메타 휴리스틱 알고리즘을 활용한 태양광 에너지 관리 시스템의 가전제품 사용 스케줄링 최적화

Optimizing Appliance Scheduling for Solar Energy Management Using Metaheuristic Algorithms

재생 에너지는 미래 에너지 수요를 충족하는 데 필수적이지만, 태양광 발전은 주로 낮에만 이루어지기 때문에 가정 내 소비 패턴과 일치하지 않는 경우가 많습니다. 일반적으로 조리 기구, 세탁기, 건조기와 같은 가전제품은 사용자의 선호 일정에 따라 작동되며, 이는 태양광 에너지의 가용성과 동떨어져 있어 스케줄링 최적화 문제를 야기합니다. 본 연구는 재생 에너지 활용을 극대화하고 사용자 불편을 최소화하며 시스템 제약 조건을 준수하는 최적의 가전제품 작동 시작 시간을 결정하는 것을 목표로 합니다. 본 논문에서는 반복적 지역 탐색(ILS) 및 시뮬레이티드 어닐링(SA)과 같은 메타 휴리스틱 접근 방식을 사용하여 가전제품 작동 시간, 전력 소비량, 인버터 제한, 배터리 충전 상태 제약 조건, 태양광 발전 예측 등을 고려하여 가전제품 시작 시간을 최적화합니다. 기존 연구와 달리, 본 연구에서는 스케줄링을 하루 이상으로 확장하여 이전 날짜의 미완성 작업을 처리할 수 있도록 하여(스필오버), 운영 연속성을 확보하고 여러 날에 걸친 순차적인 작동을 가능하게 합니다. 실험 결과는 제안된 다중일 스케줄링 프레임워크가 시스템 제약 조건을 효과적으로 관리하면서 독점적인 태양광 발전 환경에서 사용자 편의를 보장한다는 것을 보여줍니다. 또한, 본 연구의 결과는 다양한 크기의 장비 투자, 해당 투자의 수익성 및 사용자 만족도 간의 다중 목표 균형에 대한 향후 연구 기회를 제공합니다.

Renewable energy is essential for meeting future energy demands; however, solar energy generation, which occurs only during daylight hours often does not align with household consumption patterns. Appliances such as cookers, washing machines, and dryers are typically operated according to user preferred schedules rather than solar energy availability, creating a scheduling optimization problem. The objective is to determine optimal appliance start times to maximize renewable energy utilization while minimizing user inconvenience and adhering to system constraints. This paper presents a metaheuristic approach using Iterated Local Search (ILS) and Simulated Annealing (SA) to optimize appliance start times, while considering appliance operating durations, power consumption, inverter limit, battery state of charge constraints, and solar generation forecasts. Unlike most existing work, the scheduling is extended beyond a single day to accommodate unfinished tasks from previous days (spillover), ensuring operational continuity and enabling sequential operation across multiple days. Experimental results show that the sequential multi-day scheduling framework effectively manages system constraints while ensuring user convenience under exclusive solar generation. These findings also open opportunities for future research on multi-objective trade-offs between investment in equipment of various sizes, return on that investment, and user satisfaction.