Elektrik dağıtım sistemlerinde birey odaklı konfor öncelikli talep yönetimi için akıllı yöntem geliştirilmesi
Developing an intelligent method for the user oriented comfort based demand response studies in the electricity distribution systems
Yazar: MEHMET ALİ SÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı binalar = Intelligent buildings ; Elektrik dağıtım sistemleri = Electric distribution systems ; Elektrik güç sistemleri = Electric power systems ; Elektrik tüketimi = Electric consumption ; Talep yönetimi = Demand management ; Yük modelleri = Load models

Özet:
Günümüz akıllı şebekesinde, tüketicilerin artan ekonomik beklentileri ve uygulanabilirliği yüksek ileri kontrol mekanizmaları sayesinde elektrik şebekesinde arz ve talep arasında dinamik bir denge geçişken enerji sistemleri ile aranmaktadır. Eskiden talep ve onu karşılayacak güç tahmini üzerine bir çalışmada izin verilen gün öncesi üretim planlarının yetersiz kalması halinde beklenmedik yükler için plansız kesintiler ile denge sağlanmaktaydı. Arz ve talep dengesini korumak için günümüzde talep yönetimi önem kazanmıştır. Talep yönetimi; son kullanıcıların elektrik tüketim veya üretim davranışlarının otomatik veya elle, bir fiyat sinyaline yanıt olarak (örneğin zamanla değişen elektrik fiyatına) veya elektrik piyasasında oluşan teklife göre doğrudan veya bir talep yönetim toplayıcı aracılığıyla (enerji sağlayıcı veya üçüncü taraf), ödül veya gönüllülük esaslı olarak çeşitli yöntem, strateji ve uygulamalarla şebeke olaylarına yardım edecek şekilde değiştirilmesi eylemleridir. Talep yönetiminin elektrik şebekesinde arz ve talebi, üretimin sınırlı olduğu yerlerde, zamanlarda dengelemek için kullanılması yeni bir kavram olmamakla birlikte değişen güç sistemi yapısında kullanımı üzerine yoğun pek çok çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmaların yoğun olarak yapıldığı tüketicilerin başında, toplam elektrik tüketiminde sahip olduğu yüksek pay nedeniyle ev elektrik kullanıcıları gelmektedir. Elektrik dağıtım sistemi işleticileri özellikle ev enerji yönetim sistemleri ile evsel ısıtma, soğutma sistemlerini kapatarak, sıcaklık ayar değerleri ile oynayarak talep yönetiminin etkinliğini bu tüketici grubunda tecrübe etmektedir. Tüketicinin konforu (memnuniyeti) için ev enerji yönetim sistemleri aracılığıyla gerçekleşecek talep yönetiminde; tüketici tercihlerine göre gerekli evsel elektrik yük çalışma koşullarını oluşturabilen, katılımcı geri beslemeleri ve tepkilerine uygun yanıt veren bir yapı gerekmektedir. Kişilerin yaşam şekilleri, davranış biçimleri talep yönetiminde çok önemlidir çünkü aslında talep yönetimi; tüketim davranışlarını değiştirmek, geliştirmek için tasarlanmıştır. Talep yönetimi; talep toplayıcının yükü azalt, çoğalt, beklet gibi emrine müşterilerin davranış değişimleri ile cevap verebilme yeteneğinden söz etmektir. Dolayısıyla elektrik sağlayıcılar, iletim ve dağıtım sistemi yük tevzi birimleri, bağımsız sistem işletmecileri, talep yönetimi sağlayıcılar, talep yönetiminin başarısından etkilenirler.
Bu tez çalışmasında elektrik dağıtım sistemlerinde birey odaklı konfor öncelikli talep yönetimi için akıllı bir yönetim yönteminin geliştirilmesi konu edilmiştir. Elektrik dağıtım sistemlerinde, birey odaklı talep yönetiminde ortaya çıkabilen konforsuzluk problemine farklı yaklaşımlarla yanıt aranmıştır. Literatürde talep yönetiminde yeteri kadar yer verilmeyen birey davranışının elektrik tüketimi ile ilişkisi araştırılmış, analizlerde elde edilen sonuçlara uygun birey davranışı odaklı elektrikli cihaz modelleri gerçekleştirilmiştir. Tüketici davranışlarını içeren kısa ve uzun dönem tüketim profilleri oluşturularak bunların her bir yük, sınıflandırılmış faaliyet, kategorilenmiş yük türleri, farklı zaman dilimi ve tüketim payları için ayrıntılı analizleri yapılmıştır. Talep yönetiminde bireylerin talep yönetim programına katılımında önemli bir teşvik unsuru olan ancak literatürde yeteri kadar yer verilmeyen karbondioksit salınımlarının yönetilebilir potansiyelinin belirlenmesi yine ele alınan bir başka konudur. Birey davranışları ile şekillenen elektrik tüketimi kaynaklı oluşan karbondioksit salınımının her bir faaliyet, yük, kategorilendirilmiş yük türleri ve zaman dilimleri için toplam karbondioksit salınımdaki payları elde edilmiştir. Ev enerji yönetim sistemleri aracılığıyla gerçekleştirilecek konfor tabanlı talep yönetimi için uygulanabilir, yeni konfor ölçme ve değerlendirme yöntemi geliştirilmiştir. Literatürde yaygın kullanılan yük yönetim yöntemlerinin talep yönetimindeki yetersizlikleri yapılan analizlerle gösterilmiştir. Yeni konfor temelli yönetim yöntemi ve literatürde yaygın tercih edilen mevcut yönetim yöntemi için konfor ve maliyet değerlendirmeleri yapılmıştır. Tüketici konforunu, tüketim maliyetini en iyilemek için bulanık mantık temelli yönetim, kural tabanlı yönetim ve dinamik programlama esaslı en iyilemeler yapılmıştır. Parçacık sürü algoritması ve genetik algoritmalar güneş santrali varlığını da içerecek şekilde farklı amaç en iyilemeleri için kullanılmıştır. Çoklu amaç en iyileme için yine genetik algoritmalarla farklı durumlara ait çözümler aranmıştır. Konfor temelli yönetim için talep yönetimi ve mevcut ev enerji sistemleri yönetim altyapıların bu uygulamalara ne derece yatkın olduğu incelenmiş, yetersizliklerinin nasıl giderilebileceği gösterilmiş, konforu ölçen, arttıran önerilerde de bulunulmuştur.
Birey davranışının incelenmesi ve modellenmesi kapsamında yapılan çalışmada, birey davranışına dayalı az girişli oldukça gerçekçi çıkış üreten yük modellerinde, enerji analizörü ile alınmış birer dakikalık ve saniyelik ölçüm verileri kullanılmıştır. Evde elektrik tüketiminde etkin on altı farklı yük için yönetilebilirlik durumu, ilgili yükün çalışmasında yürütülen her bir işlem aşamaları ve süreleri oldukça detaylı sunulmuştur. Bulaşık makinesi, çamaşır makinesi için hem blok hem de kısmi ertelenebilirlik durumları incelenmiş ve buna özgü erteleme yapılabilir yük modelleri oluşturulmuştur. Her bir cihazın kullanıcı ile ilişkisi; kullanım alışkanlığı, davranış uyarlaması, davranış, evin fiziksel ve çevreye özgü iklimsel etkilerine göre kurulmuştur. Buzdolabı ve derin dondurucunun soğuk yük talep artışını önleyen bir biçimde çalışması sağlanmıştır. Elektrikli süpürge kullanım davranışı gerçekte olduğu gibi ev işi faaliyetinde çok sayıda kısa süreli kullanımlara imkan verebilmektedir. Elektrikli fırın için kullanıcının çalışmasını sonlandırabildiği bir yük modeli elde edilmiştir. Pişirme süreleri kullanım durumuna uygun rastgele atanmıştır. Televizyon ve uydu alıcı için bekleme modunu da içeren yük modelleri sağlanmıştır. Televizyon izleme süresine uygun kullanım alışkanlığı modele yansıtılmıştır. Bilgisayar kullanımı internet faaliyeti ile ilişkilendirilmiştir. Aspiratörün yemek faaliyetinde kullanımı gerçekleştirilmiştir. Ütü ev işi faaliyetinde, kullanım süresi rastgele atanarak çalıştırılabilir. Termosifon elektrik tüketiminde belirleyici bir yüktür. Buna ait modellemede sıcak su kullanım profillerinin üretilmesi sağlanmıştır. Banyo, temizlik ve bulaşık yıkama gereksinimleri bu yükün kullanımı ile ilişkilendirilmiştir. Kombinin hem sıcak su hem de ortam ısıtması için kullanımı mümkündür. Oda termostatı bulunması hali de modellerde yer almıştır. Hem ev hem de dış çevrenin iklimsel yansımaları klimanın kullanımını gerektirecek biçimde modellenmiştir. Çalışmada soğutma amaçlı kullanımı sağlanmıştır. Çamaşır kurutucusu için çamaşır yıkama ile bağlılık kurulmuştur. Evler için elektrikli araba yüksek tüketime sahip bir yüktür. Kullanım durumuna uygun başlangıç şarj düzeyi ve hedeflenen şarj seviyesine göre bir modellemeye yer verilmiştir.Aydınlanma şiddeti yetersizliği kullanıcıları lamba kullanımına yönlendirecek biçimde modeli oluşturulmuştur. 
Yönetilebilir cihazlara müdahaleler ile konforda meydana gelen değişimler ele alındığında bulaşık makinesi ve çamaşır makinesinin kısmi erteleme sürelerinin 30 dakika, blok erteleme sürelerinin ise sekiz saate kadar mümkün olabildiği elde edilmiştir. Belirlenmiş bir güç seviyesi altında kalacak biçimde bazı cihazların çalışmasının durdurulması veya ertelenmesinin hem ısıl konfor hem de görev zamanı bitişine ait konforu etkilediği görülmüştür.
Birey odaklı konfor öncelikli talep yönetimi için oluşturulan yapıda faaliyetlerin bir saat önceye veya sonraya alınması toplam tüketimde büyük bir değişime yol açmamasına rağmen gece, sabah, kuşluk, öğleden sonra ve akşam zaman dilimlerinde değişimler oluşturmuştur. Faaliyetlerin normal faaliyet süresinden bir saat öncesi başlamasının kuşluk ve gece 2 olarak belirtilen (22.00-24.00) zaman aralığında tüketimleri azalttığı elde edilmiştir. Faaliyetlerin bir saat sonra başlatılmasının sabah ve akşam elektrik tüketimlerinde normal faaliyet başlangıç zamanına göre azalma sağladığı görülmüştür. Normal faaliyet kalıbında gece 1 (24.00-6.00) ve öğleden sonra zamanları bir saat ertelenmiş senaryolara göre en az tüketime sahiptir. Yönetilebilir talep büyüklüğünün toplam tüketimde önemli bir paya (%56,7) sahip olduğu elde edilmiştir. Yönetilebilir yük potansiyelinin bilinmesi evsel talep yönetiminin başarısını arttıracak tarife ve teşvikler için önemli kazanımlar sunmaktadır.
Evsel talep yönetiminde yönetilebilir karbondioksit salınım potansiyelinin elde edilmesi yönetilebilir elektrikli cihazların kontrolü ile hedeflenmiştir. Gün öncesi planlanan üretim kaynaklarının hedeflenen karbondioksit salınım değerinin altına indirilmesinin talebin yönetilmesi ile gerçekleştirilebilir olduğu görülmüştür. Yönetilebilir doğrudan karbondioksit salınım değerlerinin farklı zamanlardaki durumuna uygun politikalarla çevreye duyarlılığı yüksek katılımcıların talep yönetimine katılımı mümkün olabilir.
Konfor en iyileyen öncelik temelli yeni bir yönetim yöntemi çalışmasıyla ev enerji sistemlerinde kolayca uygulanabilir kural tabanlı yeni bir yöntem gerçekleştirilmiştir. Statik öncelik temelli yönetimlerin neden olduğu konforsuzluklar dinamik öncelikleme yöntemiyle azaltılmıştır. Geliştirilen yöntemin başarısı tüm olası farklı önceliklemeler için analiz edilmiş en iyi fiyat ve en iyi konfor sağlayan çözümlerin ısıl esneklik ekli dinamik öncelikleme temelli yönetimle sağlandığı görülmüştür. Ev enerji sistemlerinde uygulanabilirliği mümkün konfor ölçme, izleme ve değerlendirme yöntemi tanıtılmıştır. Önceliklemeler için bulanık mantık temelli yaklaşımlar da sergilenmiştir.
Evsel talep yönetiminde en iyilemeler popülasyon temelli algoritmalarla güneş santrali mevcut olma durumu da göze alınarak gerçekleştirilmiştir. Önceliklemesiz yönetimde, güç sınırı olup olmama durumuna göre çeşitli en iyilemeler yapılmıştır. Parçacık sürü algoritması ve genetik algoritma tek amaç en iyilemeleri için tercih edilmiştir. MATLAB ortamında yazılan algoritmalarla farklı tarife tiplerinde konfor en iyilemelerini sağlayacak yük çalışma planları elde edilmiştir. Öncelik temelli yönetimlerle belirli güç sınırı altında en iyilemeler genetik algoritmalarla yine farklı tarife seçenekleri için analiz edilmiştir. Konforu en iyileyen çözümler için yük çalışma planlarının ev enerji sistemleri tarafından elde edilmesine yönelik çözümler sunulmuştur. En iyileme çalışmaları aynı zamanda 100 ev için yine toplu maliyet ve karbon salınımı azaltan çözümler için yapılmıştır. Bu tez çalışmasında hem şebeke hem de tüketici beklentilerine özgü çözümlerin mümkün olduğu görülmüştür.

Abstract:
In today's smart grid, a dynamic balance between supply and demand is sought by the transactive energy systems, thanks to the growing economic expectations of consumers and advanced control mechanisms with high viability. In the past, there was an operating balance between demand and the power generation to meet it. Unplanned outages were carried out mostly for the unexpected loads if the allowable day ahead power generation plans were insufficient. Demand response has an important role today to maintain the balance of supply and demand. End users are encouraged by aggregators to change electricity consumption or production behavior in response to a price signal or a proposal of the electricity market in a way that helps to grid events. Although the use of demand response in the grid to balance supply and demand in the peak times is not a new concept, many intensive studies are being carried out today on its use in the transactive power system structure. Residential electricity users are the most important participants due to their high share in total electricity consumption. Electricity Distribution System Operators (DSO) experience the effectiveness of demand response in this group of consumers, especially by turning off household heating, cooling systems and changing with temperature setting values via home energy management systems (HEMS). Demand response through home energy management systems for consumer comfort requires a structure that can create the appropriate load working schedules according to consumer preferences and participant's feedbacks. How people live and behave is very important in demand response studies. Because in fact, demand response is designed to change and improve users' consumption behavior. Demand response is about the ability of aggregators to respond to an order, such as reduce, increase, interrupt the demand with changes in the behavior of customers. Therefore, electricity providers, transmission and distribution system operators, independent system operators, aggregators are affected by the success of demand response management studies.
In this thesis, the development of an intelligent management method for residential user oriented comfort based demand response that use priorities in electricity distribution systems were discussed. A response to the problem of decrease in comfort that can occur in user-oriented demand response in electricity distribution systems was sought with different approaches. The relationship of individual behavior with electricity consumption, which is not adequately discussed in demand response in the literature, was investigated and device power models focused on individual behavior were performed in accordance with the results obtained from the analyses. Short - and long-term consumption profiles containing consumer behavior were created and detailed analyses were made for each load, classified activity, categorized load types, different time periods and consumption shares. Determining the manageable potential of carbon dioxide emissions, which is an important incentive for individuals to participate in a demand response program in demand management, but is not adequately included in the literature, is another issue that is again discussed. The share of carbon dioxide emissions caused by electricity consumption, shaped by individual behavior, in total carbon dioxide emissions for each activity, load, categorized load types and time periods were obtained. A new comfort measurement and evaluation method has been developed for comfort-based demand management that can be realized through home energy management systems. The inadequacies of load management methods commonly used in the literature in demand management have been demonstrated by analyses and new comfort-based management methods have been implemented. Comfort and cost assessments have been made for the new comfort-based management method and the current management method, which is widely preferred in the literature. Fuzzy logic-based management, rule-based management, dynamic programming-based optimizations, particle swarm algorithm, and genetic algorithms have been used for different optimizations, including solar plant existence, to optimize consumer comfort, cost of consumption. Solutions to different situations for multi objective optimization were again sought by genetic algorithms. Recommendations have been put forward on demand response studies for comfort-based management and the inadequacies of existing home energy management systems infrastructures are addressed to how they are predisposed to demand response applications.
In the study conducted as part of the this thesis, modeling of individual behavior was carried out by one-minute and one-second measurement data taken with an energy analyzer. Load models were created that produce highly realistic output with a few input parameters based on individual behavior. Manageability status for sixteen different loads effective in household electricity consumption, the stages and times of each operation carried out in the study of the corresponding load are presented in detail. Both block and partial postponement abilities for dishwasher, washing machine were examined. Load models have been created for these loads that can be deferred at run time. The relationship of each device with the user is established according to the usage habit, behavior adaptation, behavior, physical and environmental climatic effects of the house. Refrigerators and freezers have been provided to operate in a manner that prevents the increase in cold load pick up an issue. Vacuum cleaner use behavior can allow for a large number of short-term use in housework activities, as in reality. A load model has been acquired for electric ovens, in which the user can terminate its operation. Cooking times are randomly assigned according to the state of use. Load models are provided, including standby mode for television and satellite receiver. Appropriate usage habits are reflected in television watching time. Computer use has been associated with internet activity. Kitchen hood is a device that is used in food activities. An iron can be operated by randomly assigning the duration of use in a housework activity. Electric water heater is a load that has a decisive role in electricity consumption. Hot water usage profiles have been produced in modeling. Bathing, cleaning and dishwashing needs have been associated with electric water heater. Combi boiler usage is made possible for both hot water generating and space heating in the house. The presence of a room thermostat was also included in the models. The air conditioner is modeled to require the use of climatic reflections of both the home and the external environment. In the study, its use for cooling purposes was provided. Dependency with washing machine is established for the use of tumble dryer. The electric vehicle charging causes high demand in the house. A modeling according to the initial charge level and the target charge level, which is formed according to the state of use, were created. Lamp models direct users to the use of lamps in case of lack of admissible solar irradiation intensity.
Changes in comfort after interventions to manageable devices were examined. It was found that the partial deferral times of the dishwasher and washing machine were possible for 30 minutes, and the block deferral times were possible for up to eight hours. It has been observed that interrupting or postponing the operation of some devices to remain below a specified power level affects both thermal comfort and other load comforts at the end of the task.
Taking activities one hour earlier or later did not lead to a major change in total consumption in a structure created for individual-oriented, comfort-based demand management. Changes in demand occurred in the time zones of night, morning, midday, afternoon and evening. It was observed that the start of activities one hour earlier than the normal activity period reduced consumption in the night2 period (22.00-24.00) and morning. Starting activities one hour later reduced electricity consumption in the morning and evening compared to the normal start time of activity. In the normal activity pattern, night1 (24.00-6.00) and afternoon have the least consumption, according to one hour deferred scenarios. It has been acquired that the capacity of manageable demand has a significant share (56.7%) in total consumption. Knowing the manageable load potential offers significant benefits for tariffs and incentives that will increase the success of residential demand response.
Acquisition of manageable carbon dioxide emission potential in residential demand response is achieved by controlling manageable electrical devices. It was seen that reducing the target carbon dioxide release were achievable by managing electrical demand, according to the planned day ahead generation sources. It may be possible for users with high environmental sensitivity to participate in demand response events with appropriate policies for the state of manageable direct carbon dioxide emission values at different times.
A new rule-based methodology that can be easily implemented with home energy management systems has been introduced. The proposed method optimizes both comfort and cost under the a specified power threshold value. The loss of comfort caused by static priority-based management have been reduced by dynamic prioritization. The success of the developed method has been tested for all possible different priorities. The best comfort and cost were provided by dynamic prioritization-based management with added flexibility. A new method of measuring, monitoring and evaluating of comfort in home energy management systems has been introduced. Priorities were also changed via fuzzy logic-based approaches.
Optimizations in residential demand response were also made by taking into account the availability of solar plants using population-based algorithms. Various optimizations have been made according to whether there is a power limit or not. Particle swarm and genetic algorithms have been preferred for single-objective optimizations. Load scheduling plans have been obtained to optimize comfort in different tariff types with algorithms written in MATLAB. Optimizations under a certain power limit with priority-based management were again analyzed for different tariff options with genetic algorithms. Comfort based solutions for obtaining load scheduling plans by home energy management systems were presented. Optimisation efforts have also been made to find solutions that reduce cost and carbon emissions for 100 homes. It was seen that residential demand response can address both user and aggregator expectations.