο τις θέσεις - κρατάμε σε δύο νέους πίνακες, diff_up_2 και diff_down_2, τα μεγέθη των ενάρξεων και των λήξεων αντίστοιχα, όπως αυτά έχουν υπολογιστεί στους πίνακες diff_up και diff_down Απαλοιφή των κοινών θέσεων έναρξης και λήξης και ομαδοποίηση Στη συνέχεια του αλγορίθμου γίνεται προσπάθεια για την απαλοιφή των θέσεων έναρξης και λήξης από τους πίνακες TimeTemp15 και TimeTemp16 οι οποίες ενδέχεται να αντιστοιχούν στο ίδιο φορτίο. Έτσι, με μια συνθήκη η οποία προέκυψε μέσα από την παρατήρηση των εκάστοτε κυματομορφών των πινάκων Ρ (πίνακας εισόδου) θεωρούμε πως, όταν στον πίνακα TimeTemp15 έχουν εντοπιστεί δύο ενάρξεις σε διάστημα 25 θέσεων (διάστημα 5 δευτερολέπτων), τότε στον νέο πίνακα TimeTemp17 εκχωρούμε την πρότερη θέση έναρξης και υπολογίζουμε εκ νέου το μέγεθός της και το εκχωρούμε στον νέο πίνακα diff_up_3. Αντίστοιχα, όταν στον πίνακα TimeTemp16 έχουν εντοπιστεί δύο λήξεις σε διάστημα 25 θέσεων (διάστημα 5 δευτερολέπτων), τότε στον νέο πίνακα TimeTemp18 εκχωρούμε τη μεταγενέστερη θέση λήξης και υπολογίζουμε εκ νέου το μέγεθός της και το εκχωρούμε στο νέο πίνακα diff_down_3 (Εικόνα 5). Αφού, λοιπόν, έχουμε καταλήξει στις ενάρξεις και τις λήξεις των φορτίων, αλλά και στα μεγέθη αυτών, φροντίζουμε να τα ομαδοποιήσουμε ανά γεγονός (event) στους αντίστοιχους σύνθετους πίνακες Time_Temp1 (ομαδοποίηση ενάρξεων), Diff_Up1, Time_Temp2 (ομαδοποίηση λήξεων) και Diff_Down1, κάτι το οποίο θα μας διευκολύνει στην αντιστοίχιση της εκάστοτε έναρξης με τη λήξη του φορτίου. 22

23 Εικόνα 5 (Παράδειγμα θέσης κοινής έναρξης και λήξης φορτίου) Απαλοιφή ανεπιθύμητων θέσεων έναρξης και λήξης σε επίπεδο event Έχοντας πετύχει την παραπάνω ομαδοποίηση, πλέον ο έλεγχός μας εστιάζεται σε κάθε γεγονός μεμονωμένα. Διατρέχοντας, λοιπόν, το σύνθετο πίνακα Time_Temp1 για κάθε γεγονός (event) ελέγχουμε αν για κάθε θέση έναρξης υπάρχει μια άλλη θέση έναρξης, η οποία έπεται αυτής, αν η διαφορά του μεγέθους της μιας από την άλλη είναι μικρότερη από 250W και αν η διαφορά της ενεργού ισχύος, όπως προκύπτει από τον πίνακα Pnew, της θέσης λίγο μετά της μιας έναρξης από τη θέση λίγο μετά της άλλης είναι μικρότερη των 500W τότε, στις αντίστοιχες θέσεις των πινάκων Time_Temp1 και Diff_Up1 εκχωρούμε το μηδέν. Έτσι πετυχαίνουμε να κρατήσουμε στους νέους σύνθετους πίνακες Time_Temp3 και Diff_Up2 τις μοναδικές θέσεις ενάρξεων των φορτίων σε κάθε γεγονός, αλλά και τα μεγέθη αυτών. Αντίστοιχος έλεγχος γίνεται και στο σύνθετο πίνακα Time_Temp2 και έτσι προκύπτουν άλλοι δύο σύνθετοι πίνακες, ο Time_Temp4 και Diff_Down2, οι οποίοι περιέχουν με την σειρά τους τις μοναδικές θέσεις λήξεων των φορτίων σε κάθε γεγονός αλλά και τα μεγέθη αυτών Υπολογισμός της έναρξης και της λήξης κάθε φορτίου Το επόμενο και τελικό βήμα για τον υπολογισμό του διαστήματος κατά το οποίο λειτούργησε ένα φορτίο-συσκευή είναι να καταφέρουμε να αντιστοιχίσουμε τις θέσεις έναρξης των φορτίων από κάθε γεγονός του σύνθετου πίνακα Time_Temp3 με τις θέσεις λήξης των φορτίων από το αντίστοιχο γεγονός του σύνθετου πίνακα Time_Temp4. Το γεγονός αυτό επιτυγχάνεται μετά από έλεγχο, κατά τον οποίο η θέση έναρξης του φορτίου πρέπει προφανώς να προηγείται της θέσης λήξης του και η διαφορά του μεγέθους της έναρξης από τη λήξη του φορτίου να είναι μικρότερη των 350W (ο έλεγχος γίνεται πάντα σε επίπεδο γεγονότων και σύμφωνα με την ομαδοποίηση που προέκυψε παραπάνω). Εφόσον μια θέση έναρξης αντιστοιχηθεί με 23

24 μια θέση λήξης φορτίου, τότε στις αντίστοιχες θέσεις των σύνθετων πινάκων Diff_Up2 και Diff_Down2 εκχωρείται μια πολύ μεγάλη τιμή, ώστε να μη μπορούν αυτές οι θέσεις να αντιστοιχηθούν πουθενά αλλού. Καταφέραμε έτσι να δημιουργήσουμε δυο ισομεγέθεις πίνακες, τον TimeTemp19 και τον TimeTemp20. Στον μεν TimeTemp19 έχουμε εκχωρήσει τις θέσεις έναρξης των φορτίων, στο δε TimeTemp20 έχουμε εκχωρήσει στις αντίστοιχες θέσεις τις θέσεις λήξης των φορτίων. Παίρνοντας εν τέλει τα διαστήματα λειτουργίας των φορτίων-συσκευών (Εικόνα 6). Εικόνα 6 (Παράδειγμα έναρξης και λήξης δύο φορτίων σε κοινό γεγονός ) Τροποποίηση του πίνακα Pinput Τροποποιούμε με τέτοιον τρόπο τον πίνακα Pinput (Εικόνα 7), ώστε για τα διαστήματα των γεγονότων που έχουν υπολογιστεί παραπάνω στις αντίστοιχες θέσεις του πίνακα εκχωρούμε το μέσο όρο δύο τιμών, αυτών της ενεργού ισχύος λίγο πριν την έναρξη του γεγονότος και λίγο μετά την λήξη του. Ο πίνακας αυτός - απαλλαγμένος πλέον από τα γεγονότα που έχουν υπολογιστεί- θα αποτελέσει την είσοδο του δεύτερου αλγορίθμου αντί του πίνακα εισόδου Ρ. Εικόνα 7 (Πίνακας Pinput) 24

25 Υπολογισμός της ενέργειας των events και των φορτίων Στη συνέχεια του αλγορίθμου υπολογίζονται τα ποσοστά της ενέργειας που καταλαμβάνουν τα γεγονότα (events) και τα φορτία μας επί της συνολικής ενέργειας της κατανάλωσης. Τα ποσοστά αυτά αποτελούν και δείκτες αποτελεσματικότητας του αλγορίθμου μας. Έτσι, αρχικά, υπολογίζεται η ενέργεια βάσης της κατανάλωσης - χωρίς τα διαστήματα των γεγονότων - και στη συνέχεια υπολογίζεται η ενέργεια από κάθε γεγονός μεμονωμένα, καθώς και η συνολική ενέργειά τους. Ανάλογα υπολογίζεται και η ενέργεια βάσης της κατανάλωσης - χωρίς τα διαστήματα των φορτίων - και στην συνέχεια η ενέργεια που καταναλώνει καθένα ξεχωριστά, καθώς και η συνολική τους ενέργεια. Ο υπολογισμός της ενέργειας βάσης γίνεται κάθε φορά εντοπίζοντας την ελάχιστη τιμή της κατανάλωσής μας και ελέγχοντας όλη την κατανάλωση: όταν η τιμή της ξεπερνάει την ελάχιστη, τότε για την αντίστοιχη θέση θεωρούμε την ελάχιστη τιμή παραλείποντας κάθε φορά είτε τα διαστήματα των γεγονότων είτε τα διαστήματα των φορτίων. Ακολουθεί ο υπολογισμός της ενέργειας της συνολικής μας κατανάλωσης, καθώς και των ποσοστών που αναφέραμε παραπάνω. Ενέργεια Φορτίων Αντίστοιχη Ενέργεια Βάσης Percentage Συνολική Ενέργεια Κατανάλωσης Ενέργεια Γεγονότων Αντίστοιχη Ενέργεια Βάσης Percentage1 Συνολική Ενέργεια Κατανάλωσης Στο τέλος του αλγορίθμου γίνεται εκκαθάριση όλων των μεταβλητών εκτός αυτών που μας ενδιαφέρουν: Ploads: τα διαστήματα κατανάλωσης ενεργού ισχύος των φορτίων Qloads: τα διαστήματα κατανάλωσης άεργου ισχύος των φορτίων Time: η έναρξη και η λήξη των διαστημάτων κατανάλωσης των φορτίων Percentage: το ποσοστό της ενέργειας των φορτίων επί της κατανάλωσης Pevents: τα διαστήματα κατανάλωσης ενεργού ισχύος των γεγονότων Qevents: τα διαστήματα κατανάλωσης άεργου ισχύος των γεγονότων Time1: η έναρξη και η λήξη των διαστημάτων κατανάλωσης των γεγονότων Percentage1: το ποσοστό της ενέργειας των γεγονότων επί της κατανάλωσης 25

26 3 Αποτελέσματα 1 ου αλγορίθμου 3.1 Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων Χρησιμοποιώντας ένα αρχείο μετρήσεων (PQ_25_03_2013_to_27_03_2013), κατά την διάρκεια (από 25/3/2013 μέχρι 27/3/2013) των οποίων ο καταναλωτής κατέγραψε αναλυτικά (αρχείο excel) τα φορτία που χρησιμοποίησε καθώς και τα διαστήματα λειτουργίας τους, είμαστε σε θέση να παρουσιάσουμε και να αξιολογήσουμε τα αποτελέσματα του αλγορίθμου μας. Πριν περάσουμε στην αξιολόγηση των γεγονότων και των διαστημάτων των φορτίων που ανιχνεύθηκαν, μπορούμε παρατηρώντας την κυματομορφή της κατανάλωσης (Εικόνα 1, πίνακας εισόδου Ρ) και τα ποσοστά της ενέργειας που έχουν υπολογιστεί, στην προκειμένη περίπτωση 79,4% και 77,3% για την ενέργεια των γεγονότων και των φορτίων αντίστοιχα, να κάνουμε μια αρχική εκτίμηση για την αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου μας. Για το συγκεκριμένο αρχείο μετρήσεων τα παραπάνω ποσοστά ενέργειας κρίνονται ικανοποιητικά με βάση και την εικόνα της κατανάλωσης. Εικόνα 1 ( Συνολική κατανάλωση) 26

27 Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα του κώδικά μας, όπου με πράσινο χρώμα δηλώνονται τα γεγονότα, με μπλε χρώμα τα διαστήματα των φορτίων που εντοπίστηκαν και με κόκκινο χρώμα η πραγματική κατανάλωση. Σύμφωνα, λοιπόν, με το αρχείο στο οποίο καταγράψαμε την ώρα έναρξης και λήξης κάθε φορτίου και την μετατροπή αυτής στην αντίστοιχη θέση του πίνακα εισόδου ως συνέπεια της δειγματοληψίας μας, θα μπορέσουμε να κρίνουμε κατά πόσο τα αποτελέσματά μας αντικατοπτρίζουν την πραγματική κατανάλωση. Αρχικά, σύμφωνα με το αρχείο καταγραφής μας, τα δύο πρώτα σημαντικά φορτία της κατανάλωσης είναι ένα μάτι κουζίνας, το οποίο λειτουργεί από την θέση (13:33 25/3/2013) μέχρι την θέση (13:52 25/3/2013) του πίνακα Ρ, και ένας ηλεκτρικός φούρνος για το διάστημα (13:39 25/3/2013) με (14:08 25/3/2013) του πίνακα. Επίσης, θα πρέπει να έχουμε κατά νου ότι οι στιγμές έναρξης και λήξης που έχουν καταγραφεί για κάθε φορτίο ενδέχεται να μην είναι απόλυτα ακριβείς και, ως εκ τούτου, οποιαδήποτε μικρή απόκλιση από αυτές στα αποτελέσματά μας να μη λαμβάνεται υπόψιν. Παρατηρούμε ότι τα δύο φορτία έχουν ένα κοινό διάστημα κατανάλωσης, γεγονός το οποίο εισάγει μεγαλύτερη πολυπλοκότητα στην αναγνώριση του διαστήματος λειτουργίας του κάθε φορτίου και ενδέχεται να μας οδηγήσει σε λάθος αποτελέσματα. Ηλεκτρικό μάτι κουζίνας και ηλεκτρικός φούρνος 27

28 Παρόλα αυτά, στη συγκεκριμένη περίπτωση πετυχαίνουμε τη σωστή αναγνώριση ενός σημαντικού ενεργειακού διαστήματος (event) και των διαστημάτων λειτουργίας των δύο φορτίων, καθώς για το μάτι της κουζίνας η έναρξη και η λήξη υπολογίζονται στις θέσεις και του πίνακα Ρ αντίστοιχα και για τον ηλεκτρικό φούρνο στις θέσεις και Τα επόμενα δύο φορτία μας είναι δύο μάτια κουζίνας με διαστήματα λειτουργίας (16:19 25/3/2013) (16:36 25/3/2013) και (16:20 25/3/2013) (17:34 25/3/2013). Στην περίπτωση αυτή έχουμε και πάλι κοινό διάστημα λειτουργίας των φορτίων, το οποίο είναι δυνατόν να περιπλέξει την αναγνώριση καιόπως θα παρατηρήσουμε και από την εικόνα της κατανάλωσης- είναι πιθανό στο ευρύτερο διάστημα να λειτουργεί και τρίτο φορτίο, το οποίο παραλείφθηκε στην καταγραφή. Δύο ηλεκτρικά μάτια κουζίνας και ένα άγνωστο φορτίο Στην αναγνώρισή μας προκύπτει σωστά το ενεργειακό γεγονός (πράσινη κυματομορφή) και τρία διαστήματα λειτουργίας φορτίων. Το πρώτο διάστημα είναι το , το οποίο έχει πολύ μικρή απόκλιση από το αντίστοιχο διάστημα που έχει καταγραφεί και θα θεωρήσουμε την αναγνώριση πετυχημένη. Ωστόσο, στη συνέχεια, για τα άλλα δύο διαστήματα που υπολογίζονται, και , δεν είμαστε σε θέση να εξάγουμε ασφαλές συμπέρασμα εξαιτίας της πιθανής παράλειψης στην καταγραφή και του τρίτου φορτίου. 28

29 Η επόμενη περίπτωση είναι ακόμη πιο συνθέτη, καθώς στην κατανάλωσή μας έχουμε κοινό διάστημα λειτουργίας τριών φορτίων, ένα μάτι κουζίνας για το διάστημα (17:41 25/3/2013) (18:14 25/3/2013), ένα θερμοσίφωνο για το διάστημα (18:01 25/3/203) (18:46 25/3/2013) και έναν ηλεκτρικό φούρνο για το διάστημα (18:04 25/3/2013) (18:45 25/3/2013). Η αναγνώριση δυσχεραίνεται ακόμη περισσότερο, καθώς το αμέσως επόμενο φορτίο είναι και πάλι ένας ηλεκτρικός φούρνος, ο οποίος λειτουργεί στο διάστημα (18:52 25/3/2013) (19:17 25/3/2013) και του οποίου η έναρξη λειτουργίας είναι κοντά στην λήξη του ηλεκτρικού φούρνου που λειτούργησε νωρίτερα. Έτσι, και ενώ θα έπρεπε να εντοπιστούν δύο ενεργειακά γεγονότα (events), ένα για τα τρία παραπάνω φορτία και ένα ακόμη για τον δεύτερο ηλεκτρικό φούρνο, όπως θα δούμε και στα αποτελέσματα αναγνωρίζεται μόνο ένα γεγονός, το οποίο με την σειρά του μας οδηγεί στον υπολογισμό λανθασμένων διαστημάτων λειτουργίας των φορτίων. Ηλεκτρικό μάτι κουζίνας, θερμοσίφωνο και δύο ηλεκτρικοί φούρνοι κουζίνας Παρατηρούμε αυτό που αναφέρθηκε και παραπάνω για το ένα ενεργειακό γεγονός τα διαστήματα λειτουργίας που υπολογίζονται είναι: για το μάτι της κουζίνας το , του οποίου η έναρξη εντοπίζεται σωστά αλλά όχι η λήξη του, για το φορτίο του θερμοσίφωνα το διάστημα , το οποίο αναγνωρίζεται σωστά, και - τέλος - αναγνωρίζεται μόνο μία φορά το φορτίο του ηλεκτρικού φούρνου για το διάστημα , του οποίου η έναρξη αντιστοιχεί στην έναρξη του πρώτου ηλεκτρικού φούρνου και η λήξη του στην λήξη του δεύτερου. 29

30 Ακολουθούν τρείς απλούστερες περιπτώσεις μεμονωμένων φορτίων, ενός αερόθερμου για το διάστημα (20:44 25/3/2013) (21:00 25/3/2013), ενός φούρνου μικροκυμάτων - ο οποίος δεν έχει καταγραφεί αλλά φαίνεται στην κατανάλωση - και ενός θερμοσίφωνα για το διάστημα (7:35 26/3/2013) (7:55 26/3/2013). Αερόθερμο Πρώτα, λοιπόν, αναγνωρίζεται επιτυχημένα και το ενεργειακό γεγονός και το διάστημα λειτουργίας, , του αερόθερμου, το οποίο αποκλίνει ελάχιστα από την καταγραφή μας. Φούρνος μικροκυμάτων Παραπάνω φαίνεται η σωστή αναγνώριση και για το φορτίο του φούρνου μικροκυμάτων στο διάστημα και ακολουθεί η αναγνώριση του θερμοσίφωνα στο διάστημα λειτουργίας Θερμοσίφωνο 30

31 Τις επόμενες δύο περιπτώσεις αποτελούν η παράλληλη λειτουργία για κάποιο διάστημα δύο κάθε φορά φορτίων. Στην πρώτη ο συνδυασμός ενός αερόθερμου με διάστημα λειτουργίας το (7:59 26/3/2013) (8:10 26/3/2013) και ενός φούρνου μικροκυμάτων με διάστημα λειτουργίας (8:08 26/3/2013) (8:09 26/3/2013). Στην δεύτερη περίπτωση έχουμε ένα πιστολάκι μαλλιών για το διάστημα (8:23 26/3/2013) (8:26 26/3/2013) και ένα ακόμη φορτίο το οποίο φαίνεται στην κατανάλωση αλλά δεν έχει καταγραφεί. Ωστόσο, σ αυτήν την περίπτωση μπορεί το δεύτερο διάστημα λειτουργίας που αναγνωρίζει ο αλγόριθμός μας να μην αποτελεί κάποιο καινούργιο φορτίο και να είναι απλά η αλλαγή λειτουργίας με κάποιο διακόπτη του ίδιου φορτίου (πιστολάκι μαλλιών). Παρόλα αυτά, χωρίς να είμαστε βέβαιοι για την ύπαρξη ή μη δεύτερου φορτίου, θεωρούμε επιτυχημένη την αναγνώριση του συγκεκριμένου διαστήματος, καθώς για αυτό το διάστημα προκύπτει -όπως φαίνεται και στην κατανάλωση- ένα διάστημα μεγαλύτερης κατανάλωσης ενέργειας από το επίπεδο της ενέργειας στο οποίο βρισκόμασταν. Αερόθερμο και φούρνος μικροκυμάτων Τα διαστήματα λειτουργίας που υπολογίστηκαν στην πρώτη περίπτωση (αερόθερμοφούρνος μικροκυμάτων) και διαφέρουν ελάχιστα από τα καταγραφέντα είναι για το μεν αερόθερμο το διάστημα για τον δε φούρνο μικροκυμάτων το διάστημα κρίνοντας έτσι την αναγνώριση επιτυχημένη. 31

32 Πιστολάκι μαλλιών και άγνωστο φορτίο Στη δεύτερη περίπτωση τα διαστήματα που αναγνωρίζονται είναι το για το πιστολάκι μαλλιών, το οποίο και αυτό είναι πολύ κοντά στο αντίστοιχο διάστημα που έχει καταγραφεί, και το δεύτερο διάστημα για το άγνωστο φορτίο ή τη δεύτερη λειτουργία του σεσουάρ είναι το Στη συνέχεια έχουμε και πάλι την ταυτόχρονη λειτουργία για ένα διάστημα δύο ηλεκτρικών ματιών κουζίνας, το πρώτο διάστημα είναι το (18:44 26/3/2013) (19:06 26/3/2013) και το δεύτερο είναι το (19:01 26/3/2013) (19:09 26/3/2013) σύμφωνα με το αρχείο καταγραφής. Δύο ηλεκτρικά μάτια κουζίνας 32

33 Εκ του αποτελέσματος μπορούμε να διακρίνουμε πως ενώ το ενεργειακό γεγονός έχει εντοπιστεί ορθά δεν συμβαίνει το ίδιο και για τα διαστήματα λειτουργίας των δύο φορτίων. Ενώ, λοιπόν, το διάστημα για το δεύτερο μάτι κουζίνας έχει υπολογιστεί σωστά, , το διάστημα λειτουργίας για το πρώτο δεν υπολογίζεται και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, ενώ έχει εντοπιστεί σωστά η έναρξή του, αδυνατεί ο αλγόριθμός μας να εντοπίσει αναλόγου μεγέθους λήξη μέσα στο γεγονός, εξαιτίας της συνθήκης που χρησιμοποιούμε για την απόρριψη θέσεων που αντιστοιχούν σε θέση κοινής πτώσης και διατήρηση μονάχα της μεταγενέστερης θέσης. Τα τελευταία δύο σημαντικά φορτία σ αυτό το αρχείο μετρήσεων είναι ένας φούρνος μικροκυμάτων, που λειτουργεί στο διάστημα (8:02 27/3/2013) (8:03 27/3/2013) σύμφωνα με το αρχείο καταγραφής, και ένα ηλεκτρικό μάτι κουζίνας (δεν έχει καταγραφεί) σύμφωνα με την εικόνα της κατανάλωσης, τα οποία λειτουργούν μεμονωμένα. Φούρνος μικροκυμάτων Παρατηρούμε ότι εντοπίζονται σωστά τόσο το ενεργειακό γεγονός όσο και το διάστημα λειτουργίας του φορτίου, , κάτι το οποίο συμβαίνει και για όλες τις απλές περιπτώσεις των μεμονωμένων φορτίων. Έτσι υπολογίζεται ορθά και το διάστημα λειτουργίας του ηλεκτρικού ματιού κουζίνας, , όπως φαίνεται και παρακάτω. Ηλεκτρικό μάτι κουζίνας 33

34 4 2 ος Αλγόριθμος 4.1 Εισαγωγή Λόγω της αδυναμίας του 1 ου αλγορίθμου να αναγνωρίσει φορτία πέρα αυτών με διακοπτική κατανάλωση, κρίθηκε απαραίτητη η ανάπτυξη ενός 2 ου αλγορίθμου, ο οποίος αποτελεί μια διαφορετική προσέγγιση. Ο αλγόριθμος αποτελείται από περισσότερες από 600 γραμμές κώδικα. Συνεπώς η εις βάθος ανάλυσή του θα ήταν πολύπλοκη και κουραστική για τον αναγνώστη. Γι αυτό θα προσπαθήσουμε να αποδώσουμε περιληπτικά με τον βέλτιστο τρόπο την ροή του. Σε περίπτωση που ο αναγνώστης απαιτεί μεγαλύτερη εμβάθυνση στον αλγόριθμο - ή έστω ενός κομματιού του - τότε είναι απαραίτητη η μελέτη του ίδιου του κώδικα παράλληλα με τα επεξηγηματικά σχόλια που παρατίθενται μέσα σε αυτόν. Η λογική που ακολουθήσαμε κατά τη δημιουργία του συγκεκριμένου αλγορίθμου ήταν η απομόνωση των σημείων ενδιαφέροντος της κυματομορφής δημιουργώντας κάθε φορά καινούριους πίνακες, δηλαδή καινούριες κυματομορφές. Ορισμένες από τις κυματομορφές που προκύπτουν έχουν παρόμοια μορφή με την αρχική, όμως οι περισσότερες είναι τελείως διαφορετικές. Στόχος αυτών των αναδιαμορφώσεων είναι η αναπαράσταση της εκάστοτε πληροφορίας με τέτοιον τρόπο, ώστε να είναι ευκολότερα αναγνώσιμη από τον αλγόριθμο. Για την επεξήγηση του αλγορίθμου, βήμα προς βήμα, θα χρησιμοποιήσουμε ένα δείγμα - ή καλύτερα απόσπασμα - μιας μεγαλύτερης κυματομορφής. Οι δύο κυματομορφές που θα χρησιμοποιηθούν είναι πραγματικές μετρήσεις ενεργού (Ρ) και άεργου (Q) ισχύος ενός οικιακού καταναλωτή. Για καλύτερη κατανόηση αλλά και λόγω του τεράστιου όγκου των δεδομένων που έχουμε - ακόμα και σε αυτά τα μικρότερα δείγματα - όπου κρίνεται απαραίτητο θα μεγεθύνουμε πάνω στις κυματομορφές, εστιάζοντας κάθε φορά στο πρόβλημα που καλείται να αντιμετωπίσει το κάθε κομμάτι του αλγορίθμου. Σε ελάχιστες περιπτώσεις θα δοθούν και μεγεθύνσεις από άλλες κυματομορφές, καθώς κάποια γενικότερα προβλήματα που χρειάστηκε να αντιμετωπισθούν δεν εμφανίζονται στο συγκεκριμένο δείγμα. 34

35 Στις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε δειγματοληψία 5 sample/sec, δηλαδή αποθηκεύαμε στιγμιαία τιμή P και Q κάθε 200 msec. Τέλος, να επισημάνουμε πως πολλές φορές, αναφερόμενοι στα δεδομένα μας, χρησιμοποιούμε τον όρο «πίνακας» αντί για «κυματομορφή». Αυτό δεν πρέπει να προκαλεί σύγχυση καθώς κάθε πίνακάς μας απεικονίζεται στην αντίστοιχη κυματομορφή του. Οι αρχικές μετρήσεις ενεργού ισχύος είναι οι εξής: Αρχική κυμματομορφή ενεργού ισχύος Όπως ήδη αναφέραμε θα χρησιμοποιήσουμε ένα δείγμα αυτών των μετρήσεων για την επεξήγηση του αλγορίθμου, την κυματομορφή Ρ: Κυματομορφή Ρ 35

36 Η αντίστοιχη μέτρηση της άεργου ισχύος Q είναι η εξής: Κυματομορφή Q 36

37 4.2 Ανάλυση αλγορίθμου Η επεξήγηση του αλγορίθμου χωρίζεται σε επιμέρους παραγράφους. Κάθε παράγραφος ασχολείται με διαφορετικό κομμάτι του κώδικα, ούτως ώστε η ροή του αλγορίθμου να είναι πιο εύκολα κατανοητή στον αναγνώστη Απομόνωση στιγμιαίων αιχμών Εξετάζοντας τις παραπάνω κυματομορφές, το πρώτο που παρατηρεί κανείς είναι οι πολλές στιγμιαίες αιχμές (spikes) που εμφανίζονται και εξαφανίζονται αμέσως. Αυτές οφείλονται σε εκκινήσεις κινητήρων. Σε έναν οικιακό καταναλωτή η αντλία του ψυγείου είναι ο πιο συνηθισμένος κινητήρας ο οποίος - καθώς εκκινεί αυτομάτως ανά τακτά χρονικά διαστήματα - προσθέτει και τις περισσότερες από αυτές τις χαρακτηριστικές αιχμές. Οι αιχμές αυτές έχουν την εξής χαρακτηριστική μορφή: Αιχμές κινητήρων Ο αλγόριθμος αποθηκεύει τη θέση αυτών των αιχμών και στη συνέχεια τις εξαλείφει από την κυματομορφή. Σ αυτό το σημείο κρίνεται απαραίτητο να κάνουμε μια μικρή παρένθεση για να αναφέρουμε τους πίνακες Pmid και Qmid. Αποτελούν ενδιάμεσους πίνακες, οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε αρκετές περιπτώσεις στον αλγόριθμο και είναι ίδιου μεγέθους με τους πίνακες από τους οποίους προκύπτουν. Αποθηκεύουμε σε αυτούς διαφορές διαδοχικών μετρήσεων. 37

38 Για παράδειγμα, ο πίνακας Pmid προκύπτει από τον πίνακα P και κάθε στοιχείο του έχει τιμή Pmid ( i) P( i 1) P( i) (4.1) Για την αναγνώριση αυτών των αιχμών αρχικά δημιουργούμε τους πίνακες Pmid και Qmid. Δουλεύουμε με τον Pmid: Κυματομορφή Pmid Παρατηρούμε ότι στον Pmid η εκκίνηση ενός κινητήρα εμφανίζεται ώς μια μεγάλη αιχμή ισχύος ακολουθούμενη από μία -αντίστοιχα μεγάλη- αρνητική: Μορφή αιχμής στον Pmid που οφείλεται σε εκκίνηση κινητήρα 38

39 Για την απομόνωσή τους ο αλγόριθμος σαρώνει την κυματομορφή. Όταν συναντήσει αιχμή μεγαλύτερη των 200W, τότε έχουμε πιθανό σημείο εκκίνησης κινητήρα. Όπως φαίνεται και στο σχήμα που ακολουθεί, εντοπίζουμε τη μέγιστη (max) και την ελάχιστη (min) τιμή του Pmid στις επόμενες 50 θέσεις. Σε περίπτωση που min<-200w και οι τιμές max και min απέχουν μεταξύ τους λιγότερο από 30 θέσεις, τότε όντως έχουμε εκκίνηση κάποιου κινητήρα. Έλεγχος για την απομόνωση των αιχμών που οφείλονται σε κινητήρες Σε περίπτωση θετικής ταυτοποίησης οι αιχμές αυτές αποθηκεύονται στον κατά τα άλλα μηδενικό πίνακα Pfridge, ενώ εξαλείφονται από τον Pmid, με αποτέλεσμα να προκύψει ο πίνακας Pmid2. Η ονομασία Pfridge ίσως να είναι ελαφρώς ατυχής, καθώς -όπως ήδη αναφέραμε- σε έναν οικιακό καταναλωτή το ψυγείο προκαλεί τις περισσότερες από αυτές τις αιχμές, όχι όμως όλες. Τα όρια που χρησιμοποιήθηκαν προέκυψαν ύστερα από μελέτη πολλών κυματομορφών και επιλέχθηκαν με γνώμονα την αναγνώριση εκκινήσεων από ένα μεγάλο εύρος κινητήρων. Σε όσες κυματομορφές δοκιμάστηκε ο αλγόριθμος είχαμε 100% επιτυχία στην απομόνωση αυτών των χαρακτηριστικών αιχμών. 39

40 Οι 2 καινούριοι πίνακες Pfridge και Pmid2 που προκύπτουν έχουν την εξής κυματομορφή: Κυματομορφή Pfridge Κυματομορφή Pmid2 40

41 Είναι εύκολα αντιληπτό πως ενώνοντας τους Pfridge και Pmid2 προκύπτει ο Pmid. Επόμενο βήμα είναι η αναδιαμόρφωση του αρχικού μας P. Η λογική που ακολουθούμε είναι απλή. Στα σημεία που προηγουμένως είχαμε αιχμή, τώρα αποθηκεύουμε την τελευταία τιμή ισχύος που είχαμε, πριν αυτή δημιουργηθεί. Ο πίνακας που προκύπτει είναι ο P2. Παραθέτουμε την αρχική κυματομορφή Ρ, μεγέθυνση για καλύτερη κατανόηση. την καινούρια Ρ2, καθώς και μια Κυματομορφή P Κυματομορφή P2 41

42 P Ρ2 Παράλληλα με τις μετρήσεις ενεργού ισχύος Ρ, αναδιαμορφώνουμε -ακολουθώντας την ίδια διαδικασία- και τις μετρήσεις της άεργου ισχύος Q. Προκύπτουν οι πίνακες Qfridge και Q2 των οποίων οι κυματομορφές φαίνονται παρακάτω: Qfridge (πάνω) / Q2 (κάτω) 42

43 4.2.2 Μείωση δειγματοληψίας Η ορθή λειτουργία του αλγορίθμου βασίζεται στη σωστή χρήση των πινάκων Pmid και Qmid. Κατά την σάρωση μιας κυματομορφής ενεργού ισχύος συναντάμε 2 είδη φορτίων: Φορτία που στο άνοιγμά τους αποκτούν σχεδόν στιγμιαία τη μέγιστη τιμή ενεργού ισχύος (πχ θερμικά). Φορτίο με απότομη αύξηση της ισχύος του Φορτία που στο άνοιγμά τους αυξάνουν σταδιακά την ενεργό τους ισχύ μέχρι τη μέγιστή της τιμή. Φορτίο με βαθμιαία αύξηση της ισχύος του 43

44 Η δεύτερη κατηγορία είναι ο λόγος που μας οδηγεί στη χρήση μικρότερης δειγματοληψίας. Πιο συγκεκριμένα, η λογική πίσω από τον πίνακα Pmid είναι η εμφάνιση είτε μεγάλων θετικών αιχμών, όταν έχουμε απότομη αύξηση της ισχύος, είτε μια επαλληλία μικρότερων θετικών, όταν έχουμε βαθμιαία αύξηση της ισχύος. Όπως διαπιστώνουμε στην επόμενη εικόνα, χρησιμοποιώντας μεγάλη δειγματοληψία υπάρχει ο κίνδυνος, ενώ έχουμε θετική κλίση στην κυματομορφή, κάποιο δείγμα να είναι στην πραγματικότητα ίσο ή μικρότερο από το προηγούμενό του. Κάτι τέτοιο προφανώς θα οδηγούσε σε εσφαλμένα συμπεράσματα κατά την ανάγνωση του Pmid. Μεγέθυνση: Πιθανό σημείο σφάλματος Το πρόβλημα αυτό λύνεται, αν χρησιμοποιήσουμε ως είσοδο για τον υπόλοιπο αλγόριθμο τους πίνακες Pss και Qss. Αυτοί προκύπτουν από τους P2 και Q2 μειώνοντας την δειγματοληψία από 1 sample ανά 200 msec σε 1 sample ανά 2 sec (Εξού και η ονομασία ss smallersampling). Να σημειωθεί πως η μικρότερη δειγματοληψία εφαρμόζεται αφού πρώτα έχουν απομονωθεί οι εκκινήσεις των κινητήρων. Σε διαφορετική περίπτωση πολλές από αυτές δεν θα είχαν ανιχνευθεί σωστά, καθώς διαρκούν μόνο ελάχιστες θέσεις. 44

45 Ακολουθούν οι 2 καινούριες κυματομορφές: Κυματομορφή Pss Κυματομορφή Qss Παρατηρούμε ότι οι καινούριοι πίνακες αποτελούν πιστή αναπαράσταση των αρχικών, δηλαδή δεν παραλείπουμε κάποιο φορτίο. 45

46 Συνέχεια έχει η ανάλυση των πινάκων Pss και Qss. Πρώτο μας βήμα είναι η δημιουργία των πινάκων Pmid3 και Qmid3 ακολουθώντας την διαδικασία που ήδη έχουμε αναφέρει. Προκύπτουν οι παρακάτω κυματομορφές. Pss (πάνω) / Pmid3 (κάτω) Qss (πάνω) / Qmid3 (κάτω) 46

47 Παρατηρώντας τους καινούριους πίνακες διαπιστώνουμε ότι φορτία με απότομη αλλαγή ισχύος στον Pss γίνονται εύκολα αντιληπτά και στον πίνακα Pmid3. Αντιθέτως, φορτία του Pss με βαθμιαία αλλαγή της ισχύος τους δεν είναι εμφανή στον Pmid3, καθώς στη θέση τους υπάρχουν πολλά μικρότερα spikes αντί για ένα μεγαλύτερο. Το πρόβλημά μας αντιμετωπίζεται με τη δημιουργία των πινάκων Pmid4 και Qmid4. Οι Pmid4/Qmid4 προκύπτουν από τους Pmid3/Qmid3, αν προσθέσουμε διαδοχικά θετικά ή αρνητικά spikes. Η μορφή των Pmid4/Qmid4 γίνεται πιο εύκολα αντιληπτή από τις κυματομορφές που ακολουθούν. Κυματομορφή Pss Κυματομορφή Pmid3 Κυματομορφή Pmid4 47

48 Για καλύτερη κατανόηση της διαφοράς του Pmid3 με τον Pmid4 παραθέτουμε την παρακάτω μεγέθυνση. Μεγέθυνση: Pss (πάνω) / Pmid3 (μέση) / Pmid4 (κάτω) Παρατηρούμε ότι μια βαθμιαία μεταβολή της ισχύος απεικονίζεται στον Pmid4 ως ορθογώνιο ύψους ίσου με την μέγιστη (peak) τιμή και διάρκεια ίση με αυτή της μεταβολής μας. Τέλος, προκειμένου να μειώσουμε το θόρυβο στις κυματομορφές μας, φιλτράρουμε τους πίνακες Pmid4 και Qmid4 αποθηκεύοντας μόνο τιμές ισχύος μεγαλύτερες των 40 Watt και 45 VAr, αντίστοιχα. Καταφέρνουμε έτσι να μειώσουμε την παραμόρφωση των κυματομορφών μας, χωρίς να χάνουμε σημαντικές πληροφορίες. Να σημειώσουμε πως υπάρχει ο κίνδυνος φορτία μικρότερα των 40 Watt να μην ανιχνευθούν. Όμως η συμπεριφορά ενός οικιακού καταναλωτή καθορίζεται κυρίως από τα μεγάλα φορτία που έχει εγκατεστημένα. Συνεπώς, η εφαρμογή του φίλτρου κρίνεται απαραίτητη, καθώς τα οφέλη είναι σημαντικότερα από τα μειονεκτήματα. Προκύπτουν οι πίνακες Pmid4_filtered και Qmid4_filtered. Μεγέθυνση: Pss (πάνω) / Pmid4_filtered (κάτω) 48

49 4.2.3 Διαχωρισμός ON-OFF κινητήρων και άλλων φορτίων Σε αυτό το σημείο έχουμε δημιουργήσει επιτυχώς τους πίνακες Pmid4_filtered και Qmid4_filtered, ενώ προηγουμένως έχουμε απομονώσει τις αιχμές που οφείλονται σε εκκινήσεις κινητήρων στους πίνακες Pfridge και Qfridge. Πρώτο μας βήμα είναι η αναδιαμόρφωση των πινάκων Pmid4_filtered και Qmid4_filtered. Η διαδικασία που ακολουθούμε είναι η ίδια και για τους δυο πίνακες. Η επεξήγηση γίνεται χρησιμοποιώντας τον Pmid4_filtered. Στόχος μας είναι η μετατροπή όλων των αιχμών της κυματομορφής, ανεξαρτήτως διάρκειας (στην περίπτωση ορθογώνιων spikes στον Pmid4_filtered), σε στιγμιαίες αιχμές. Με αυτόν τον τρόπο όλες οι μεταβολές ισχύος, στιγμιαίες ή μη, αντιμετωπίζονται με τα ίδια κριτήρια. Μελλοντικά, σε περαιτέρω ανάπτυξη του αλγορίθμου, θα μπορούσαμε να εισαγάγουμε κριτήρια που θα λαμβάνουν υπόψη τη διάρκεια κάθε αιχμής ούτως ώστε να έχουμε καλύτερη αναγνώριση και διαχωρισμό διαφόρων φορτίων. Προκειμένου να μην αντιμετωπίζει πρόβλημα το MATLAB στη ροή του αλγορίθμου, πρέπει να διαχωρίσουμε πρώτα τον πίνακά μας σε θετικές και αρνητικές αιχμές. Προκύπτουν οι πίνακες P_on και P_off. Pmid4_filtered (πάνω) / P_on (μέση) / P_off (κάτω) 49

50 Ακολουθεί η μετατροπή όλων των αιχμών σε στιγμιαίες. Η μετατροπή γίνεται για τον κάθε πίνακα ξεχωριστά, με αποτέλεσμα να προκύψουν οι πίνακες P_on_spikes και P_off_spikes. Η παρακάτω μεγέθυνση βοηθάει στην καλύτερη κατανόηση των καινούριων κυματομορφών. Μεγέθυνση: P_on(πάνω) / P_on_spikes (κάτω) Επόμενό μας βήμα είναι η ένωση των δύο πινάκων, P_on_spikes και P_off_spikes, σε έναν ενιαίο, τον P_spikes. Κυματομορφή P_spikes 50

51 Αντίστοιχα, προκύπτει και ο πίνακας Q_spikes. Κυματομορφή Q_spikes Τελικό στάδιο αυτού του κομματιού του αλγορίθμου είναι ο συγχρονισμός των δύο πινάκων, P_spikes και Q_spikes. Αυτό είναι απαραίτητο, καθώς υπάρχει περίπτωση σε μερικές θέσεις μια αιχμή του P_spikes να διαφέρει από την αντίστοιχη αιχμή του Q_spikes κατά μία ή το πολύ δύο θέσεις. Ο πίνακας P_spikes μένει αμετάβλητος ενώ προσαρμόζουμε σε αυτόν τον Q_spikes, με αποτέλεσμα να προκύψει ο Q_spikes_synched. Σε αυτό το σημείο ας κάνουμε μια αναδρομή στα προηγούμενα και πιο συγκεκριμένα στην αφαίρεση των χαρακτηριστικών αιχμών που οφείλονται σε εκκινήσεις κινητήρων. Είχαμε εξαλείψει τις αιχμές αυτές, με αποτέλεσμα η νέα κυματομορφή - όπως ήδη έχουμε εξηγήσει - να είναι η εξής: Η κυματομορφή της ενεργού ισχύος πριν και μετά την αφαίρεση των αιχμών που προκαλούν οι εκκινήσεις κινητήρων 51

52 Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο πίνακας P_spikes να αποκτά την παρακάτω κυματομορφή: Μεγέθυνση: Pss(αριστερά) / P_spikes(δεξιά) Όπως παρατηρούμε, οι κινητήρες εμφανίζονται στην κυματομορφή P_spikes όπως οποιοδήποτε άλλο φορτίο. Γι αυτόν το λόγο πρέπει να τους διαχωρίσουμε. Σαρώνοντας και συγκρίνοντας τον P_spikes με τον P_fridge που είχαμε δημιουργήσει προηγουμένως, καταφέρνουμε να απομονώσουμε τις αιχμές των κινητήρων από αυτές των υπόλοιπων φορτίων. Έτσι δημιουργούμε τους πίνακες P_spikes_fridge, ο οποίος περιέχει μόνο τις αιχμές των κινητήρων, και τον P_spikes2, που περιέχει όλες τις υπόλοιπες. Στην παρακάτω εικόνα παραθέτουμε την ίδια μεγέθυνση για τους δύο καινούριους πίνακες. Παρατηρούμε ότι οι δύο αιχμές, που οφείλονται σε κινητήρες, εμφανίζονται στον P_spikes_fridge όχι όμως στον P_spikes2. Pss P_spikes P_spikes_fridge P_spikes2 52

53 Να σημειώσουμε εδώ ότι στον P_spikes_fridge αποθηκεύουμε μόνο θετικές αιχμές, δηλαδή μόνο τις στιγμές που έχουμε ΟΝ κάποιου κινητήρα. Το αντίστοιχο OFF καθενός θα πρέπει να το αναζητήσουμε στις αρνητικές αιχμές του P_spikes2 και να κάνουμε την ταυτοποίηση Ταυτοποίηση ON-OFF κινητήρων Ας επανέλθουμε στην μεγέθυνση που χρησιμοποιήσαμε προηγουμένως. Παρακάτω παραθέτουμε την ίδια μεγέθυνση συμπεριλαμβάνοντας όμως και τα αντίστοιχα OFF, δηλαδή το κλείσιμο των κινητήρων. Παράλληλα, δίνω την αντίστοιχη κυματομορφή της άεργου ισχύος Q. Μεγέθυνση:Pss (πάνω) / Qss(κάτω) Στην κυματομορφή της ισχύος Pss παρατηρούμε ότι -μετά την εκκίνηση ενός κινητήρα- η καμπύλη ακολουθεί αρνητική κλίση, δηλαδή η ισχύς μειώνεται με το πέρασμα του χρόνου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η αρνητική αιχμή ισχύος του Pss να έχει σημαντικά μικρότερη τιμή από την θετική στην οποία αντιστοιχεί, γεγονός που προκαλεί δυσκολία στην ταυτοποίηση. Αντιθέτως, η άεργος Qss παραμένει σταθερή καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας. Συνεπώς, θα ήταν ευκολότερο να ταυτοποιούμε τα κλεισίματα χρησιμοποιώντας μόνο τον πίνακα Qss. Όμως, ανάλογα με την ισχύ και το συντελεστή ισχύος κάθε κινητήρα, υπάρχει περίπτωση να μην εμφανίζεται αρκετή άεργος ισχύς Q ώστε να ανιχνευθεί από τον αλγόριθμο. Υπενθυμίζουμε ότι έχουμε προηγουμένως φιλτράρει τους πίνακες σε μεταβολές Qμεγαλύτερες των 45 VAr. 53

54 Αυτό φαίνεται καλύτερα στην παρακάτω μεγέθυνση, όπου παραθέτουμε το αντίστοιχο διάστημα των κυματομορφών P_spikes και Q_spikes_synched. Μεγέθυνση:P_spikes (πάνω) / Q_spikes_synched (κάτω) Να επισημάνουμε ότι ο P_spikes χρησιμοποιείται στην παραπάνω μεγέθυνση καθαρά για λόγους αναπαράστασης, καθώς ο P_spikes_fridge δεν περιέχει και τις αρνητικές αιχμές. Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι ενώ οι αιχμές ενεργού ισχύος ανιχνεύονται και για τους δυο κινητήρες, οι αντίστοιχες της άεργου ισχύος ανιχνεύονται μόνο για τον πρώτο, καθώς ο δεύτερος εμφανίζει μικρή Q. Συνεπώς, η ταύτιση ON-OFF για τον πρώτο κινητήρα μπορεί να γίνει μέσω της άεργου ισχύος Q. Προφανώς, όταν έχουμε κάποια επιτυχημένη ταύτιση, εξαλείφουμε την αντίστοιχη αρνητική αιχμή ώστε αυτή να μην ξαναχρησιμοποιηθεί σε μια επόμενη ταυτοποίηση. Για τον δεύτερο κινητήρα η προσέγγιση που ακολουθούμε είναι διαφορετική. 54

55 Σε κινητήρες μικρής άεργου ισχύος, για την ταύτιση ON-OFF ελέγχουμε την κλίση της καμπύλης μεταξύ των 2 αιχμών. Όπως φαίνεται από το επόμενο σχήμα υπολογίζουμε την γωνία «α». Αν αυτή είναι μικρότερη των 10 μοιρών, θεωρούμε πως έχουμε ταυτοποίηση. Ταύτιση ON-OFF κινητήρων μικρής άεργου ισχύος Για κάθε επιτυχή αντιστοίχιση, αποθηκεύουμε τις αντίστοιχες θέσεις στους πίνακες fridge_on και fridge_off. Τονίζουμε ότι στους πίνακες αυτούς αποθηκεύουμε θέσεις και όχι τιμές ισχύος. Για παράδειγμα, ο 2 ος κατά χρονική σειρά κινητήρας που εντοπίζουμε θα εκκινεί στη θέση fridge_on(2) ενώ θα κλείνει στη θέση fridge_off(2). 55

56 4.2.5 Ταυτοποίηση ON-OFF φορτίων R-L-C εκτός κινητήρων Η διαδικασία είναι αρκετά απλή. Πρώτο μας βήμα είναι να διαχωρίσουμε το είδος του φορτίου στο οποίο ανήκει κάθε αιχμή, είτε είναι θετική είτε αρνητική. Όταν, σαρώνοντας τον πίνακα P_spikes2 ο οποίος -υπενθυμίζουμε πως- είναι απαλλαγμένος από αιχμές κινητήρων, συναντήσουμε P _ spikes2( i) 0, τότε έχουμε τις εξής 3 περιπτώσεις: P _ spikes 2( i) Q _ spikes _ synched ( i) 0 P _ spikes 2( i) Q _ spikes _ synched ( i) 0 P _ spikes 2( i) Q _ spikes _ synched ( i) 0 Ωμικό φορτίο Επαγωγικό φορτίο Χωρητικό φορτίο Προκύπτουν οι εξής πίνακες για κάθε είδος φορτίου: P_R_on / Q_R_on και P_R_off / Q_R_off για ωμικά φορτία P_L_on / Q_L_on και P_L_off / Q_L_off για επαγωγικά φορτία P_C_on / Q_C_on και P_C_off / Q_C_off για χωρητικά φορτία Να τονίσουμε, σε περίπτωση που προκαλεί σύγχυση, ότι ο παραπάνω διαχωρισμός σε on ή off οφείλεται αποκλειστικά στο πρόσημο της ισχύος στη συγκεκριμένη αιχμή ισχύος. Η αντιστοίχιση των ON-OFF είναι το επόμενο και τελευταίο μας βήμα. Η διαδικασία ταυτοποίησης και για τα 3 είδη φορτίων (R L C ) είναι η ίδια. Ενδεικτικά, περιγράφουμε την ταυτοποίηση των επαγωγικών φορτίων. Από τους αντίστοιχους πίνακες, υπολογίζουμε τα μέτρα των διανυσμάτων: ON P _ L _ on( i) Q _ L _ on( i) 2 2 (4.2) και OFF P _ L _ off ( j) Q _ L _ off ( j) 2 2 (4.3) Οι συγκρίσεις προφανώς γίνονται μόνο για τις επόμενες θέσεις από αυτήν του ΟΝ και όχι και για τις προηγούμενες. Ελέγχουμε την απόλυτη τιμή της διαφοράς τους: abs( ON OFF ) 0.1 ON (4.4) Σε περίπτωση που η απόλυτη τιμή της διαφοράς ON OFF είναι μικρότερη του 10% του μέτρου ΟΝ τότε έχουμε ταυτοποίηση. Δηλαδή, το επαγωγικό φορτίο που άνοιξε στη θέση «i» κλείνει στη θέση «j». 56

57 Ακολουθώντας την προηγούμενη διαδικασία προκύπτουν οι τελικοί πίνακες: R_on και R_off για ωμικά φορτία L_on και L_off για επαγωγικά φορτία C_on και C_off για χωρητικά φορτία Υπενθυμίζουμε ξανά ότι, όπως ακριβώς και οι fridge_on/fridge_off, οι παραπάνω πίνακες αποθηκεύουν χρονικές στιγμές και όχι τιμές ισχύος. 57

58 5 Αποτελέσματα 2 ου αλγορίθμου 5.1 Εισαγωγή Ο 2 ος αλγόριθμος αποτελεί μια διαφορετική προσέγγιση ακολουθήθηκε για αναγνώριση φορτίων και είναι ακόμα υπό ανάπτυξη. Υπάρχουν πολλές τροποποιήσεις, κριτήρια αλλά και καινούριες ιδέες που πρέπει να εισαχθούν προκειμένου να είναι πλήρως λειτουργικός. Όπως θα φανεί και στη συνέχεια, αναγνωρίστηκαν σωστά πολλά φορτία. Όμως, υπήρχαν και αρκετά φορτία για τα οποία δεν γινόταν σωστά η αντιστοίχιση των ανοιγμάτων με τα κλεισίματα (ON-OFF). Συνεπώς, καθώς δεν μπορούσαμε να είμαστε σίγουροι για όλα τα αποτελέσματα, αποφασίσαμε να μην συμπεριλάβουμε ολόκληρο τον 2 ο αλγόριθμο κατά την ένωση των δύο αλγορίθμων. Αντιθέτως, όπως θα φανεί σε επόμενο κεφάλαιο, στον τελικό αλγόριθμο αξιοποιήσαμε μόνο την αναγνώριση των κινητήρων, καθώς αυτή ήταν πλήρως λειτουργική. Ακολουθεί μια παρουσίαση των αποτελεσμάτων των 2 ου αλγορίθμου, όπως αυτός αναπτύχθηκε στο 4 ο Κεφάλαιο. Δεδομένου ότι, όπως αναφέραμε, ο αλγόριθμος ακόμα δεν είναι πλήρως λειτουργικός δεν υπάρχει λόγος για εκτενή παρουσίαση αποτελεσμάτων. Παρουσιάζονται κάποια επιτυχημένα αποτελέσματα, κάποια εσφαλμένα και τέλος, παραθέτουμε τις δυσκολίες και τα προβλήματα που συναντώνται. 58

59 5.2 Αποτελέσματα Υπενθυμίζουμε τα δεδομένα που προκύπτουν από τον 2 ο αλγόριθμο. ΕΙΔΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΘΕΣΗ ΟΝ ΘΕΣΗ OFF ΠΟΣΟΣΤΟ ΕΠΙΤΥΧΙΑΣ Κινητήρας fridge_on fridge_off fridge_success(%) Ωμικό R_on R_off R_success(%) Επαγωγικό L_on L_off L_success(%) Χωρητικό C_on C_off C_success(%) Τα ποσοστά fridge_success, R_success, L_success και C_success δεν αποτελούν ποσοστό επιτυχημένης αναγνώρισης. Αντιπροσωπεύουν το ποσοστό των φορτίων για τα οποία βρέθηκε αντιστοίχιση ON-OFF. Για παράδειγμα, αν σε μια κυματομορφή ανιχνευθούν 10 θετικές αιχμές που οφείλονται σε ωμικά φορτία, από τις οποίες καταφέραμε να αντιστοιχίσουμε αρνητική αιχμή στις 8, τότε το ποσοστό R_success θα είναι 80%. Η κυματομορφές P και Q που μελετάμε είναι οι εξής: Κυματομορφή P 59

60 Κυματομορφή Q Οι παραπάνω μετρήσεις αντιστοιχούν σε διάστημα 43 ωρών. Ο αλγόριθμος ανίχνευσε: 142 εκκινήσεις κινητήρων από τις οποίες βρέθηκε το αντίστοιχο OFF για τους 138, ποσοστό 97% 120 ωμικά φορτία από τα οποία βρέθηκε το αντίστοιχο OFF για τα 75, ποσοστό 62.5% 103 επαγωγικά φορτία από τα οποία βρέθηκε το αντίστοιχο OFF για τα 85, ποσοστό 82.5% 10 χωρητικά φορτία από τα οποία βρέθηκε το αντίστοιχο OFF για τα 7, ποσοστό 82.5% Επαναλαμβάνουμε ότι τα ποσοστά που δίνονται δεν είναι ακριβή ούτε θα πρέπει να θεωρούνται αξιόπιστο κριτήριο, καθώς υπάρχει πάντα το ενδεχόμενο λάθος ταυτοποίησης. Θα βοηθήσουν όμως σε μια μελλοντική βελτίωση της αξιοπιστίας του αλγορίθμου. 60

61 Το μεγάλο πλήθος ωμικών και επαγωγικών φορτίων που ανιχνεύονται, οφείλεται σε φορτία με διακοπτικά στοιχεία. Παραθέτουμε την επόμενη μεγέθυνση. Μεγέθυνση: Φορτίο με διακοπτικά στοιχεία Το συγκεκριμένο φορτίο έχει διακοπτικά στοιχεία. Ως αποτέλεσμα, ο αλγόριθμος ανιχνεύει 5 επαγωγικά φορτία αντί ενός. Ας εξετάσουμε το επόμενο παράδειγμα. Στο σχήμα φαίνονται 2 κινητήρες με τα αντίστοιχα κλεισίματα τους. Μεγέθυνση: Ταυτόχρονη λειτουργία 2 διαφορετικών κινητήρων 61

62 Οι πίνακες fridge_on και fridge_off μας δίνουν τα εξής αποτελέσματα για τους συγκεκριμένους κινητήρες: Πίνακες fridge_on (αριστερά) και fridge_off (δεξιά) Το στοιχείο fridge_on(55) δείχνει τη θέση ΟΝ_1 της εικόνας ενώ το fridge_on(56) τη θέση ΟΝ_2. Επίσης, βλέπουμε ότι το OFF_2 σωστά εντοπίζεται και αποθηκεύεται στη θέση fridge_off(56). Όμως, το fridge_off(55) δεν δείχνει στο OFF_1, αλλά σε κάποια διαφορετική και εσφαλμένη θέση. Αντίστοιχα αποτελέσματα έχουμε και κατά την ταυτοποίηση των υπόλοιπων φορτίων(r L C), με αρκετά να αντιστοιχίζονται σε σωστές θέσεις OFF και αρκετά όχι. Αυτό οφείλεται είτε σε ιδιαίτερα πολύπλοκα φορτία είτε σε φορτία με διακοπτικά φαινόμενα. Για καλύτερη εποπτεία του προβλήματος, παραθέτουμε μεγεθύνσεις τόσο από πολύπλοκα όσο και από διακοπτικά φορτία. Μεγέθυνση: Παράλληλη λειτουργία 2 διαφορετικών φορτίων με διακοπτικά στοιχεία 62

63 Μεγέθυνση: Παράλληλη λειτουργία 2 διαφορετικών φορτίων με διακοπτικά στοιχεία Μεγέθυνση: Λειτουργία φορτίων με πολύπλοκη κυματομορφή ισχύος 63

64 Όπως είναι εύκολα αντιληπτό, τα παραπάνω φορτία δημιουργούν ένα πλήθος θετικών και αρνητικών αιχμών ισχύος σε μικρά χρονικά διαστήματα. Αναφέραμε κατά την ανάλυση του αλγορίθμου, πως όταν αντιστοιχίζουμε μια αρνητική αιχμή (OFF) σε μια θετική (ON) τότε αυτό αφαιρείται από την κυματομορφή. Σε περίπτωση λοιπόν που μέσα σε αυτή την πληθώρα των αιχμών δημιουργηθεί μια εσφαλμένη αντιστοίχιση, ξεκινάει ένα φαινόμενο ντόμινο στις αντιστοιχίσεις των ON-OFF. Ουσιαστικά, με τη λάθος ταύτιση, διαγράφουμε το OFF ενός επόμενου φορτίου. Εκείνο με τη σειρά του, θα αφαιρέσει το OFF ενός μελλοντικού φορτίου και ούτω καθεξής. Συμπερασματικά, ο συγκεκριμένος αλγόριθμος βρίσκεται υπό ανάπτυξη και δεν μπορεί προς το παρόν να λειτουργήσει αξιόπιστα από μόνος του. Όπως αναλύουμε στο αντίστοιχο κεφάλαιο, ο συνδυασμός των 2 αλγορίθμων αντιμετωπίζει το προηγούμενο πρόβλημα, δίνοντας ως είσοδο στον 2 ο αλγόριθμο τον πίνακα Pinput (2.1.10) ο οποίος όπως έχουμε αναφέρει είναι απαλλαγμένος από φορτία με διακοπτική κατανάλωση. Καταφέρνουμε έτσι, την αξιόπιστη αναγνώριση κυρίως των κινητήρων καθώς και της ενέργειας που καταλαμβάνουν (ο υπολογισμός της ενέργειας γίνεται και πάλι όπως αναφέρεται στην παράγραφο ), τα οποία και ενσωματώνουμε κατά τον συνδυασμό των αλγορίθμων. 64

65 6 Συνδυασμός των δύο αλγορίθμων 6.1 Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων Έχοντας παρουσιάσει μεμονωμένα στα παραπάνω κεφάλαια τις δύο προσεγγίσεις μας για την αναγνώριση των διαστημάτων λειτουργίας των συσκευών ενός οικιακού καταναλωτή και τα αποτελέσματα που μας δίνουν, είμαστε σε θέση να συνδυάσουμε τις δύο μεθόδους ώστε να βελτιώσουμε την αναγνώριση. Αρχικά θα εξηγήσουμε εν συντομία πώς λειτουργεί ο συνδυασμός των δύο μεθόδων και στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε μέσα από δύο αρχεία μετρήσεων (ένα που χρησιμοποιήθηκε και στο κεφάλαιο 3 και ένα νέο) κατά πόσο βελτιώνονται τα ποσοστά της ενέργειας αλλά και τα διαστήματα των φορτίων που αναγνωρίζονται Πως λειτουργεί ο συνδυασμός των μεθόδων Ουσιαστικά δεν αλλάζει κάτι στο κομμάτι του κώδικα σε καμία εκ των δύο μεθόδων. Στην αρχή, με είσοδο τον πίνακα Ρ της ενεργού ισχύος της κατανάλωσης η πρώτη μας μέθοδος αναγνωρίζει σημαντικά ενεργειακά διαστήματα (events), όπως επίσης και τα διαστήματα λειτουργίας των φορτίων με διακοπτικό χαρακτήρα και υπολογίζει τα ποσοστά της ενέργειας που καταλαμβάνουν σε σχέση με ολόκληρη την κατανάλωση. Επίσης, δημιουργεί και τον πίνακα Pinput (Εικόνα 7, Κεφάλαιο 2), ο οποίος μαζί με τον πίνακα Q της άεργου ισχύος αποτελούν τις εισόδους της δεύτερης μεθόδου. Η δεύτερη μέθοδος - στη συνέχεια - με τη σειρά της αναγνωρίζει διαστήματα λειτουργίας φορτίων με επαγωγικό χαρακτήρα, όπως είναι οι κινητήρες (κάτι το οποίο αδυνατεί η πρώτη μέθοδος), τα οποία καταλαμβάνουν ένα σημαντικό μέρος της κατανάλωσης. Βελτιώνει μ αυτόν τον τρόπο το ποσοστό της αναγνωρισμένης ενέργειας το οποίο φτάνει σε πολύ ικανοποιητικά επίπεδα, όπως θα φανεί και παρακάτω. 65

66 6.1.2 Παρουσίαση της βελτίωσης των αποτελεσμάτων του 3ου κεφαλαίου Για το αρχείο μετρήσεων PQ_25_03_2013_to_27_03_2013, το οποίο χρησιμοποιήθηκε και στο 3 ο κεφάλαιο, δεν αλλάζει κάτι ως προς την αναγνώριση των ενεργειακών διαστημάτων (events) και των διαστημάτων λειτουργίας των διακοπτικών φορτίων. Ωστόσο με τον συνδυασμό πλέον των μεθόδων αναγνωρίζονται, όπως αναφέραμε και πριν, και άλλων μορφών αρχεία, όπως είναι οι κινητήρες (Εικόνα 1). Εικόνα 1 (Φορτίο κινητήρα ) Δεν θα παρουσιάσουμε όλα τα διαστήματα των φορτίων αυτού του είδους που αναγνωρίζει η δεύτερη μέθοδος, καθώς η εικόνα της κατανάλωσής τους είναι παρόμοια και ο αριθμός τους είναι αρκετά μεγάλος (για το συγκεκριμένο αρχείο μετρήσεων είναι 92), γεγονός που δηλώνει και τη σημαντική συμμετοχή τους στην κατανάλωση. Το γεγονός αυτό αποτυπώνεται με τον καλύτερο τρόπο και στη βελτίωση του νέου ποσοστού ενέργειας (PercentageFinal) που καταλαμβάνουν πλέον όλα τα αναγνωρισμένα διαστήματα λειτουργίας των φορτίων (διακοπτικά και επαγωγικά), το οποίο από το 77,3% της πρώτης μεθόδου φτάνει στο 86,2% Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων νέου αρχείου μετρήσεων Χρησιμοποιώντας το αρχείο μετρήσεων PQ_14_01_2012_to_16_01_2012, για το οποίο δεν γνωρίζουμε τη σειρά με την οποία λειτούργησαν τα φορτία αλλά ούτε και τα διαστήματά τους, θα προσπαθήσουμε να αξιολογήσουμε τα αποτελέσματα της συνδυασμένης μεθόδου μας μέσα από την εικόνα της κατανάλωσης (Εικόνα 2). Αναφέρουμε αρχικά πως ανιχνεύθηκαν 17 events, 19 διαστήματα λειτουργίας φορτίων με διακοπτικό χαρακτήρα και 7 διαστήματα φορτίων επαγωγικού χαρακτήρα για το συγκεκριμένο αρχείο. Επίσης, τα ποσοστά ενέργειας που υπολογίζονται είναι 69,1% για τα events, 69% για τα διακοπτικά φορτία και 91,1% για το σύνολο των φορτίων. Το τελικό ποσοστό ενέργειας είναι πολύ μεγάλο και μένει να το επιβεβαιώσουμε μέσα από την παρουσίαση των διαστημάτων λειτουργίας των φορτίων που υπολογίζει η συνδυασμένη μας μέθοδος. 66

67 Εικόνα 2 (Κατανάλωση) Στη συνέχεια και μέχρι το τέλος της παρουσίασης των αποτελεσμάτων, με πράσινο χρώμα είναι τα γεγονότα και με μπλε χρώμα τα διαστήματα των φορτίων που εντοπίστηκαν, με μωβ χρώμα η κατανάλωση απαλλαγμένη από τα φορτία που αναγνωρίστηκαν με την πρώτη μέθοδο και με κόκκινο χρώμα η πραγματική κατανάλωση. Τα τρία πρώτα φορτία λειτουργούν μεμονωμένα και η αναγνώριση των διαστημάτων λειτουργίας τους είναι ευκολότερη. Το πρώτο φορτίο είναι ένας κινητήρας με διάστημα λειτουργίας , ο οποίος κατά την εκκίνησή του, όπως φαίνεται και στην κατανάλωση, δημιουργεί μία αιχμή και στη συνέχεια έχει σχεδόν σταθερή κατανάλωση μέχρι το τέλος της λειτουργίας του. Φορτίο κινητήρα 67

68 Το επόμενο φορτίο είναι κατά πάσα πιθανότητα, λόγω της μορφής της κατανάλωσης, ένας φούρνος μικροκυμάτων με διάστημα λειτουργίας Φούρνος μικροκυμάτων Το τελευταίο από τα τρία φορτία με διάστημα λειτουργίας , περίπου δέκα λεπτών, ενδέχεται να είναι ένας ηλεκτρικός φούρνος ή κάποια άλλη συσκευή αυτού του είδους με βάση και το επίπεδο της ισχύος. Ηλεκτρικός φούρνος Για τα επόμενα φορτία δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι αν έχουν υπολογιστεί σωστά τα διαστήματα λειτουργίας τους, καθώς δεν έχουμε την καταγραφή τους και αποτελούν συνδυαστική περίπτωση παράλληλης λειτουργίας δύο, τριών ή και περισσότερων φορτίων. Ωστόσο, όπως θα φανεί και μέσα από τις εικόνες τους, επιτυγχάνεται σωστά ο ενεργειακός υπολογισμός τους, καθώς δεν χάνεται κάποιο διάστημα υψηλής κατανάλωσης. Παρακάτω φαίνεται το φορτίο ενός κινητήρα, ο οποίος υπολογίζεται πως λειτουργεί στο διάστημα κατά το οποίο αναγνωρίζονται από την πρώτη μέθοδο άλλα τέσσερα διαφορετικά διαστήματα λειτουργίας διακοπτικών φορτίων (Εικόνα 3). Τα διαστήματα αυτά είναι: , , και

69 Εικόνα 3 Διακοπτικό φορτίο, διάστημα λειτουργίας: Διακοπτικά φορτία, διαστήματα λειτουργίας: , Στην παραπάνω περίπτωση είναι ενδεικτικό ότι αναγνωρίζονται δύο διαστήματα λειτουργίας άρα λειτουργία δύο φορτίων, το οποίο είναι και το πιθανότερο. 69