Assessing the Control Systems Capacity for Demand Response in ...

LBNL-5319E

Assessing the Control Systems Capacity for Demand Response in California Industries Girish Ghatikar, Aimee McKane, Sasank Goli, Peter Therkelsen, Daniel Olsen

Lawrence Berkeley National Laboratory January 2012

Disclaimer This document was prepared as an account of work sponsored by the United States  Government. While this document is believed to contain correct information, neither the  United States Government nor any agency thereof, nor The Regents of the University of  California, nor any of their employees, makes any warranty, express or implied, or assumes  any legal responsibility for the accuracy, completeness, or usefulness of any information,  apparatus, product, or process disclosed, or represents that its use would not infringe  privately owned rights. Reference herein to any specific commercial product, process, or  service by its trade name, trademark, manufacturer, or otherwise, does not necessarily  constitute or imply its endorsement, recommendation, or favoring by the United States  Government or any agency thereof, or The Regents of the University of California. The  views and opinions of authors expressed herein do not necessarily state or reflect those of  the United States Government or any agency thereof or The Regents of the University of  California. 

ACKNOWLEDGEMENTS The work described in this report was coordinated by the Demand Response Research Center and funded by the California Energy Commission (Energy Commission), Public Interest Energy Research (PIER) Program, under Work for Others Contract No. 500-03- 026 and by the U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC02-05CH11231. The authors would like to acknowledge the contributions of all who assisted in review of this work, and thank them for their ongoing support, including PIER’s Anish Gautam and Mike Lozano, and members of the Demand Response Research Center Industrial Controls Experts Working Group: • • • • • • • • • • •

Jim Filanc, Southern Contracting Steve Hiersche, Rockwell Automation Bob Holt, GE Power Systems Gary Marks, Iris Connection Rod Perry, Factory IQ Bill Schiel, Invensys Doug Scott, VaCom Technologies Dave Shroyer, Network Appliance Tom Taranto, Data Power Services Bill Wahl, Schneider Electric Bob Zak, Powerit Solutions

The authors would also like to thank Bunmi Adesola and Kristen Parrish of Lawrence Berkeley National Laboratory for their assistance in obtaining data for this report.




ABSTRACT *,  #,,, ,!,# , ,&, ,,+,  &,!,,",!,#&,! , , ,, , ,,,,  #*, ,,#,,,,,,,%,
, ,,, #,, ,, #,,+,#,,, ,,,  #,,

,,,,  ,  #,#',! &,, ,!, ,, , ,  #,,,%, ,,,&, ! ,#,, #&,, ,  ,!,,,,  &,  ,, #,,,, ,,, , ,, ,%, ,#,, ,, ,,  ,  #,, ,,,(),,
,,,(
+)%,,,, ,, #,,,#,,,, ,,+, &, #, ,,$, ,!,,, ,,,  ,,! , ,,,,, , %,
#,,, #,,!,,!,, ,#,,, ,  ,+,,#,, ,#&, ,,,,,, ,!,,,  , %, ,,,!,,, ,,, ,  ,,,,, %, , , , ,, ,,,,, &, ,,, ,%, ,+ , ,,+ , ,,,,, ,#,&, , &,, ,,#,%, ,, #,,!,,, &,,,,,,, #,%,,,
+,,,, , !,, ,  ,,,,,  , ,, ,,,  ,,  ,,, ,,,,%

Keywords: demand response, automated DR, openADR, industrial controls, dynamic pricing, controls and automation

Please use the following citation for this report: Ghatikar, Girish, Aimee McKane, Sasank Goli, Peter Therkelsen, and Daniel Olsen (Lawrence Berkeley National Laboratory). 2011. Assessing the Control Systems Capacity for Demand Response in California Industries. California Energy Commission. Publication number: CEC-500-2011-026

,

TABLE OF CONTENTS  9


96666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669.
9.89 $" 9&& !&9666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669.
9/89 !&$"'&"!79$"'!79!9#"$&9 $!,&"!9666666666666666666666666666666666666666666666669//6.69 !&$"'&"!96666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669//6/69$"'!9666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666690/6069#"$&9 $!,&"!9666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666691
9089 &"""%9!9&9'$(+9 $"%%96666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666693
91899
!+%%9!9%'&%966666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669416.699$&$,&"!9$ )"$966666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666694--)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-' --)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-'--*, +-)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-(16/69'

$+9"9'$(+9%'&%96666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666695-

- -- !- -)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"" - -))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"# ----))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"#-!-)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"# - --)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"$!-
-))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"%----- -)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"%-,-- - -))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))-"&16069"!'%"!%9$)!9$" 9'$(+9%#"!%%966666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669.416169%'&%9 !&$&9)&9 &$9"'$%96666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669.5162699$" 9&9"!&$"9*#$&%9$"'#9666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669/-
92899"!'%"!%9666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669//26.69*&9&#%9666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669//369$!%96666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666669/1
-


"'
$'' #''' ' #'
"'$''
 ' ' '%
 &' #'  !'
"'$'  '  '' #' '
"'$' #'  ''' '
"'$''"' ' 4 4

List of Figures !4(24 %44
4 44 4!"%41111111111111111111111111111111111111111111111111111114-
4 4

List of Tables 4(244 4 & 4#4111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111140
4)24! 4$44 4 & 44!"%4  4111111111111111111111111111111111111111114((
4*24"4 "4!%4 !4  %411111111111111111111111111111111111111111111111111111111111114()
4+24%4 443 4  %4 ! 41111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111114()
4,24 44" 4  %44111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111114(*
4-24 4 4 41111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111114(+
4.24 4% 44 4 4  4 411111111111111111111111111111111111111111111111111111111114(+
4/24!44%4
! 4 4  4 41111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111114(-
4024 4441111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111114(-
4('24 4 !44
! 3 4 41111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111114(/
4((24
!4  %4! 44! 4# 4! 4 4   411111111111114)(


"4

EXECUTIVE SUMMARY Introduction

7#"77$"#!7#"7#!7"("#"7$77#(5"7#(7#7$"7!(7 #(07#!7#"777!77!(7#7# $"17$7 !##77
$##77 ""7!!"0

Purpose $7#7777!#77#7$!!#7"##77#!"77!7$"#!(177!#7&"7 $!#7(7&!7!(7 #7!#!(73 4777,**/7#7%"##7 #7"##$"77$"#!7#!"77#77#&7#!7#"777 ""7 !##0

Project Objectives
7"$!%(7&"7"7#7#!7!#77#"57#!7#"17"7&7"7#!7 #!"7%7#77!##7#77 ""7!##07 7"$!%(7&"7#"#77 (7%77&6"7#177"$!%(7!"""7&!7()7#7"!#7#7!%7 7""##7#!7"("#"77#7%#(77#7!"!!"57""$#"7!!7#7 7#&7#"57!#77#7!#!"#"77#!77 ""7 ##07 $#!7(7&!7!(7 #7!#!(77%!$"7$"#!(7##"7 (7-.7%7"$!%(7!"""07!!(7"7#7!7#"7!"""7&!7 !"#7#77!$77$"#!7#!7'!#"17&"77&"7$"7#7!7#7 $""0

Conclusions
(""77#7"$!%(7!"""7!%7"&7##7&7#7%"#7!#(77$"#!7 #"7%7"67!7$(7$##7#!7"("#"17!##777 ""7 !!"7"7"#7&7$7#7!%7!!!"07 7!"$#"7"7"&7##7#7#"7##7 $"7#$$"7!"""7!777 ""7#"077!7#"7 !##777 ""7#7#"7#7!##17"%!7"!#"77 !"7!077 ""6!##776!##7#"77 "!7#"777!(7$"17"!7!$#7!"""177"!7!##77 !(7$#"07 7(7!#!"#"777 ""6!##7#"7!27 • • • • • •

!7!(7"$#7 !7$##7#!"7 !7#!)7#!"77 "77#!"7!77#7 #"7&#76"#7!#7 #777 ""7"67$#!#(7#7!$#77 #(6%7"#7

+7

++++   +   ++   +  ++

 + ++  &+'"(+   ++  ++ + + + +

+%+  + '#(+  +++ +$+++ %++

 + +  +++   + )+   ! ++  +* + $+ +  ++ + ++ + + +++  + ++  +  + + $

Recommendations ++ + ++  + + + + +    %+++  ++++  + $+++  ++ +++ +  ++  +  + +  ++ ++  ++  +  + + + + ++  +++ ++  +  $+  ++
*  +++  + ++ + +  +

+  ++ +  + ++   %+  + +  + +  ++ ++  ++ $

Benefits to California   )+   + + ++  +   + + %+ + + *+  %+++++  %+ +  + + + + ++ +  +   )+ ++ ++ ++++ +$+ + +++%+  +  ++ +  +

+   %++++  + + + + +  ++ ++   + +  +  + %++ + + +

  +++ + +$++   +++ ++ +  +

 +++  +  + + *+ +++ ++  + +  $++ + ++++++ +++  )+  +   ++  +  +  + +++   +   ++'+
*(+ %+  +  + +  +* +$+ ++ + + +   ++ ++

+* +  +

%+  %++  %++ + +  ++  + +  ++++  ++ *+ ++  $

#+

3

CHAPTER 1: Problem Statement  1!3" "'3 "!3 3$3"% 3'3 3/,,
 2"3 03 %"3"3&"3%3' !,3!33#3$33!"3"33"!13!"33 " "'3# 3"!333#!,3
3#!" 3"'3%"33 !$3!" "'3 3 !3"3" "'3 33!#'3!!3%3$33""$3$"3$ 3"!3 ""33",3 3#!" 3"'33"3#"# 3%3$3"3"'3"3&" "3"3&#3'!33 " '3$#3 3"3 '3#!33" 3 !!,33"-3"!3"!3%3!!!!3 !#"3 2"3 '3 "33" 3"'3"33%33%3#3  '3"3#!3 3!" 3 3" 3#!-3!33"!3 -3!# -33" 3" !3$#3'3 "'3 !,3 3!3"!-3!"3 '3 #"3%3%3"3"33"3 !# !3"3"3 3# 33 !3/ -3'3"3,3*))+0,3 "!333 !$3!" "'3 3 !3"3" "'3 33!#'3!!3 #3"3%.3 •  '3'.3 "(3" "'3#!33!",3 • 3 ".3 3" "'3333'3!!3%33 2" 3 # 3",3 • 3 ".3#33 !333'3!!3'3!"3#"3!33 #!,3 • 3!!3/0.3  ""33!3$"!3/3 $3"$!03"3 "  '3 #3!#"3%3 !3333"3" 3 3 3"3" 3 !",3
#""33!!3/
#"203!33"'333""3#!!33!# 3!3 "%3"3#""'33"3#!" 3"'3"3#""'3!3 3!"3!3!3 # 3 " -3#"#'3 3#-3"!,3
"#3#"3" !33#""3!'!"!3""3 $3#!" 3"'3 !3 2"3 '3#!33!"3 "3 3!! '3 3!#!!#3""333  !$3" "'3!" "'-3""3!3%3#"3"3# "3" 3"'33  3#!" !,33 !!3"!3-3 % 3 '3"3  " '3/  0-33 !3 "3%"3 3#!" 3" 3!!"!-3#"33!# $'3"3 " 3"3# "3!""33" !3"!33 3#!" !,3!3!"#'3 "!3!" !3""3$3"3"3"'3"3"333
#"2,3# " -33 3 "3"3!!!"3'3 !33#!" '33"3"3!33 2"3 -3 "'3 "33 ("3" !3% 3"3"3! "3"3 "3 "!33%3!" !33 "!3!#33#!,3

9

CHAPTER 2: Introduction, Background, and Report Organization 2.1. Introduction 9  9"$!%(09$9(9#9!9!(9""6"9$9#!"#9!(9 "!93 49!!09&"9"9#9##!9$!"#9#9'"#9#!99 $##9#"99!9$"#!"99!8#!9"9!9$!"/99!"$#9 !#9"9#9#9!"9#9$!"#99$"#!(5"9#(9#9%$#!(9 !%99!"9#9
$##99 ""93
$#8 49""9#9"#9!9"98 ""#9#!9/99#9$"99#"9"$!%(9&"9#9#(9#!99$##9 #(09#9 $"#"99(""99!"$#"9"9#9!#99!)#9 !#!"#"99"#!#"9!9 9&#9!#9$"#!9"#!"09"9#(9!9!##9 #!"9$"9#9#!9 9!##/9 $!9#9"$!%(9!""09&9&!99#9!9-.9$"#!9#"09&#9#9 !!99!"#"9!9#99!""99&"#&#!9"#!"/99"$!%(9 !""99#"9!"$#"9!9"$!)99#"9!!#99$!#!9#99#9"/99 #09#9#9#9!9!!!#9&!$""09&"#&#!9#"09$"#!9 ""099#9#!"9"9#9!"$#99!%$"9  9!"!93#!#9$#"09&!09 9"#!8"9(""49&!9$"9#9%#9""$#"99##!$#"9&#9#"9 $"#!9"#!"9##9#!$#9#9 9##93#!9#9/9,*+*29 %9#9/9,**.29 %9 #9/9,**.29"9#9/9,*+*4/9 9!"!9&"9#9#9"&!9"%!9(9 $"#"99!!9#9#(9 9#(99 #9$"#!9#"/9#9""#99#!99#""/9!"#09#(9&9$"#!"9%9#9 !#"#9$##9#!"9#(09&9$"#!"9%9#9!#"#9"7"#9#(09 9#9"!#"99#"9$"#!"/9 09#(9#9!#""9#&9 $##9#!"9#(09"#!(99!(9(9"$!"099 9!##/9 (09#(9#!9#!"09"$9"9!)#9"#!$#$!99#9#9 9!##/99
9!"%9&8"9"$!%(9&"9"9"99#9#9#!9!#99#9 $"#!9#"/99$"#!9#(9!"""9#9#"9 $"#"9&!9()99 !%&9(99!$99$"#!9'!#"99#!"99$##/99 9!$99$"#!9#!9"("#"9'!#"9&"9%#9#9!999
%"!(9 !$93
49!9#9&9$!""19 • #9!9!9#9"9!9#9!#9!!#/9 • '9$!9$!"#99#9#!"9%!#9!9#!9$"#!9"#!"99 !#9#9!/9 • "$""9#9#"99#"9#9"#!"9#9!##99 /9 • 9#9(""9!99!#"/9 ,9 9

= $= =!# #==$! $=$#=%#=89=#$#6=%=  (=% = $% #$=(#=%=$=*=% ='==! %%=8 6=%%=%=5=-++197= •  '#%=!#=# &%=&%&#= • $==&%&#==
% =% =&$%#=$$= • #*=# &%=&%&#= •
# $!=# &%==#%$=&%&#= • %#=#%=%=# &%=&%&#= •
=&%#==# $$= • #$== #%=&%&#= • '#=&%&#= !&%=# =%$=)!#%$=($=$ &%='== ##$! ==*= $%==%=%=

 = =#&#*=,+6=-+,,5==!#!#% = #=%=
=%6==%!%= == #%#$%$=($=' !6=(=!# '==#( #= #= %=)!#%=!&%= %= &#==%#=%=%5=
%#=)!#%=!&%=($= %==%#%6===#%=#! #%=($=!#!#==#&%=  #=!#=#'(5=$==#! #%=#$&%=# =%$=!#=#'($5==!&#! $= =%$== #! #%=$=% =!# '=&=% =! *=#$= =8,9=%=$%%&$= =&$%#= %# =$*$%$==  #=&$%#$6==8-9=%=###$=%%==% ==#$$=% =!#!#= #= &$%#$=% ='=%=!%*=% =)%#%=%=)&=!*$== %#*='&=# =%= #*=&$= =%#=!#$$5=

2.2. Background =#%= #=%*;(=#*=%== %# $=$=# (="&*6=$=$=%==  #=
&% ;6=(= #$=&=;% ;=&% % = #=#$==#%*=8 %!&= =$=-++.95= =%6=%= &$=$== = =%"$!$ >"$!%%>! &$!>!$>&>#'%&! > >>(%>%'>%>!"$& > ((%4>&'&!$%4> >&$ %'$%3>> >%>#'"">)&>! >!$>!$>!' &! >  &$>'%>&!>&$ %&> >$(>!"$& >%%%3>!> >(%>(> &$ > "$!%% >"!)$>&!>"$!$>%">!"$& > %&$'&! %4> >&>#'%&! >'$ >"$!%> !>&>) >!' &! >&!>&>: %&$;>%> &$$'"&3>>
    >%>>! &! 4>)>!)%>&>* >!> !$&! >&) > &)!>!$>!$>&>!"'&$%>!$>"$"$>(%3>!' &! > &$%>$>!"$%> !>&)!>!"!  &%5>>"+%>+$> >>!' &! >"$!&!!3>>
     >%>&>"+%> &$! &! >&) >&>&>!"'&$%>  "$"$>(%3>!$>*">&$>)$ > >! &!$%4>$!>&$ %&&$> $($4>!$> $$>&$ %&&$>$($4>&3>$&>>:"+%;>! &! >&) >(%3> >"+%>+$>$$%>% %>&) >(%3>!! >!' &! > &$> %& $%> '>%">)$>! &! %>%'>%> ./.4> 0..4> 0214>&$ &4>&35> > &>$&$%&%>!>&$>% %>&&>"%%>&$!'>&>! &! 3>
>)$%%>"+%> +$>%'>%>>2,.3-->%>>%&>!>%& $%>!$>)$%%>!>$> &)!$>6
74>)> %"%>!($=&=$>!'&! >& #'%4> >&>% &>!>$!>$#' +>%"&$'> '%3>
    %>&> &! >!>%%%>&&>$>"%%>&) >(%3> $!&!!>%& $%> >&>*&>%#' >!>&%4>$&$%4> >! &$!>!%>'%>&!> &$ %$>&>&) >!"'&$%> >"$"$%>&$!'>>!' &! %> &$3> $!&!!%>+>>:!" ;>)&>"'+>(>%%>%&$'&'$5>!$>:!%;>)$> >&>  '&'$$>!%> !&>"'+>%!%>&>%%>%&$'&'$3>!' &! >"$!&!!>&> +$>33> !'%4>  4> &!$+>4>
 &4>&3> HMI (Human Machine Interface)> !"%%%>>!>&>(%> > %>+>)>"!"> 6!"$&!$%7> &$&>)&>> >!$>"$!%%>%+%&3> >&>%"%&>!$>>:  > ;> %)&>%> > 3>*"  >&&> &$>&> '>>:"!)$>! ;>&> >:$'  ;> &>&!>(>&>!"$&!$>&! > !$&! >!'&>&>%&&'%>!>&> 3> !$+> > &>>!> '%&$>! &$!>'&!&! > > >%>!$>( > >&> '>>&!'> %$ >!$>!"'&$4>)>"$!(%>&>!"$&!$>)&> +> &! %>!>$>&> "$!$ >!$>&> >!$>"$!%%3>> >+>%!>"$!(>&>!"$&!$>)&>%%>&!>  +>$ &>! &$!%>'%>&!>'%&>"$!$ 3>> >+>(>&>!"$&!$+>(%!$+>  >!$>'&>$%>$& >&>!"$&!$>&!>&> >!$> &  >!$>$"$3> Peak Load Management (PLM)> '%>&+>%'$%>&&>$>' $& >! >+>%%>&!> $'>&$&+>'%> >$%>'$ >! =">&%>+>&$>'$& >&$&+>'%> !$>%& >'$ >!=">&%3> >!>  &>%&$&%> '>!&! >!>
=.> >

        

          Demand Limiting  

   



  

  

     

     

          


 

@

Appendix B Open Automated Demand Response (OpenADR) Technology Overview@ @ @'!"",@(&@"%@ #!
@#%"% &@"%@!(&'%@'&@[email protected]@"%!'@%" @ !'@"!#'(@&!@[email protected]@'@  @'"@&(##"%'@"#!@&'!%&?&@'@ "&@'"@ " (!'@#%@!@%',@@)!'&7@ #!
@&@@(,@('" '@ !@%&#"!&@ &,&' @(&!@!'>%)%@&@&%)@"%!'@%''(%@;