Modified particle swarm optimization for day-ahead distributed energy resources scheduling including vehicle-to-grid

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

An integer programming framework for sequencing cutting patterns based on interval graph completion

We derived a framework in integer programming, based on the properties of a linear ordering of the vertices in interval graphs, that acts as an edge completion model for obtaining interval graphs. This model can be applied to problems of sequencing cutting patterns, namely the minimization of open stacks problem (MOSP). By making small modifications in the objective function and using only some of the inequalities, the MOSP model is applied to another pattern sequencing problem that aims to minimize, not only the number of stacks, but also the order spread (the minimization of the stack occupation problem), and the model is tested.

Application-Specific Modified Particle Swarm Optimization for energy resource scheduling considering vehicle-to-grid

This paper presents a modified Particle Swarm Optimization (PSO) methodology to solve the problem of energy resources management with high penetration of distributed generation and Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G). The objective of the day-ahead scheduling problem in this work is to minimize operation costs, namely energy costs, regarding the management of these resources in the smart grid context. The modifications applied to the PSO aimed to improve its adequacy to solve the mentioned problem. The proposed Application Specific Modified Particle Swarm Optimization (ASMPSO) includes an intelligent mechanism to adjust velocity limits during the search process, as well as self-parameterization of PSO parameters making it more user-independent. It presents better robustness and convergence characteristics compared with the tested PSO variants as well as better constraint handling. This enables its use for addressing real world large-scale problems in much shorter times than the deterministic methods, providing system operators with adequate decision support and achieving efficient resource scheduling, even when a significant number of alternative scenarios should be considered. The paper includes two realistic case studies with different penetration of gridable vehicles (1000 and 2000). The proposed methodology is about 2600 times faster than Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) reference technique, reducing the time required from 25 h to 36 s for the scenario with 2000 vehicles, with about one percent of difference in the objective function cost value.

A New Heuristic Providing an Effective Initial Solution for a Simulated Annealing approach to Energy Resource Scheduling in Smart Grids

An intensive use of dispersed energy resources is expected for future power systems, including distributed generation, especially based on renewable sources, and electric vehicles. The system operation methods and tool must be adapted to the increased complexity, especially the optimal resource scheduling problem. Therefore, the use of metaheuristics is required to obtain good solutions in a reasonable amount of time. This paper proposes two new heuristics, called naive electric vehicles charge and discharge allocation and generation tournament based on cost, developed to obtain an initial solution to be used in the energy resource scheduling methodology based on simulated annealing previously developed by the authors. The case study considers two scenarios with 1000 and 2000 electric vehicles connected in a distribution network. The proposed heuristics are compared with a deterministic approach and presenting a very small error concerning the objective function with a low execution time for the scenario with 2000 vehicles.

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Government preference, environmental taxes and privatization

We analyse the relationship between the privatization of a public firm and government preferences for environmental tax revenue. The model that we consider is more general than the one consider in Wang and Wang (2009), in the sense that we put a larger weight in the environment tax revenue than on the other terms of the government's objective function. The model has two stages. In the first stage, the government sets the environmental tax. Then, the firms engage in a Cournot competition, choosing output and pollution abatement levels.

Quality-of-service aware routing for static and mobile IPv6-based low-power and lossy sensor networks using RPL

The Internet of Things (IoT) has emerged as a paradigm over the last few years as a result of the tight integration of the computing and the physical world. The requirement of remote sensing makes low-power wireless sensor networks one of the key enabling technologies of IoT. These networks encompass several challenges, especially in communication and networking, due to their inherent constraints of low-power features, deployment in harsh and lossy environments, and limited computing and storage resources. The IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL) [1] was proposed by the IETF ROLL (Routing Over Low-power Lossy links) working group and is currently adopted as an IETF standard in the RFC 6550 since March 2012. Although RPL greatly satisfied the requirements of low-power and lossy sensor networks, several issues remain open for improvement and specification, in particular with respect to Quality of Service (QoS) guarantees and support for mobility. In this paper, we focus mainly on the RPL routing protocol. We propose some enhancements to the standard specification in order to provide QoS guarantees for static as well as mobile LLNs. For this purpose, we propose OF-FL (Objective Function based on Fuzzy Logic), a new objective function that overcomes the limitations of the standardized objective functions that were designed for RPL by considering important link and node metrics, namely end-to-end delay, number of hops, ETX (Expected transmission count) and LQL (Link Quality Level). In addition, we present the design of Co-RPL, an extension to RPL based on the corona mechanism that supports mobility in order to overcome the problem of slow reactivity to frequent topology changes and thus providing a better quality of service mainly in dynamic networks application. Performance evaluation results show that both OF-FL and Co-RPL allow a great improvement when compared to the standard specification, mainly in terms of packet loss ratio and average network latency. 2015 Elsevier B.V. Al

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.

Efeito de um programa de exercícios segundo Pilates em indivíduos com asma controlada – controlo motor vs. função ventilatória

Introdução: Embora existam estratégias para coordenar as funções postural e ventilatória numa situação normal, isto pode não ser verdade quando a necessidade para uma das funções está aumentada, como por exemplo em patologia respiratória (asma) ou no exercício físico, em que subsistem maiores necessidades ventilatórias. O método Pilates, que foca a relação entre o corpo e a disciplina mental, visa prosperar a saúde e o bem-estar pelo enfatizar da boa postura, do alinhamento corporal e da coordenação da ventilação com o movimento. Objectivo: Comparar características de controlo motor e parâmetros ventilatórios em asmáticos controlados e indivíduos sem patologia, e verificar o efeito de um programa de exercícios segundo Pilates nesses outcomes em indivíduos com asma controlada. Métodos: Estudo quasi-experimental, com uma amostra constituída por 21 estudantes voluntários, 7 pertencentes ao “grupo sem patologia”, 7 ao “grupo controlo asmático” e 7 ao “grupo experimental asmático”. Para avaliação do timing de ativação e do padrão de recrutamento muscular no movimento rápido do membro superior foi utilizada eletromiografia de superfície do Diafragma, Eretor da Coluna, Multífidos, Oblíquo Externo, Reto Anterior e Transverso Abdominal/Oblíquo Interno. Foram também avaliados parâmetros de função ventilatória: a percentagem de volume expiratório forçado no primeiro segundo do previsto, o débito expiratório máximo instantâneo, a ventilação máxima voluntária, a pressão inspiratória máxima e a pressão expiratória máxima. As avaliações decorreram antes e após 8 semanas da aplicação de um programa de exercícios segundo Pilates no grupo experimental asmático, com exceção do grupo sem patologia que realizou apenas o primeiro momento de avaliação. Resultados: O grupo controlo asmático apresentou um timing de ativação significativamente maior do Transverso Abdominal/Oblíquo Interno e do Diafragma, em relação ao grupo sem patologia. Nos parâmetros ventilatórios, o grupo controlo asmático apresentou menores valores de percentagem de volume expiratório no primeiro segundo do previsto, de débito expiratório máximo instantâneo e de pressão expiratória máxima. Após a realização do programa de exercícios segundo Pilates verificaram-se alterações significativas no timing de activação do Eretor da Coluna, do Multífidos, do Transverso/Oblíquo Interno e do Diafragma, tendo ambos diminuído no grupo experimental asmático. Ainda, o grupo experimental asmático, em relação aos parâmetros ventilatórios, apresentou diferenças significativas no débito expiratório máximo instantâneo, na ventilação máxima voluntária e na pressão expiratória máxima, tendo ambos aumentado estes valores. Conclusão: Os asmáticos controlados parecem possuir características de controlo motor, especificamente no timing de ativação, e valores de parâmetros ventilatórios diferentes em comparação aos indivíduos sem patologia. O programa de exercícios segundo Pilates, implementado no grupo experimental asmático, parece ter influenciado positivamente esses outcomes.

Diferença entre os géneros na análise cinemática e eletromiográfica do membro superior durante uma atividade diária de beber

As diferenças entre os géneros parecem surgir desde a origem da humanidade, quando a função do homem era caçar e da mulher fornecer cuidados às crianças e realizar trabalhos de cariz manual. O membro superior apresenta um papel primordial na execução da maioria das atividades relevantes para o ser humano, sendo pertinente a realização de avaliações mais objetivas do mesmo. Com a realização deste estudo pretendemos verificar se existem diferenças entre os géneros nos parâmetros eletromiográficos e cinemáticos do movimento durante uma atividade diária; perceber se os valores da eletromiografia e da cinemática do membro superior são dependentes do género à medida que a distância do objeto é alterada e ainda, levar a cabo a análise da atividade de beber. Para tal foram avaliados parâmetros de qualidade de movimento e parâmetros de recrutamento muscular em 15 indivíduos do género feminino e 15 indivíduos do género masculino com idades compreendidas entre os 18 e os 30 anos numa atividade de beber em três momentos diferentes. Para a análise cinemática foi utilizado o software Qualysis Motion Capture e para a análise eletromiográfica o software AcqKnowledge Analysis. Com os resultados obtidos constatamos que a percentagem de ativação muscular e os ângulos de flexão do ombro e flexão do cotovelo apresentam diferenças estatisticamente significativas (p<0.05) entre os géneros, sendo o grupo feminino a apresentar valores superiores. Aferiu-se também que a percentagem de ativação do músculo Deltoide Anterior parece ser influenciado pelo género (p<0.05) ao longo das três distâncias em estudo, sendo novamente o grupo feminino a apresentar valores superiores. Para além disto, aquando do movimento de alcançar, verificaram-se evidências estatísticas (p<0.05) do envolvimento do tronco em todas as distâncias de alcance do objeto, inclusive numa distância inferior ao comprimento do braço. Este estudo permitiu a descrição detalhada da eletromiografia e cinemática do movimento do membro superior de alcançar e transportar numa atividade diária, bem como uma comparação da mesma entre o grupo masculino e grupo feminino.

Penalty fuzzy function for derivative-free optimization

Penalty and Barrier methods are normally used to solve Nonlinear Optimization Problems constrained problems. The problems appear in areas such as engineering and are often characterised by the fact that involved functions (objective and constraints) are non-smooth and/or their derivatives are not know. This means that optimization methods based on derivatives cannot net used. A Java based API was implemented, including only derivative-free optimizationmethods, to solve both constrained and unconstrained problems, which includes Penalty and Barriers methods. In this work a new penalty function, based on Fuzzy Logic, is presented. This function imposes a progressive penalization to solutions that violate the constraints. This means that the function imposes a low penalization when the violation of the constraints is low and a heavy penalisation when the violation is high. The value of the penalization is not known in beforehand, it is the outcome of a fuzzy inference engine. Numerical results comparing the proposed function with two of the classic penalty/barrier functions are presented. Regarding the presented results one can conclude that the prosed penalty function besides being very robust also exhibits a very good performance.

Single-objective spreading algorithm

This paper addresses the problem of finding several different solutions with the same optimum performance in single objective real-world engineering problems. In this paper a parallel robot design is proposed. Thereby, this paper presents a genetic algorithm to optimize uni-objective problems with an infinite number of optimal solutions. The algorithm uses the maximin concept and ε-dominance to promote diversity over the admissible space. The performance of the proposed algorithm is analyzed with three well-known test functions and a function obtained from practical real-world engineering optimization problems. A spreading analysis is performed showing that the solutions drawn by the algorithm are well dispersed.

The development of the N1 and N2 components in auditory oddball paradigms: a systematic review with narrative analysis and suggested normative values

Auditory event-related potentials (AERPs) are widely used in diverse fields of today’s neuroscience, concerning auditory processing, speech perception, language acquisition, neurodevelopment, attention and cognition in normal aging, gender, developmental, neurologic and psychiatric disorders. However, its transposition to clinical practice has remained minimal. Mainly due to scarce literature on normative data across age, wide spectrumof results, variety of auditory stimuli used and to different neuropsychological meanings of AERPs components between authors. One of the most prominent AERP components studied in last decades was N1, which reflects auditory detection and discrimination. Subsequently, N2 indicates attention allocation and phonological analysis. The simultaneous analysis of N1 and N2 elicited by feasible novelty experimental paradigms, such as auditory oddball, seems an objective method to assess central auditory processing. The aim of this systematic review was to bring forward normative values for auditory oddball N1 and N2 components across age. EBSCO, PubMed, Web of Knowledge and Google Scholarwere systematically searched for studies that elicited N1 and/or N2 by auditory oddball paradigm. A total of 2,764 papers were initially identified in the database, of which 19 resulted from hand search and additional references, between 1988 and 2013, last 25 years. A final total of 68 studiesmet the eligibility criteria with a total of 2,406 participants from control groups for N1 (age range 6.6–85 years; mean 34.42) and 1,507 for N2 (age range 9–85 years; mean 36.13). Polynomial regression analysis revealed thatN1latency decreases with aging at Fz and Cz,N1 amplitude at Cz decreases from childhood to adolescence and stabilizes after 30–40 years and at Fz the decrement finishes by 60 years and highly increases after this age. Regarding N2, latency did not covary with age but amplitude showed a significant decrement for both Cz and Fz. Results suggested reliable normative values for Cz and Fz electrode locations; however, changes in brain development and components topography over age should be considered in clinical practice.

Simulação da Central de Cogeração da Refinaria de Matosinhos (Petrogal)

Mestrado em Engenharia Química – Ramo Optimização Energética na Indústria Química