[論文レビュー] Smart Grid Testbed for Demand Focused Energy Management in End User Environments

Wayes Tushar, Chau Yuen+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、シンガポール工科大学（SUTD）に設置されたスマートグリッド実験フィールドを提示する。この実験フィールドは、家庭および商業施設におけるリアルタイムエネルギー消費を、HANおよびNANという二重ネットワークアーキテクチャ（通信技術が多様）を用いて監視する。この実験フィールドはリアルタイム需給応答、エネルギー管理、インcentive設計を可能にし、54日間の期間でオフィス環境におけるエネルギー無駄遣いの削減により最大11,100 SGDの節約が見込まれる。

ABSTRACT

Successful deployment of smart grids necessitates experimental validities of their state-of-the-art designs in two-way communications, real-time demand response and monitoring of consumers' energy usage behavior. The objective is to observe consumers' energy usage pattern and exploit this information to assist the grid in designing incentives, energy management mechanisms, and real-time demand response protocols; so as help the grid achieving lower costs and improve energy supply stability. Further, by feeding the observed information back to the consumers instantaneously, it is also possible to promote energy efficient behavior among the users. To this end, this paper performs a literature survey on smart grid testbeds around the world, and presents the main accomplishments towards realizing a smart grid testbed at the Singapore University of Technology and Design (SUTD). The testbed is able to monitor, analyze and evaluate smart grid communication network design and control mechanisms, and test the suitability of various communications networks for both residential and commercial buildings. The testbeds are deployed within the SUTD student dormitories and the main university campus to monitor and record end-user energy consumption in real-time, which will enable us to design incentives, control algorithms and real-time demand response schemes. The testbed also provides an effective channel to evaluate the needs on communication networks to support various smart grid applications. In addition, our initial results demonstrate that our testbed can provide an effective platform to identify energy wastage, and prompt the needs of a secure communications channel as the energy usage pattern can provide privacy related information on individual user.

研究の動機と目的

• スマートグリッド通信および制御システムの実世界での検証を目的としたエンドユーザー環境における実験フィールドの構築。
• 住宅および商業施設におけるさまざまな通信技術（BPL、TVWS、HAN、NAN）の性能および適性を評価すること。
• エネルギー無駄遣いのパターンを特定し、消費量およびコストの削減を目的としたリアルタイム需給応答メカニズムを実装すること。
• 需給応答およびエネルギー効率化プログラムへのユーザー参加を促進するインcentiveスキームの設計。
• リアルタイムエネルギー監視および制御を支援するセキュアで低遅延の通信インfraストラクチャの構築。

提案手法

• 二重ネットワークアーキテクチャの導入：建物内でのデータ収集を目的としたホームエリアネットワーク（HAN）と、HANを中央データ集約装置に接続するネイバーhoodエリアネットワーク（NAN）の構築。
• 各住宅ユニットおよびオフィススペースに設置されたスマートメーターおよびセンサーからのエネルギーデータを集約するための統合ホームゲートウェイ（UHG）の実装。
• 実環境下でのネットワーク性能評価を目的として、ブロードバンド電力線（BPL）、TVホワイトスペース（TVWS）、有線／無線HAN/NANプロトコルを含む多様な通信技術の使用。
• 照明、エアコンシステム（ACS）、占有センサーからのリアルタイムデータ収集により、エネルギー使用状況のモデル化およびアイドル状態の無駄遣いの検出。
• 動的料金および占有状況を考慮したACSのエネルギー消費モデルおよびリアルタイム制御アルゴリズムの開発。
• 動的料金制度下で会議室の使用を最適化するための最適会議スケジューラーの設計およびテスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合住宅および商業環境におけるリアルタイムエネルギー監視に最も効果的かつ信頼性の高い通信技術（BPL、TVWS、HAN、NAN）はどれか？
• RQ2 使用されていない部屋に照明やACSが点灯したままになっていることによるオフィス環境におけるエネルギー無駄遣いの規模はどの程度か？
• RQ3 動的温度制御や占有状態に基づくスイッチングなどのリアルタイム需給応答メカニズムは、ピーク負荷およびエネルギーコストの削減に効果的か？
• RQ4 動的料金制度下で会議室のスケジューリングを最適化することで、どの程度のコスト削減が見込めるか？
• RQ5 セキュアで低遅延の通信インフラストラクチャは、エンドユーザーのエネルギー管理におけるリアルタイムフィードバックおよびインcentiveメカニズムをどのように支援できるか？

主な発見

• 実験フィールドは8つのオフィスルームにおけるリアルタイムエネルギー消費を正常に監視し、使用されていない期間に照明およびエアコンシステム（ACS）で平均して1ルームあたり6.376 kWhおよび232.025 kWhのエネルギー無駄遣いを同定した。
• 200のオフィスルームを54日間でスケーリングした場合、推定される合計エネルギー無駄遣いは47,680.2 kWhに達し、約11,100 SGDの無駄な電気料金に相当する。
• 実験フィールドは、使用されていない期間にエアコンシステムを自動的にオフにすることで、顕著なエネルギー節約およびピーク負荷の低減が可能であることを示した。
• 占有センサー（動き検出・音響検出）の導入により、アイドル状態の部屋を正確に特定でき、自動エネルギー節約対策の基礎が築けた。
• 通信インfraストラクチャは低遅延で信頼性の高いデータ伝送を実現しており、リアルタイム需給応答およびエネルギー管理アプリケーションへの適性が裏付けられた。
• 実験フィールドは、動的料金統合およびインcentive設計を含むさまざまなスマートグリッドアプリケーションの評価に柔軟に利用可能であり、ユーザーの受容性およびシステムの導入促進に貢献する。