Exploiting Home Automation Protocols for Load Monitoring in Smart Buildings

ABSTRACT

Monitoring and controlling electrical loads is crucial for demand-side energy management in smart grids. Home automation (HA) protocols, such as X10 and Insteon, have provided programmatic load control for many years, and are being widely deployed in early smart grid field trials. While HA protocols include basic monitoring functions, extreme bandwidth limitations (<180bps) have prevented their use in load monitoring. In this paper, we highlight challenges in designing AutoMeter, a system for exploiting HA for accurate load monitoring at scale. We quantify Insteon’s limitations to query device status—once every 10 seconds to achieve less than 5% loss rate—and then evaluate techniques to disaggregate coarse HA data from fine- grained building-wide power data. In particular, our techniques learn switched load power using on-off-dim events, and tag fine-grained building-wide power data using readings from plug meters every 5 minutes.

INTRODUCTION

Recently, smart grid initiatives have focused research attention on improving the electric grid’s efficiency.1 Smart grids are important due to a long-term upward trend in energy costs and a growing consensus that carbon emis- sions contribute to climate change. Since home and office buildings represent a major fraction (73%) of grid consumption , the design of smarter buildings that interact with the smart grid to reduce consumption is also important. Smart buildings use demand-side energy management to self-regulate their energy footprint to reduce overall energy consumption and peak power usage, while better aligning consumption with renewable generation . Demandside management requires buildings to 1) continuously monitor the power consumption of electrical loads and 2) remotely control when and how much power each load consumes, e.g., to enable automated demand response. Although load monitoring and control are closely coupled in demand-side management, two disjoint sets of technologies have evolved to perform these tasks in smart homes. On the monitoring front, researchers have developed numerous techniques to enable fine-grain tracking of electric usage at various spatial and temporal dimensions, e.g., . Several past efforts focus on outlet-level monitoring, and in some cases control, of electric loads using wireless technologies, such as 802.15. These technologies are still expensive for typical homes, which may contain several tens to hundreds of outlets.

چکیده

نظارت و کنترل بارهای الکتریکی برای مدیریت تقاضای انرژی در شبکه های هوشمند بسیار مهم است. پروتکل های اتوماسیون خانگی (HA)، مانند X10 و Insteon، کنترل های بارگیری برنامه را برای چندین سال ارائه کرده اند و به طور گسترده ای در محاکمه های اولیه شبکه هوشمند مورد استفاده قرار می گیرند. در حالی که پروتکل های HA شامل توابع نظارتی اولیه، محدودیت های پهنای باند شدید (180bps) مانع از استفاده آنها در نظارت بر بار می شوند. در این مقاله ما چالش هایی را در طراحی AutoMeter، یک سیستم برای بهره برداری از HA برای نظارت دقیق بار در مقیاس، برجسته می کنیم. ما محدودیت های Insteon را برای بررسی وضعیت دستگاه اندازه گیری می کنیم – یک بار در هر 10 ثانیه برای دستیابی به میزان تلفات کمتر از 5٪ – و سپس تکنیک ها را برای تجزیه داده های HA درشت داده از داده های قدرت کلی ساختمان کامل ارزیابی می کنیم. به طور خاص، تکنیک های ما توان مصرف بار را با استفاده از رویدادهای کم نور کم نشان می دهد و هر دقیقه 5 برچسب برق داده ها را با استفاده از قرائت از دستگاه های پلاگین نشان می دهد.

مقدمه

به تازگی، ابتکارات شبکه های هوشمند توجه پژوهشگران را به بهبود بهره وری بهره برداری برق متمرکز کرده است. شبکه های هوشمند با توجه به روند بلند مدت در هزینه های انرژی و همگانی در حال افزایش است که انتشار کربن به تغییر آب و هوا کمک می کند. از آنجایی که ساختمان های خانه و اداری بخش عمده ای از مصرف شبکه را تشکیل می دهند (73 درصد)، طراحی ساختمان های هوشمندانه ای که با شبکه های هوشمند در ارتباط هستند، برای کاهش مصرف نیز اهمیت دارد. ساختمان های هوشمند با استفاده از مدیریت تقاضای انرژی برای تنظیم خود راندمان انرژی خود را به منظور کاهش مصرف انرژی کلی و حداکثر مصرف برق، در حالی که تراز بهتر مصرف با تولید تجدید پذیر. مدیریت نیاز به نیاز به ساختمان ها به 1) به طور مداوم نظارت بر مصرف برق بارهای الکتریکی و 2) کنترل از راه دور زمانی که و چقدر قدرت هر بار مصرف، به عنوان مثال، برای پاسخگویی به تقاضای خودکار تقاضا. اگر چه نظارت و نظارت بر بارگیری در مدیریت تقاضا به شدت متصل است، دو مجموعه مجزا از فن آوری ها برای انجام این وظایف در خانه های هوشمند تکامل یافته اند. در زمینه نظارت، محققان تکنیک های متعددی را برای ردیابی ریز دانه از مصرف برق در ابعاد مختلف مکانی و زمانی، مانند. تلاشهای گذشته تلاش زیادی برای نظارت بر سطح خروجی و در بعضی موارد کنترل از بارهای الکتریکی با استفاده از فن آوری های بی سیم مانند 802.15 است. این فن آوری ها هنوز برای خانه های معمولی گران هستند، که ممکن است چندین دهه به صدها بازار داشته باشد.

Year: 2011

Publisher : ELSEVIER

By : David Irwin, Anthony Wu , Sean Barker , Aditya Mishra, Prashant Shenoy, and Jeannie Albrecht