SIMULACION DE PATRONES DE CONSUMO RESIDENCIAL MEDIANTE PLATAFORMA JAVA: CASA INTERACTIVA

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1 SIMULACION DE PATRONES DE CONSUMO RESIDENCIAL MEDIANTE PLATAFORMA JAVA: CASA INTERACTIVA Luis Vargas D., Rodrigo Palma B., Francisco González, Felipe Kripper, Felipe Lineo, Gabriel Rojas Departamento Ingeniería Eléctrica, U. de Chile Av. Tupper 2007, Santiago. Resumen En este trabajo se presenta un software de simulación de consumos residenciales en base a una plataforma Java. El consumo residencial se modela a través de la creación de una casa típica en la cual habitan un número definido de personas. El software es interactivo y accesible desde cualquier browser normal, y es capaz de entregar reportes de los consumos de potencia y energía tanto en forma agregada como desagregada. Abstract In this paper, a software capable of modeling residential loads on a Java plataform is presented. The residential load is modeled through a typical home with a variable number of persons. The software is interactive and can be achieved through a commercial browser. The main outputs of this software are reports on active power and energy, which can be defined as the total consumption or by each component of the house. 1. Introducción El desarrollo sostenido de las tecnologías de la información permite una vasta modalidad de aplicaciones en los sistemas eléctricos. Entre ellas podemos destacar las aplicaciones en la comercialización de los productos eléctricos, particularmente la venta de potencia y energía, el monitoreo de la calidad de suministro en forma remota, y la optimización de los consumos eléctricos tanto en los sectores industrial como residencial. Este trabajo se concentra en este último aspecto. En el área del monitoreo existen diversas compañías que venden estos servicios a las empresas [1]. Desde áreas tan complejas como un sistema interno y externo de monitoreo para vigilar 13 reactores nucleares comerciales de funcionamiento en siete sitios dentro de Illinois, el cual es usado por el departamento de Illinois de la seguridad nuclear (IDNS) [3], hasta aplicaciones para el monitoreo de cargas eléctricas en aplicaciones industriales y comerciales con sistemas de manejo de energía [4-9]. En el área de la comercialización de la energía existe una gran cantidad de aplicaciones en base a internet [10-16]. Asimismo, existe una extensa oferta en el plano de la optimización de los consumos y la calidad del suministro eléctrico [17-26]. El presente trabajo consiste en la simulación de una red computarizada al interior de una vivienda típica, con la cual se puede realizar el monitoreo de todos los elementos de comunicación, alarmas y electrodomésticos usados en la actualidad. Cada uno de estos elementos puede ser a su vez activado o desactivado remotamente a través de una conexión internet, es decir, mediante cualquier browser normal. La vivienda con todos sus elementos es modelada en lenguaje Java, lo que permite su visualización mediante el uso de Applets. 2. Simulación de Comportamiento humano En este capítulo se presenta un resumen de la metodología de simulación para las actividades desarrolladas por las personas que habitan la casa. 2.1 Actividades al Interior de la Casa Para cada persona se modela el comportamiento diario en términos de sus consumos energéticos y se lleva un registro del consumo total diario de todos los moradores. Se establecen días típicos y patrones típicos de comportamiento, a los cuales se les asocia una distribución de probabilidad para acercarlos al comportamiento humano Lista de Actividades Se ha seleccionado un número amplio de actividades para incluir todos los estratos socioeconómicos. La clasificación de las actividades de cada persona al interior de la casa son las siguientes: A. Ver televisión, B. Ver videos, C. Escuchar música, D. Hablar por teléfono (estándar, no celular), E. Usar el computador (tanto juegos como trabajo), F. Actividades pasivas: Leer, estudiar, pensar, G. Dedicar tiempo a hobbie (jugar pool, etc.), H. Hacer deporte, I. Usar la piscina, J. Tomar un baño (de tina o ducha), K. Cocinar (incluye el acto de comer), L. Lavar ropa, M. Lavar vajilla y utensilios de cocina, N. Salir de la casa, O. Dormir,

2 P. Descansar (no hacer nada). El tiempo asignado a cada una de estas actividades se supone que sigue una distribución de probabilidad normal de la forma t K = N(µ,σ 2 ) (1) Donde K es la actividad, µ es el tiempo promedio dedicado a la actividad K, σ es la desviación estándar Con ello se capturan los hábitos seguidos por una persona en la actividad K, es decir, se le asigna tiempo típico µ en dicha actividad con varianza σ 2. En forma preliminar se han asignado los siguientes valores para dichos tiempos (en minutos): t A= N(60, 400), t B= N(120, 40000), t C= N(120, 90000), t D= N(10, 100), t E= N(200, 40000), t F= N(120, 40000), t G= N(120, 3000), t H= N(45, 625), t I= N(45, 10000), t J= N(15, 900), t K= N(40, 400), t L= N(30, 100), t M= N(30, 100), t N= N(480, 10000), t O= N(420, 3600), t P= N(40, 400) Compatibilidad Las actividades listadas anteriormente poseen algunas incompatibilidades entre ellas, por ejemplo dormir y comer simultáneamente. Por ello en el Cuadro 1 se resume las incompatibilidades de todas ellas. En la Tabla 1 la primera fila contiene todas las actividades, la cual se replica en la primera columna. De esta forma una X en la posición (I,J) significa que las actividades I y J son incompatibles. Un espacio en blanco indica que dichas actividades no son incompatibles Simulación del Comportamiento de Personas El comportamiento humano se simula a través de las actividades y funciones de probabilidad asociada a cada una de ellas. Tabla 1. Incompatibilidades ( ) A B C D E F G H I J K L M N O P A X X X X X X X X B X X X X X X X X C X X X D X X X X X X X X E X X X X X X X X F X X X X X X X G X X X X X X X X X X X H X X X X X X X X X X X X I X X X X X X X X X X X X J X X X X X X X X X X X X K X X X X X X X X L M N X X X X X X X X X X X X X O X X X X X X X X X X X X X P X X X X X X X X X X X X X ( ) X Significa incompatibilidad de actividades Itinerario Diario Para una persona en particular se tendrá un itinerario diario de sus actividades a través del día. Por ejemplo: Itinerario1:{(J,7:00,7:13);(K,7:20,8:00);(E,8:00,9:50));(N, 9:50,18:00);...,(O,23:50,7:00)} En el Itinerario 1 la persona toma un baño (actividad J) de 7 a 7:13 am. Luego toma desayuno (actividad K) de 7:20 a 8 de la mañana y trabaja en su computador (actividad E) de 8 a 9:50 hrs., etc. Así, cada persona tendrá asociado un itinerario típico, el cual dependerá de factores externos tales como la estación del año, el estado del tiempo, día de la semana, etc Aleatoriedad de las Actividades A cada una de las actividades (A,...,P) se le asocia una función de distribución de probabilidad dependiente del tiempo, la cual se mide en horas. Por ejemplo, la actividad A tiene la distribución mostrada en la Figura 1. F A Programa Matinal Teleserie 7:00 20:00 21:00 Noticiario Tiempo Figura 1. Distribución de Probabilidad de actividad A Programación de Actividades Para simular las actividades se utiliza el lenguaje Java. En este ambiente, se usa el tipo de clase Thread para dar las órdenes a la persona bajo simulación. Esquemáticamente esto se muestra en el figura 2. THREAD (J,7:00, 7 :13) (K,7:13, 8 :00) (E,8:00, 9:50) (N,9:50,18:00)

3 Figura 2. Modelo básico en Java En resumen, la actividad de cada persona se representa mediante un itinerario diario, el cual se define en base a una función de distribución de probabilidad predeterminada. Esto finalmente se programa en lenguaje java usando la clase Thread Equipos Asociados por Actividad Para la simulación de cada actividad se ha considerado un conjunto de equipos asociados a cada actividad, de esta manera cada vez que se realiza la actividad entran en funcinamiento los equipos asociados a esta. De esta manera, se puede obtener el perfil de consumo eléctrico de cada actividad. 3. SIMULACIÓN DE ELECTRODOMÉSTICOS 3.1 Definición del Problema En la casa proyecto se utilizarán diversos equipos eléctricos. Entre ellos electrodomésticos. Lo que se quiere básicamente es conocer el comportamiento eléctrico de éstos así como su capacidad de ser controlado, es decir, su estado (encendido o apagado), sus ciclos, sus consumos, dispositivos de control, vida útil, etc. Todo lo anterior permite tener un modelo aproximado de los diversos dispositivos. Con este modelo se podrá simular la carga que aporta a la red, así como el consumo de potencia y energía. El listado de todos los equipos eléctricos se muestra en Anexo A. Las dimensiones de la casa se muestra en Anexo B. 3.2 Información Requerida Los datos necesarios para realizar la simulación son los siguientes: i. Voltaje de alimentación, ii. Potencia consumida, iii. Factor de potencia, iv. Ciclos de funcionamiento Controles, v. Capacidad de control remoto, vi. Vida útil (fallas para la simulación real) Mucha de esta información es entregada por el fabricante. Además se considera el tiempo de vida útil para generar una estadística de falla de los equipos. 3.3 Clasificación de los equipos Se pueden definir dos formas principales de funcionamiento: Funcionamiento manual (o programable). Son los equipos que requieren presencia de algún usuario o solo funcionan en presencia de este. Se incluyen los equipos programables ya que equivalen, en cierta forma, a una persona. Funcionamiento automático (cíclico). Son equipos que no dependen de una persona para su funcionamiento regular. Es necesario para esta clase considerar los ciclos de funcionamiento además de otras consideraciones externas. 4. MODELACIÓN DE SISTEMAS En este capítulo se presenta la modelación realizada de todos los sistemas que componen una vivienda moderna. A continuación se describen cada uno de ellos: i. Sistema de calefacción central con gas natural. Esto comprende la caldera más el sistema de radiadores distribuidos. Este sistema estará controlado por un medidor de temperatura, el sistema calefactor se activara a partir de cierta temperatura limite que debe ser previamente programada. ii. Sistema de agua caliente para baños y lavado con tres califonts. Lo relevante para la simulación de este sistema es el gasto de gas asociado al uso del agua caliente. Este sistema se activará y consumirá cada vez que se realice una actividad que lo requiera (ducharse, lavar ropa, etc.) iii. Sistema de alumbrado (interior de varios paños, exterior). El sistema de alumbrado de exteriores encenderá automáticamente a partir de cierta hora o cuando oscurezca (mediante sensor de luminosidad). El sistema de alumbrado interno se encenderá cuando alguien ingrese a una pieza, o automáticamente si la casa esta vacía para simular gente en el interior. iv. Sistema de aire acondicionado. Este sistema consiste principalmente en uno o más equipos de aire acondicionado, los cuales pueden ser controlados manualmente seleccionando la temperatura deseada a la cual el sistema comienza a funcionar. Para simularlo se necesita conocer la temperatura actual. Si ésta es superior a la deseada, se activa el equipo, lo que implica una nueva carga eléctrica. v. Sistema eléctrico de respaldo. Este sistema consistirá en un generador o baterías las cuales se activan automáticamente ante cualquier fallo en el sistema eléctrico central. Las baterías tendrán un tiempo de duración limitado y el generador consumirá algún tipo de combustible. vi. Sistema de alarma. Para el sistema de alarmas existen muchas alternativas disponibles, sin embargo, un sistema mínimo considera lo siguiente: Central de alarma (donde se recibe la alarma), Teclado de comando (para activar o desactivar esta), Sirena de 15 Watts auto protegida, Censor de movimientos DSC, Protecciones para puertas y ventanas, Fuente de poder y batería de respaldo, y Letrero de advertencia Para su simulación se necesitan datos estadísticos, que den información de la frecuencia con que se activa la

4 alarma en una casa normal, y cuantas de estas fueron falsas. vii. Sistemas de computadores. Consiste en un computador central, que actuará como servidor para la conexión a Internet, y 6 notebooks, más una impresora y un escáner. viii. Sistema hidráulico para piscina y spa. Incluye todo el sistema de control de bombas, válvulas y filtros de la piscina. (Internet). Sin embargo este tema no se aborda en este trabajo. 5.3 Esquema básico de conexión En la Figura 3 se presenta el modelo básico de la red de comunicación que controla los dispositivos o sistemas antes descritos. 5. SISTEMA DE COMUNICACIÓN, MONITOREO Y CONTROL VÍA INTERNET En este capítulo se analizan las diversas alternativas de comunicación para realizar el monitoreo y control remoto de los aparatos eléctricos. 5.1 Conexión al sistema de artefactos eléctricos Existen básicamente las siguientes tres modalidades: a) Conexión a través del sistema de alimentación. Este sistema consiste en usar la red eléctrica de fuerza como medio de comunicación. b) Conexión a través del sistema de cable (wire): Este sistema consiste en trazar una red, mediante cables anexos a los respectivos sistemas (artefactos a monitorear). Este sistema de conexión es eficiente debido al costo de instalación y por su funcionamiento comprobado. El principal inconveniente es el de agregar una red adicioanl a la casa. c) Conexión a través del sistema de fibra óptica. Este sistema es similar al anterior. Aunque el cable de fibra óptica tiene ventajas de transmisión (ancho de banda y rapidez), tiene inconvenientes en las conexiones, principalmente en la interfaz, es decir, problemas en el conmutador. Además, el costo que involucra este tipo de conexión es muy alto. En base a las consideraciones anteriores, se ha seleccionado el sistema de conexión mediante cable (wire). Es necesario por lo tanto definir el tipo de cable, el que puede ser coaxial, telefónico, etc. Dicha decisión dependerá de la cantidad de información transmitida. 5.2 Sistema de comunicación Para implementar la conexión a internet de estos sistemas se considera que ellos deben tener salida permanente. Por ello se considera un computador central, que será utilizado como servidor y una red conectada a los seis computadores personales y a los restantes sistemas a monitorear. Se puede realizar otro tipo de conexión en red pero requiere un estudio mas acabado. Dado que no conviene que se tenga un acceso libre desde fuera hacia el comando de los artefactos, es necesario implementar un sistema de seguridad, el cual esta determinado por el tipo de conexión a la red mundial Figura 3. Red comunicación de sistemas. 6. PROGRAMACIÓN 6.1 Procedimiento Para el desarrollo del software se siguieron los siguientes pasos: 1. Planteamiento del problema 2. Soluciones posibles y elección 3. Bosquejo de estructura 4. Representación diagramal (UML) 5. Diseño de algoritmos 6. Programación 7. Ensamble de distintos bloques de programación 8. Pruebas 9. Ajustes finales El diseño de la programación, con la cual se realiza la simulación, se presenta en la Figura 4. Figura 4. Estructura básica de la simulación. El Cuadro 2 muestra la estructura básica de modelamiento en un diagrama con formato similar al de UML. Para tener una visión más detallada de la programación realizada, en la

5 Figura 5 se presentan las relaciones entre cada uno de los objetos más detalladamente. Figura 5. Estructura básica de la simulación. Con la estructura anterior se desarrolla el programa de simulación de la casa. El resultado de esta programación se presenta en el URL en el cual a través de un Applet se puede acceder al programa que se encuentra corriendo en los servidores del Centro de Computación de la Universidad de Chile. 6.2 Simulación WEB La simulación resultante del modelamiento anteriormente descrito, se presenta en la WEB mencionada. La Figura 6 muestra la imagen tal como se ve desde un browser cualquiera, a través de este se pueden realizar diferentes operaciones o interacciones. Algunas de estas son: Comienzo/Pausa: Esta opción permite al usuario internet dar comienzo o pausar la simulación. Velocidad: Esta opción permite cambiar la velocidad de simulación en forma discreta. Potencia/Energía: Visualización numérica de la potencia instantánea y la energía total consumida por la casa. Actividad de cada persona: se visuliza la(s) actividad(es) realizada por cada habitante de la casa, además en la visualización de la casa es posible determinar la posición de cada habitante de esta. Figura 6. Presentación simulación casa, visualización del programa. Control y Monitoreo de los Artefactos: Al posicionar el mouse sobre cada artefacto, se presenta de manera automática la información referente a este, permitiendo conocer su estado y consumo instantáneo, además establece la posibilidad de encender y apagar el artefacto. Curva de Carga: Mediante la acción de un botón se despliega el gráfico de potencia consumida el cual muestra la potencia con un periodo de 24 horas (figura 7). Red Eléctrica: Mediante la acción de un botón y la elección del sector, se visualiza la topología de la red eléctrica. Figura 7. Presentación gráfico de potencia de la simulación. 7. CONCLUSIONES En este trabajo se ha presentado la modelación de una casa controlada remotamente en forma íntegra. El lenguaje usado es Java y se presenta en forma de una página web accesible desde cualquier browser normal.

6 La metodología de simulaciónde se basa en la definición de distintos comportamientos humanos y de esta manera se predicen sus consumos, ya sean eléctricos o de otra índole. Una próxima etapa de este desarrollo es la caracterización de grupos humanos con respecto a sus consumos eléctricos, de esta manera se evita la necesidad de grandes bases de datos, las que involucran un alto valor económico en cualquier estudio de empresas de distribución. En el software desarrollado en esta etapa, se ha intentado modelar consumos eléctricos, sin embargo queda como propuesta abierta una futura modelación de tendencias humanas. En particular establecer patrones de comportamiento frente a cambios en las distintas variables socioeconómicas y macroeconómicas como sequía, superávit de energía, hiperinflación, altas tasas de desempleo, etc. Agradecimientos Se agradece el apoyo financiero de proyectos Fondecyt # y # Referencias [1] IEEE, Spectrum, "The Networked House", [2] Smith, S., "Power Quality Monitoring as a Customer Care and Marketing Tool", 10th National Energy Services Conference, Tucson, Arizona, Dec. 6-8, [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] ml [10] Federal Energy Regulatory Commission: Final Order 888: Promoting Wholesale Competition Through Open Access Non-Discriminatory Transmission Services by Public Utilities", FERC, United States of America, 24. April [11] Casazza, J., A., Eunson, E., M., Manzoni, G., Schwarz, J., Stam, E.: Challenges for Power System Planners and Operators due to Changing Institutional Arrangements - Special Report", CIGRE, Session Paris, [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] ANEXO A. Artefactos La lista de artefactos considerados es la siguiente: 4 TV con videograbador c/u 4 equipos musicales 6 Notebook 1 Impresora 1 Scaner Una lavadora (10 kg) Una secadora (10kg) Un refrigeradores Un freezer Un microondas Una cocina encimera Un horno empotrado Un lavavajillas Extractor ANEXO B. Características casa La casa posee las siguientes características físicas: 440 mt2 (30 m2 por pieza, 3 baños de 20 m2 ca/u, mas 200 m2 de espacios comunes (living, comedor, cocina, estudio, alacena, lavadero, garaje, bodega, sala de deportes) 3 pisos Un empalme eléctrico, un empalme de agua, un empalme de gas natural, uno de alcantarillado, tres líneas telefónicas, una conexión de TV satelital, sistema de placas solares, sistema de reciclado de agua, compost. Piscina, patio, quincho, huerta, invernadero.