Efficient scheduling of household appliances

an application of the analytical hierarchical process and the knapsack problem in smart grids to reduce peak consumption

Authors

  • Daniel Velasque de Oliveira Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo (IFES), Vitória, ES, Brasil.
  • Mário Mestria Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo (IFES), Vitória, ES, Brasil. https://orcid.org/0000-0001-8283-0806

DOI:

https://doi.org/10.14488/1676-1901.v25i1.5354

Keywords:

Optimization, Demand side management, Smart grids, Analytic hierarchy process, Knapsack problem, Dynamic pricing

Abstract

The current scenario of growing energy demand emerges on the agenda discussions about the efficiency of the actual electrical distribution systems. Beyond, the constant increase in energy demand at peak hours requires a sustainable and low-cost solution to reduce the stress of the electrical distribution systems. To solve this problem, a methodology based on demand-side management and dynamic pricing was proposed, which consists of planning the use of the customer's household appliances using decision and optimization algorithms, in order to reduce energy consumption during business hours peak, providing relief to electrical distribution systems and savings to consumers. However, the planning in the use of an appliance to the customers is not a simple task, given the complexity in the scheduling these appliances and customer preferences. In the literature, there is a wide discussion about heuristics and multi-objective algorithms that can be used to solve this problem. However, in this work, an algorithm using the analytical hierarchical process in conjunction to the knapsack problem modeling was developed to solve this problem. This algorithm makes a schedule for the usage of the appliances. After testing, it was found that the developed algorithm was capable of planning the use of household appliances for different consumer profiles, achieving energy savings of at least 20 percent during peak hours. The results suggest that the method, when applied to a wider range of consumers, can be used to reduce stress levels on the generation system at peak times to a satisfactory level, contributing to better balancing of the daily load.

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Author Biographies

Daniel Velasque de Oliveira, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo (IFES), Vitória, ES, Brasil.

Graduando no curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espirito Santo (Ifes), Campus Vitória, ES e Técnico em Eletrotécnica pelo Ifes. Atuação nas seguintes áreas: escalonamento de aparelhos domésticos em redes elétricas inteligentes, otimização usando modelo da mochila e gerenciamento do lado da demanda em redes elétricas inteligentes.

Mário Mestria, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo (IFES), Vitória, ES, Brasil.

Doutor em Ciência da Computação pela Universidade Federal Fluminense. Atualmente é Professor Titular do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo, Campus Vitória, ES. Membro permanente do Mestrado em Tecnologias Sustentáveis, Campus Vitória. Tem experiência nas áreas de Ciência da Computação, Engenharia Elétrica e Engenharia de Produção com ênfase em Otimização Combinatória, Inteligência Computacional e Pesquisa Operacional. Atua nos seguintes temas: metaheurísticas, métodos híbridos, problema da mochila, otimização em sistemas elétricos, gerenciamento pelo lado da demanda para consumidores residenciais, redes elétricas inteligentes, problemas de localização, indústria 4.0, problema de cobertura de conjuntos e realidade virtual.

References

AWAIS, Muhammad et al. An efficient genetic algorithm based demand side management scheme for smart grid. In: 2015 18th international conference on network-based information systems. IEEE, p. 351-356, 2015. Disponível em: https://doi.org/10.1109/NBiS.2015.54. Acesso em 05 de mar. 2024.

BREDA, G. R.; MESTRIA, M. Métodos heurísticos para despachar veículos de emergência com níveis de prioridade para responder às falhas de energia elétrica. Revista Produção Online, [S. l.], v. 23, n. 1, p. 4860, 2023. Disponível em: https://doi.org/10.14488/1676-1901.v23i1.4860. Acesso em: 01 dez. 2024.

CHAKRABORTY, N.; MONDAL, A.; MONDAL, S. Efficient Scheduling of Nonpreemptive Appliances for Peak Load Optimization in Smart Grid, in IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 14, n. 8, p. 3447-3458, 2018. Disponível em: https://doi.org/10.1109/TII.2017.2781284. Acesso em 05 de mar. 2024.

DUTRA, C. C.; FOGLIATTO, F. S. Operacionalização do Processo Analítico Hierárquico Usando Matrizes Incompletas de Comparações Pareadas. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE PESQUISA OPERACIONAL, 48., Anais [...], Fortaleza, 2007. Disponível em: https://www.din.uem.br/sbpo/sbpo2007/pdf/arq0113.pdf. Acesso em: 05 mai. 2024.

EARLE, R.; KAHN, E. P.; MACAN, E. Measuring the Capacity Impacts of Demand Response. The Electricity Journal, 22(6), p. 47-58, 2009. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.tej.2009.05.014. Acesso em: 05 mai. 2024.

HONORATO, Í. et al. Otimização Multi-Objetivo da Demanda em Redes Elétricas Inteligentes Residenciais. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE PESQUISA OPERACIONAL, Anais [...], 48., Vitória, 2016. Disponível em: https://www.din.uem.br/sbpo/sbpo2016/pdf/155927.pdf. Acesso em: 05 mai. 2024.

KUMARAGURUPARAN N.; SIVARAMAKRISHNAN H.; SAPATNEKAR, S. Residential task scheduling under dynamic pricing using the multiple knapsack method. In IEEE Conference, Washington, DC, p. 1-6, 2012. Disponível em: https://doi.org/10.1109/ISGT.2012.6175656. Acesso em: 03 jan. 2025.

LINDO Systems, Inc. Classic LINDO's Interface, 2024. Disponível em: https://www.lindo.com/index.php/ls-downloads. Acesso em: 03 out. 2024.

MONEGAT, A. D. R. et al. Aplicação do Método Processo Analítico Hierárquico para Seleção de Projetos, p. 2974-2986 . In: SIMPÓSIO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO, 15., Anais [...]. São Paulo: Blucher, 2020. Disponível em: https://doi.org/10.1590/S0034-75901988000100002. Acesso em: 21 dez. 2024.

MOSTAFA, N. A. et al. A sustainable user-centered application for residential energy consumption saving, Sustainable Energy Technologies and Assessments, v. 53, part D, p. 102754, 2022. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.seta.2022.102754. Acesso em 03 dez. 2024.

NEBEY, Abraham Hizkiel. Recent advancement in demand side energy management system for optimal energy utilization. Energy Reports, v. 11, p. 5422-5435, 2024. Disponivel em: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2024.05.028. Acesso em 12 nov. 2024.

NEWSHAM, G. R.; BOWKER, B. G. The effect of utility time-varying pricing and load control strategies on residential summer peak electricity use: A review. Energy Policy, v. 38, n. 7, p. 3289-3296, 2010. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.enpol.2010.01.027. Acesso em: 03 jan. 2025.

OMAR, F.; BUSHBY, S. T.; WILLIAMS, R. D. Assessing the performance of residential energy management control Algorithms: Multi-criteria decision making using the analytical hierarchy process, Energy and Buildings, v. 199, p. 537-546, 2019. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.07.033. Acesso em 03 dez. 2024.

PAULA, B. L.; CERRI, L. E. S. Aplicação do processo analítico hierárquico (AHP) para priorização de obras de intervenção em áreas e setores de risco geológico nos municípios de Itapecerica da Serra e Suzano (SP), Geociências, v. 31, n. 2, p. 247-257, 2012. Disponível em: https://www.revistageociencias.com.br/geociencias-arquivos/31_2/Art08_Paula_e_Cerri.pdf. Acesso em: 12 nov. 2024.

RAHIM, B. et al. Towards Multiple Knapsack Problem Approach for Home Energy Management in Smart Grid. In 18th International Conference on Network-Based Information Systems, 2015. Disponível em: https://doi.org.10.1109/NBiS.2015.11. Acesso em: 03 dez. 2024.

RAHIM, S.; AHMAD, H. Data-driven multi-layered intelligent energy management system for domestic decentralized power distribution systems. Journal of Building Engineering, v. 68, p. 106113, 2023. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106113. Acesso em: 03 dez. 2024.

RODRIGUES, A. J. de F. .; SOUSA, E. F. de; GONÇALVES, T. J. M.; GUILHERMINO NETO, G. Estratégia de produção e competitividade: estudo de caso de uma usina siderúrgica. Revista Produção Online, [S. l.], v. 23, n. 3, p. 5007, 2024. Disponível em: https://doi.org/10.14488/1676-1901.v23i3.5007. Acesso em: 01 dez. 2024.

SAATY, T. L. The Analytic Hierarchy Process: Decision Making in Complex Environments. In: AVENHAUS, R., HUBER, R.K. (EDS). Quantitative Assessment in Arms Control. Springer, Boston, MA, p. 285-308, 1984. Disponível em: https://doi.org/10.1007/978-1-4613-2805-6_12. Acesso em: 01 dez. 2024.

SHEWALE, Amit et al. An overview of demand response in smart grid and optimization techniques for efficient residential appliance scheduling problem. Energies, v. 13, n. 16, p. 4266, 2020. Disponível em: https://doi.org/10.3390/en13164266. Acesso em: 21 dez. 2024.

SIANAKI, O. A.; HUSSAIN, O.; TABESH, A. R. A Knapsack problem approach for achieving efficient energy consumption in smart grid for endusers' life style. In: 2010 IEEE CONFERENCE ON INNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR AN EFFICIENT AND RELIABLE ELECTRICITY SUPPLY, Waltham, MA, USA, p. 159-164, 2010. Disponível em: https://doi.org/10.1109/CITRES.2010.5619873. Acesso em: 23 dez. 2024.

SILVA, B. N. et al. Meta-heuristic optimization based cost efficient demand-side management for sustainable smart communities. Energy and Buildings, v. 303, p. 113599, 2024. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2023.113599. Acesso em: 03 jan. 2025.

Published

2025-03-08

How to Cite

Oliveira, D. V. de, & Mestria, M. (2025). Efficient scheduling of household appliances: an application of the analytical hierarchical process and the knapsack problem in smart grids to reduce peak consumption. Revista Produção Online, 25(1), 5354 . https://doi.org/10.14488/1676-1901.v25i1.5354

Issue

Section

Papers