Energy sensing and control for the future internet of energy

With the Smart Grid revolution and the increasing interest in renewable energy sources, the management of the energy consumption and production in individual households and small residential communities is becoming an essential element of new power systems. The performance of the electrical energy chain can greatly benefit from a flexible interaction with end-users based on the optimization of the load profile over time and the exploitation of local production. To achieve this goal a set of tools are needed, which provide management instruments together with accurate forecasts on renewable energy sources production and on user habits. A key role in the new smart energy system is played by communication technologies for the exchange of data between users and devices within a home network including sensors, control mechanisms and user interfaces. In this thesis we propose a framework for the development of a complete energy management system for individual residential units and small communities of domestic users, taking into account both the power system and final users perspectives. All the main elements of the systems are considered and contributions are provided on energy and environment monitoring systems designing, user habits profiling, offline and online energy load and storage optimization models and heuristics.

Con la nascita delle Smart Grid e il crescente interesse per le fonti energetiche rinnovabili, la gestione del consumo e della produzione di energia di singole unità e di piccole comunità residenziali sta diventando un elemento essenziale della rete elettrica. Tale rete, infatti, può trarre notevole beneficio da un' interazione flessibile con gli utenti finali basato sull'ottimizzazione del relativo profilo di carico e lo sfruttamento di produzione energetica locale. Per raggiungere tali obiettivi, si richiede lo sviluppo di una serie di strumenti per la gestione delle risorse energetiche nonché la profilazione della produzione di fonti rinnovabili di energia e delle abitudini degli utenti. Un ruolo chiave nel nuovo sistema energetico è svolto dalle tecnologie di comunicazione utilizzate per abilitare lo scambio di dati tra utenti e dispositivi all'interno di una rete domestica e per fornire meccanismi di controllo e interfacce utente. In questa tesi si propone un quadro di riferimento per lo sviluppo di un sistema completo di gestione energetica per le utenze residenziali e piccole comunità di utenti domestici, tenendo conto sia delle esigenze degli utenti stessi che dei requisiti e performance della rete. Tutti gli elementi principali di tale sistema sono considerati, fornendo contributi in materia di monitoraggio delle abitudini degli utenti e relativi consumi, modelli di ottimizzazione ed euristiche per la gestione dei carichi di energia offline e online e gestione di dispositivi di storage.