Intelligent Control Strategies for Peak Load Management of Domestic Consumers in Developing Nations

Abstract

The constantly rising demand for electricity in the residential sector can cause blackout problems unless the demand is met. Many demand response programs are discussed in the existing literature, in which the peak load of houses is shifted by managing the time of use of appliances. In these programs, data exchange between supply and demand is required, and achieved by the integration between these programs and smart grid systems. However, in many developing nations conventional electric grids are still used where there is no data exchange. In the present research, intelligent control strategies are proposed to reshape domestic power demand profiles without requiring the grid to be “smart”. Two case studies are conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed strategies in reducing and shifting the peak demand to off-peak times. In the first case study, a control strategy is developed in which the operating frequency of domestic water pumps is reduced during peak hours. It is shown that the controller reduces the operating frequency of domestic pumps by 90% during peak hours while increasing their work during off-peak times by 55%. At the same time, the controller does not let the water level drop below 30% of the storage tank’s maximum capacity, thereby maintaining an acceptable inside-house water supply pressure that ensures the end-users’ water usage comfort. The controller is validated against a MPC controller that reduces the domestic pump operating frequency by 100% but it permits the water level to drop to a critical level that reduces the inside-house water supply pressure. In the second case study, a fuzzy logic control strategy that operates six home appliances is developed, such that the overall consumption peak current is not exceeded. Additionally, a regional fuzzy controller is used to monitor the overall current consumption of the neighbourhood, helping to control the operation of the fuzzy controllers inside the houses and prevent a regional current consumption overload. The simulations reveals that the fuzzy control strategy shifts 43% of the load from peak hours to other hours while at the same time the occupants’ electric usage comfort is preserved. Cost analysis is conducted to compare the economic feasibility of these control strategies against purchasing new peak diesel generators. If the utility company were to promote the new controllers for pumps in 25,000 houses for free, the utility could avoid investing an extra 773,500US$ for a peak generation of capacity of 2.85MW. On the other hand, the investment avoided by the fuzzy control strategy is approximately 5,000US$ in the case of implementing it in 40 houses. The reduction in peak energy consumption would be approximately 63% and in peak load 52kW. In order to estimate the power profiles required in the simulations, a power consumption model is developed. The model is validated against actual measurements of domestic power profiles, and the average percentage error between the model and the measurements is found to be 8%. In addition, the model is constructed in Matlab GUI, in order to generalize it and make it easy to use for non-professional people. A survey is conducted to investigate the effect of some socio-demographic factors on domestic power consumption. The multi-regression results show that domestic power consumption is significantly affected by family income and the surface area of homes. Keywords: Load shifting, pumping work, algorithmic control, fuzzy control, random operation modelling, power modelling, socio-demographic factors.

ÖZ: Konut sektöründe elektrik talepinin sürekli artışı, talep karşılanmadığı takdirde, elektrik kesintilerine neden olabilir. Mevcut literatürde, evlerin puant yüklerinin, elektrikli aletlerin kullanım saatlerini yöneterek, başka saatlere kaydırıldığı bir çok talep tepki programları irdelendi. Bu programlarda, arz ve talep arasında bilgi alışverişine ihtiyaç duyulmakta ve bu programların akıllı şebeke sistemi ile entegrasyonu ile sağlanmaktadır. Bir çok gelişmekte olan ülkede hala konvansiyonel elektrik şebekesi kullanıldığından arz ve talep arasında bilgi alışverişi yapılmamaktadır. Mevcut çalışmada, güç talep eğrilerini tekrar şekillendirmek için şebekenin “akıllı” olmasını gerektirmeyen akıllı kontrol stratejileri önerilmektedir. Önerilen stratejilerin puntı azaltma ve yoğun olmayan saatlere kaydırmadaki etkisini göstermek için iki vaka analizi yürütülmüştür. İlk vaka analizinde evsel su pompalarının yoğun saatlerde kullanım sıklıklarının azaltıldığı bir kontrol stratejisi geliştirilmiştir. Önerilen kontrol ünitesinin, pompaların çalışma sıklıklarını, yoğun saatlerde %90 azalttığı, yoğun olmayan saatlerde ise %55 artırdığı gösterilmiştir. Kontrol ünitesi bir yandan da, ev içi tesisatında kabul edilebilir bir su basıncına sahip olmak ve konforu bozmamak amacıyla, depolama tankının azami su seviyesinin %30 eşiğinin altına düşmemesini sağlar. Kontrol programının geçerliliği, pompaların çalışma sıklığını %100 azaltan fakat ev içi su basıncınn kritik seviyelere düşmesine izin veren MPC kontrolörü ile kıyaslanarak sağlanmıştır. İkinci vaka analizinde toplam tüketim puantını geçmeyecek şekilde altı ev aletini çalıştıran bulanık mantık kontrol stratejisi geliştirilmiştir. Ek olarak, toplam mahalli akımın aşılmaması ve ev içlerindeki bulanık mantık kontrolörlerini çalıştırmak için bir bölgesel bulanık mantık stratejisi kullanılmıştır. Simülasyonlar, bulanık kontrol stratejisinin yükün % 43'ünü yoğun saatlerden diğer saatlere kaydırdığını, aynı zamanda kullanıcıların elektrik kullanım rahatlığının korunduğunu ortaya koymuştur. Bu kontrol stratejilerinin sağladığı faydalar, puant yükü için dizel jeneratör satın alımı ile kıyaslanarak bir maliyet analizi yapılmıştır. Elektrik kurumu, pompalar ile ilgili kontrol ünitelerinin kullanımını teşvik etmek için 25,000 evde ücretsiz montaj yapabilir. Böyle bir durumda kurum, puant yükte 2.8 MW’lık düşüş sağlayarak dizel jeneratör için gerekli 773,500 dolarlık ek masraftan kaçınmış olacaktır. Öte yandan, bulanık kontrol stratejisinde kaçınılan yatırım, 40 evde uygulanması durumunda yaklaşık 5000 dolarıdır. Puant yükündeki düşüş 52 kW, yoğun saatlerdeki enerji tasarrufu ise yaklaşık % 63 olacaktır. Simülasyonlardaki gerekli güç eğrilerini tahmin etmek için bir güç tüketimi modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen model, evsel gerçek güç eğrileriyle kıyaslanarak, ortalama %8 hata payı ile doğrulandı. Model, Matlab GUI’da tasarlanarak profesyönel olmayan kişiler tarafından da kullanımı kolay bir hale getirilmiştir. Bazı sosyo-demografik faktörlerin evsel enerji tüketimine etkisini araştırmak için bir anket düzenlendi. Çoklu regresyon sonuçları, evsel elektrik tüketiminin, ailelerin gelirlerine ve konut alanlarına bağlı olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Yük kaydırma, pompalama işi, algoritmik kontrol, bulanık kontrol, rastgele işlem modellemesi, güç modellemesi, Sosyo-demografik faktörler.