Distributed energy resources management with cyber-physical SCADA in the context of future smart grids

In the energy management of a small power system, the scheduling of the generation units is a crucial problem for which adequate methodologies can maximize the performance of the energy supply. This paper proposes an innovative methodology for distributed energy resources management. The optimal operation of distributed generation, demand response and storage resources is formulated as a mixed-integer linear programming model (MILP) and solved by a deterministic optimization technique CPLEX-based implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). The paper deals with a vision for the grids of the future, focusing on conceptual and operational aspects of electrical grids characterized by an intensive penetration of DG, in the scope of competitive environments and using artificial intelligence methodologies to attain the envisaged goals. These concepts are implemented in a computational framework which includes both grid and market simulation.

Solving MPCC problem with the hyperbolic penalty function

The main goal of this work is to solve mathematical program with complementarity constraints (MPCC) using nonlinear programming techniques (NLP). An hyperbolic penalty function is used to solve MPCC problems by including the complementarity constraints in the penalty term. This penalty function [1] is twice continuously differentiable and combines features of both exterior and interior penalty methods. A set of AMPL problems from MacMPEC [2] are tested and a comparative study is performed.

Inexact restoration approaches to solve mathematical program with complementarity constraints

Mathematical Program with Complementarity Constraints (MPCC) finds applica- tion in many fields. As the complementarity constraints fail the standard Linear In- dependence Constraint Qualification (LICQ) or the Mangasarian-Fromovitz constraint qualification (MFCQ), at any feasible point, the nonlinear programming theory may not be directly applied to MPCC. However, the MPCC can be reformulated as NLP problem and solved by nonlinear programming techniques. One of them, the Inexact Restoration (IR) approach, performs two independent phases in each iteration - the feasibility and the optimality phases. This work presents two versions of an IR algorithm to solve MPCC. In the feasibility phase two strategies were implemented, depending on the constraints features. One gives more importance to the complementarity constraints, while the other considers the priority of equality and inequality constraints neglecting the complementarity ones. The optimality phase uses the same approach for both algorithm versions. The algorithms were implemented in MATLAB and the test problems are from MACMPEC collection.

Modelo de otimização do espaço livre de armazenagem num silo de cereais

Este trabalho baseia-se num caso de estudo real de planeamento de operações de armazenagem num silo rural de cereais, e enquadra-se nos problemas de planeamento e programação de armazéns. Os programadores deparam-se diariamente com o problema de arranjar a melhor solução de transferência entre células de armazenagem, tentando maximizar o número de células vazias, por forma a ter maior capacidade para receber novos lotes, respeitando as restrições de receção e expedição, e as restrições de capacidade das linhas de transporte. Foi desenvolvido um modelo matemático de programação linear inteira mista e uma aplicação em Excel, com recurso ao VBA, para a sua implementação. Esta implementação abrangeu todo o processo relativo à atividade em causa, isto é, vai desde a recolha de dados, seu tratamento e análise, até à solução final de distribuição dos vários produtos pelas várias células. Os resultados obtidos mostram que o modelo otimiza o número de células vazias, tendo em conta os produtos que estão armazenados mais os que estão para ser rececionados e expedidos, em tempo computacional inferior a 60 segundos, constituindo, assim, uma importante mais valia para a empresa em causa.

Classification of some penalty methods

Optimization problems arise in science, engineering, economy, etc. and we need to find the best solutions for each reality. The methods used to solve these problems depend on several factors, including the amount and type of accessible information, the available algorithms for solving them, and, obviously, the intrinsic characteristics of the problem. There are many kinds of optimization problems and, consequently, many kinds of methods to solve them. When the involved functions are nonlinear and their derivatives are not known or are very difficult to calculate, these methods are more rare. These kinds of functions are frequently called black box functions. To solve such problems without constraints (unconstrained optimization), we can use direct search methods. These methods do not require any derivatives or approximations of them. But when the problem has constraints (nonlinear programming problems) and, additionally, the constraint functions are black box functions, it is much more difficult to find the most appropriate method. Penalty methods can then be used. They transform the original problem into a sequence of other problems, derived from the initial, all without constraints. Then this sequence of problems (without constraints) can be solved using the methods available for unconstrained optimization. In this chapter, we present a classification of some of the existing penalty methods and describe some of their assumptions and limitations. These methods allow the solving of optimization problems with continuous, discrete, and mixing constraints, without requiring continuity, differentiability, or convexity. Thus, penalty methods can be used as the first step in the resolution of constrained problems, by means of methods that typically are used by unconstrained problems. We also discuss a new class of penalty methods for nonlinear optimization, which adjust the penalty parameter dynamically.

Filters method in direct search optimization, new measures to admissibility

Constrained nonlinear optimization problems are usually solved using penalty or barrier methods combined with unconstrained optimization methods. Another alternative used to solve constrained nonlinear optimization problems is the lters method. Filters method, introduced by Fletcher and Ley er in 2002, have been widely used in several areas of constrained nonlinear optimization. These methods treat optimization problem as bi-objective attempts to minimize the objective function and a continuous function that aggregates the constraint violation functions. Audet and Dennis have presented the rst lters method for derivative-free nonlinear programming, based on pattern search methods. Motivated by this work we have de- veloped a new direct search method, based on simplex methods, for general constrained optimization, that combines the features of the simplex method and lters method. This work presents a new variant of these methods which combines the lters method with other direct search methods and are proposed some alternatives to aggregate the constraint violation functions.

Direct-search penalty/barrier methods

In Nonlinear Optimization Penalty and Barrier Methods are normally used to solve Constrained Problems. There are several Penalty/Barrier Methods and they are used in several areas from Engineering to Economy, through Biology, Chemistry, Physics among others. In these areas it often appears Optimization Problems in which the involved functions (objective and constraints) are non-smooth and/or their derivatives are not know. In this work some Penalty/Barrier functions are tested and compared, using in the internal process, Derivative-free, namely Direct Search, methods. This work is a part of a bigger project involving the development of an Application Programming Interface, that implements several Optimization Methods, to be used in applications that need to solve constrained and/or unconstrained Nonlinear Optimization Problems. Besides the use of it in applied mathematics research it is also to be used in engineering software packages.

Escalonamento de geradores térmicos com integração de produção eólica: uma abordagem baseada em programação inteira mista

A alta e crescente participação da energia eólica na matriz da produção traz grandes desafios aos operadores do sistema na gestão da rede e planeamento da produção. A incerteza associada à produção eólica condiciona os processos de escalonamento e despacho económico dos geradores térmicos, uma vez que a produção eólica efetiva pode ser muito diferente da produção prevista. O presente trabalho propõe duas metodologias de otimização do escalonamento de geradores térmicos baseadas em Programação Inteira Mista. Pretende-se encontrar soluções de escalonamento que minimizem as influências negativas da integração de energia eólica no sistema elétrico. Inicialmente o problema de escalonamento de geradores é formulado sem considerar a integração da energia eólica. Posteriormente foi considerada a penetração da energia eólica no sistema elétrico. No primeiro modelo proposto, o problema é formulado como um problema de otimização estocástico. Nesta formulação todos os cenários de produção eólica são levados em consideração no processo de otimização. No segundo modelo, o problema é formulado como um problema de otimização determinística. Nesta formulação, o escalonamento é feito para cada cenário de produção eólica e no fim determina-se a melhor solução por meio de indicadores de avaliação. Foram feitas simulações para diferentes níveis de reserva girante e os resultados obtidos mostraram que a alta participação da energia eólica na matriz da produção põe em causa a segurança e garantia de produção devido às características volátil e intermitente da produção eólica e para manter os mesmos níveis de segurança é preciso dispor no sistema de capacidade reserva girante suficiente capaz de compensar os erros de previsão.

Problema de atribuição de vigilâncias de exames a docentes

O presente trabalho foi realizado com o intuito de resolver o problema de alocação de vigilantes a exames do Instituto Superior de Engenharia do Porto, no departamento de Engenharia Mecânica. O modelo apresentado faz a atribuição das vigilâncias de uma forma hierárquica, utilizando vários critérios, desde a regência da unidade curricular até à simples vigilância. Devido ao facto de estar implementado informaticamente, apresenta reduzidos tempos na formulação e obtenção de uma solução, o que o torna uma boa ferramenta para a criação de cenários alternativos. Em suma, o modelo proposto neste trabalho apresenta soluções de melhor qualidade, em que a distribuição de afetações é proporcional entre os docentes, e o seu tempo de obtenção é muito reduzido em comparação com a alternativa atual.

Evaluation of the Electric Vehicle Impact in the Power Demand Curve in a Smart Grid Environment

Smart grids with an intensive penetration of distributed energy resources will play an important role in future power system scenarios. The intermittent nature of renewable energy sources brings new challenges, requiring an efficient management of those sources. Additional storage resources can be beneficially used to address this problem; the massive use of electric vehicles, particularly of vehicle-to-grid (usually referred as gridable vehicles or V2G), becomes a very relevant issue. This paper addresses the impact of Electric Vehicles (EVs) in system operation costs and in power demand curve for a distribution network with large penetration of Distributed Generation (DG) units. An efficient management methodology for EVs charging and discharging is proposed, considering a multi-objective optimization problem. The main goals of the proposed methodology are: to minimize the system operation costs and to minimize the difference between the minimum and maximum system demand (leveling the power demand curve). The proposed methodology perform the day-ahead scheduling of distributed energy resources in a distribution network with high penetration of DG and a large number of electric vehicles. It is used a 32-bus distribution network in the case study section considering different scenarios of EVs penetration to analyze their impact in the network and in the other energy resources management.

Scheduling aircraft’s engines repair process: a mathematical model

In this talk, we discuss a scheduling problem that originated at TAP - Maintenance & Engineering - the maintenance, repair and overhaul organization of Portugal’s leading airline. In the repair process of aircrafts’ engines, the operations to be scheduled may be executed on a certain workstation by any processor of a given set, and the objective is to minimize the total weighted tardiness. A mixed integer linear programming formulation, based on the flexible job shop scheduling, is presented here, along with computational experiment on a real instance, provided by TAP-ME, from a regular working week. The model was also tested using benchmarking instances available in literature.

Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

A filter algorithm: comparison with NLP solvers

The purpose of this work is to present an algorithm to solve nonlinear constrained optimization problems, using the filter method with the inexact restoration (IR) approach. In the IR approach two independent phases are performed in each iteration—the feasibility and the optimality phases. The first one directs the iterative process into the feasible region, i.e. finds one point with less constraints violation. The optimality phase starts from this point and its goal is to optimize the objective function into the satisfied constraints space. To evaluate the solution approximations in each iteration a scheme based on the filter method is used in both phases of the algorithm. This method replaces the merit functions that are based on penalty schemes, avoiding the related difficulties such as the penalty parameter estimation and the non-differentiability of some of them. The filter method is implemented in the context of the line search globalization technique. A set of more than two hundred AMPL test problems is solved. The algorithm developed is compared with LOQO and NPSOL software packages.

Localização Ótima de Aparelhos de Corte Normalmente Abertos e Normalmente Fechados em Redes de Distribuição

Tipicamente as redes elétricas de distribuição apresentam uma topologia parcialmente malhada e são exploradas radialmente. A topologia radial é obtida através da abertura das malhas nos locais que otimizam o ponto de operação da rede, através da instalação de aparelhos de corte que operam normalmente abertos. Para além de manterem a topologia radial, estes equipamentos possibilitam também a transferência de cargas entre saídas, aquando da ocorrência de defeitos. As saídas radiais são ainda dotadas de aparelhos de corte que operam normalmente fechados, estes têm como objetivo maximizar a fiabilidade e isolar defeitos, minimizando a área afetada pelos mesmos. Assim, na presente dissertação são desenvolvidos dois algoritmos determinísticos para a localização ótima de aparelhos de corte normalmente abertos e fechados, minimizando a potência ativa de perdas e o custo da energia não distribuída. O algoritmo de localização de aparelhos de corte normalmente abertos visa encontrar a topologia radial ótima que minimiza a potência ativa de perdas. O método é desenvolvido em ambiente Matlab – Tomlab, e é formulado como um problema de programação quadrática inteira mista. A topologia radial ótima é garantida através do cálculo de um trânsito de potências ótimo baseado no modelo DC. A função objetivo é dada pelas perdas por efeito de Joule. Por outro lado o problema é restringido pela primeira lei de Kirchhoff, limites de geração das subestações, limites térmicos dos condutores, trânsito de potência unidirecional e pela condição de radialidade. Os aparelhos de corte normalmente fechados são localizados ao longo das saídas radiais obtidas pelo anterior algoritmo, e permite minimizar o custo da energia não distribuída. No limite é possível localizar um aparelho de corte normalmente fechado em todas as linhas de uma rede de distribuição, sendo esta a solução que minimiza a energia não distribuída. No entanto, tendo em conta que a cada aparelho de corte está associado um investimento, é fundamental encontrar um equilíbrio entre a melhoria de fiabilidade e o investimento. Desta forma, o algoritmo desenvolvido avalia os benefícios obtidos com a instalação de aparelhos de corte normalmente fechados, e retorna o número e a localização dos mesmo que minimiza o custo da energia não distribuída. Os métodos apresentados são testados em duas redes de distribuição reais, exploradas com um nível de tensão de 15 kV e 30 kV, respetivamente. A primeira rede é localizada no distrito do Porto e é caraterizada por uma topologia mista e urbana. A segunda rede é localizada no distrito de Bragança e é caracterizada por uma topologia maioritariamente aérea e rural.

Mixed integer non linear programming and artificial neural network based approach to ancillary services dispatch in competitive electricity markets

Ancillary services represent a good business opportunity that must be considered by market players. This paper presents a new methodology for ancillary services market dispatch. The method considers the bids submitted to the market and includes a market clearing mechanism based on deterministic optimization. An Artificial Neural Network is used for day-ahead prediction of Regulation Down, regulation-up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve requirements. Two test cases based on California Independent System Operator data concerning dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve services are included in this paper to illustrate the application of the proposed method: (1) dispatch considering simple bids; (2) dispatch considering complex bids.