Previsão de vento baseado em técnicas de Data Mining

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Software de apoio à implementação de sistemas híbridos de produção de energia eléctrica baseados em energias renováveis

O aumento da população Mundial, particularmente em Países emergentes como é o caso da China e da Índia, tem-se relevado um problema adicional no que confere às dificuldades associadas ao consumo mundial de energia, pois esta situação limita inequivocamente o acesso destes milhões de pessoas à energia eléctrica para os bens básicos de sobrevivência. Uma das muitas formas de se extinguir esta necessidade, começa a ser desenvolvida recorrendo ao uso de recursos renováveis como fontes de energia. Independentemente do local do mundo onde nos encontremos, essas fontes de energia são abundantes, inesgotáveis e gratuitas. O problema reside na forma como esses recursos renováveis são geridos em função das solicitações de carga que as instalações necessitam. Sistemas híbridos podem ser usados para produzir energia em qualquer parte do mundo. Historicamente este tipo de sistemas eram aplicados em locais isolados, mas nos dias que correm podem ser usados directamente conectados à rede, permitindo que se realize a venda de energia. Foi neste contexto que esta tese foi desenvolvida, com o objectivo de disponibilizar uma ferramenta informática capaz de calcular a rentabilidade de um sistema híbrido ligado à rede ou isolado. Contudo, a complexidade deste problema é muito elevada, pois existe uma extensa panóplia de características e distintos equipamentos que se pode adoptar. Assim, a aplicação informática desenvolvida teve de ser limitada e restringida aos dados disponíveis de forma a poder tornar-se genérica, mas ao mesmo tempo permitir ter uma aplicabilidade prática. O objectivo da ferramenta informática desenvolvida é apresentar de forma imediata os custos da implementação que um sistema híbrido pode acarretar, dependendo apenas de três variáveis distintas. A primeira variável terá de ter em consideração o local de instalação do sistema. Em segundo lugar é o tipo de ligação (isolado ou ligado à rede) e, por fim, o custo dos equipamentos (eólico, solar e restantes componentes) que serão introduzidos. Após a inserção destes dados a aplicação informática apresenta valores estimados de Payback e VAL.

Resolução do problema do escalonamento da produção de energia eléctrica usando programação lógica por restrições

A operação dos Mercados de Energia Eléctrica passa, actualmente, por uma profunda reestruturação, com o principal foco nas transacções do sistema de transmissão entre os diferentes agentes. Tendo isso em conta, o serviço de transmissão neste novo esquema de funcionamento do Mercado de Energia Eléctrica deve ser provido de máxima eficiência económica, atendendo sempre às restrições de segurança do sistema. Com esta reorganização do sector eléctrico da última década surgiu também a necessidade de rever os modelos tradicionais de optimização económica do Sistema Eléctrico de Energia, como por exemplo o despacho e prédespacho (unit commitment). A reestruturação e liberalização dos mercados de energia eléctrica trouxeram novas restrições a alguns dos problemas tradicionais associados aos Sistemas Eléctricos de Energia. Um desses problemas é o Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica, que no contexto actual, implica quase sempre negociação entre os diferentes agentes do mercado e consequentemente reescalonamento. A maioria dos métodos usados para a resolução do problema não permitem reformular o prédespacho, algo para que a Programação Lógica por Restrições é extremamente adequada. O trabalho desenvolvido nesta dissertação visa criar uma aplicação computacional com base na Programação Lógica por Restrições, através da plataforma ECLiPSe, para resolver o problema do Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica dos grupos térmicos, demonstrando assim a versatilidade e flexibilidade deste tipo de programação aplicada a problema combinatoriais deste género.

Energy resource management in smart grids considering an Intensive use of electric vehicles

The introduction of electricity markets and integration of Distributed Generation (DG) have been influencing the power system’s structure change. Recently, the smart grid concept has been introduced, to guarantee a more efficient operation of the power system using the advantages of this new paradigm. Basically, a smart grid is a structure that integrates different players, considering constant communication between them to improve power system operation and management. One of the players revealing a big importance in this context is the Virtual Power Player (VPP). In the transportation sector the Electric Vehicle (EV) is arising as an alternative to conventional vehicles propel by fossil fuels. The power system can benefit from this massive introduction of EVs, taking advantage on EVs’ ability to connect to the electric network to charge, and on the future expectation of EVs ability to discharge to the network using the Vehicle-to-Grid (V2G) capacity. This thesis proposes alternative strategies to control these two EV modes with the objective of enhancing the management of the power system. Moreover, power system must ensure the trips of EVs that will be connected to the electric network. The EV user specifies a certain amount of energy that will be necessary to charge, in order to ensure the distance to travel. The introduction of EVs in the power system turns the Energy Resource Management (ERM) under a smart grid environment, into a complex problem that can take several minutes or hours to reach the optimal solution. Adequate optimization techniques are required to accommodate this kind of complexity while solving the ERM problem in a reasonable execution time. This thesis presents a tool that solves the ERM considering the intensive use of EVs in the smart grid context. The objective is to obtain the minimum cost of ERM considering: the operation cost of DG, the cost of the energy acquired to external suppliers, the EV users payments and remuneration and penalty costs. This tool is directed to VPPs that manage specific network areas, where a high penetration level of EVs is expected to be connected in these areas. The ERM is solved using two methodologies: the adaptation of a deterministic technique proposed in a previous work, and the adaptation of the Simulated Annealing (SA) technique. With the purpose of improving the SA performance for this case, three heuristics are additionally proposed, taking advantage on the particularities and specificities of an ERM with these characteristics. A set of case studies are presented in this thesis, considering a 32 bus distribution network and up to 3000 EVs. The first case study solves the scheduling without considering EVs, to be used as a reference case for comparisons with the proposed approaches. The second case study evaluates the complexity of the ERM with the integration of EVs. The third case study evaluates the performance of scheduling with different control modes for EVs. These control modes, combined with the proposed SA approach and with the developed heuristics, aim at improving the quality of the ERM, while reducing drastically its execution time. The proposed control modes are: uncoordinated charging, smart charging and V2G capability. The fourth and final case study presents the ERM approach applied to consecutive days.

Planeamento do consumo de energia eléctrica

O objectivo deste trabalho é optimizar o planeamento de produção tendo como meta a redução do custo total da energia eléctrica consumida. Este trabalho está dividido em 3 etapas distintas: na 1ª etapa foi feito um levantamento do problema, das restrições do mesmo e da escolha do modelo para a sua resolução. Na etapa seguinte, fez-se a escolha da ferramenta a usar, que foi o Xpress, e fez-se a implementação do problema nessa mesma ferramenta. E por fim, na 3ª etapa, foi feita a validação do modelo e análise das soluções obtidas com comparações com que o era feito antes. Recorrendo a programação inteira foi desenvolvido um modelo de optimização para atingir o objectivo em causa e consequentemente foi escrito o código que reflectisse o modelo matemático. Todos os passos necessários à sua implementação foram concluídos e validados com comparação com o que antes se fazia, notando-se assim melhorias ao nível de eficiência energética na ordem dos 8%, mas também uma melhoria no aproveitamento de recursos humanos e tempo que eram despendidos para desenvolver planos de produção de forma manual. Essa melhoria temporal que se compreende entre quatro a seis horas semanais pode ser aplicada noutras actividades da empresa com maior valor acrescentado.

Controlador Boundary-Scan

A crescente complexidade dos sistemas electrónicos associada a um desenvolvimento nas tecnologias de encapsulamento levou à miniaturização dos circuitos integrados, provocando dificuldades e limitações no diagnóstico e detecção de falhas, diminuindo drasticamente a aplicabilidade dos equipamentos ICT. Como forma de lidar com este problema surgiu a infra-estrutura Boundary Scan descrita na norma IEEE1149.1 “Test Access Port and Boundary-Scan Architecture”, aprovada em 1990. Sendo esta solução tecnicamente viável e interessante economicamente para o diagnóstico de defeitos, efectua também outras aplicações. O SVF surgiu do desejo de incutir e fazer com que os fornecedores independentes incluíssem a norma IEEE 1149.1, é desenvolvido num formato ASCII, com o objectivo de enviar sinais, aguardar pela sua resposta, segundo a máscara de dados baseada na norma IEEE1149.1. Actualmente a incorporação do Boundary Scan nos circuitos integrados está em grande expansão e consequentemente usufrui de uma forte implementação no mercado. Neste contexto o objectivo da dissertação é o desenvolvimento de um controlador boundary scan que implemente uma interface com o PC e possibilite o controlo e monitorização da aplicação de teste ao PCB. A arquitectura do controlador desenvolvido contém um módulo de Memória de entrada, um Controlador TAP e uma Memória de saída. A implementação do controlador foi feita através da utilização de uma FPGA, é um dispositivo lógico reconfiguráveis constituído por blocos lógicos e por uma rede de interligações, ambos configuráveis, que permitem ao utilizador implementar as mais variadas funções digitais. A utilização de uma FPGA tem a vantagem de permitir a versatilidade do controlador, facilidade na alteração do seu código e possibilidade de inserir mais controladores dentro da FPGA. Foi desenvolvido o protocolo de comunicação e sincronização entre os vários módulos, permitindo o controlo e monitorização dos estímulos enviados e recebidos ao PCB, executados automaticamente através do software do Controlador TAP e de acordo com a norma IEEE 1149.1. A solução proposta foi validada por simulação utilizando o simulador da Xilinx. Foram analisados todos os sinais que constituem o controlador e verificado o correcto funcionamento de todos os seus módulos. Esta solução executa todas as sequências pretendidas e necessárias (envio de estímulos) à realização dos testes ao PCB. Recebe e armazena os dados obtidos, enviando-os posteriormente para a memória de saída. A execução do trabalho permitiu concluir que os projectos de componentes electrónicos tenderão a ser descritos num nível de abstracção mais elevado, recorrendo cada vez mais ao uso de linguagens de hardware, no qual o VHDL é uma excelente ferramenta de programação. O controlador desenvolvido será uma ferramenta bastante útil e versátil para o teste de PCBs e outras funcionalidades disponibilizadas pelas infra-estruturas BS.

Balanceamento de linhas de produção usando algoritmos genéticos

Aquando da definição de um layout por fluxo de produto, ou linha de produção, é necessário proceder-se à melhor selecção de combinações de tarefas a serem executadas em cada estação / posto de trabalho para que o trabalho seja executado numa sequência exequível e sejam necessárias quantidades de tempo aproximadamente iguais em cada estação / posto de trabalho. Este processo é chamado de balanceamento da linha de produção. Verifica-se que as estações de trabalho e equipamentos podem ser combinados de muitas maneiras diferentes; daí que a necessidade de efectuar o balanceamento das linhas de produção implique a distribuição de actividades sequenciais por postos de trabalho de modo a permitir uma elevada utilização de trabalho e de equipamentos e a minimizar o tempo de vazio. Os problemas de balanceamento de linhas são tipicamente problemas complexos de tratar, devido ao elevado número de combinações possíveis. Entre os métodos utilizados para resolver estes problemas encontram-se métodos de tentativa e erro, métodos heurísticos, métodos computacionais de avaliação de diferentes opções até se encontrar uma boa solução e métodos de optimização. O objectivo deste trabalho passou pelo desenvolvimento de uma ferramenta computacional para efectuar o balanceamento de linhas de produção recorrendo a algoritmos genéticos. Foi desenvolvida uma aplicação que implementa dois algoritmos genéticos, um primeiro que obtém soluções para o problema e um segundo que optimiza essas soluções, associada a uma interface gráfica em C# que permite a inserção do problema e a visualização de resultados. Obtiveram-se resultados exequíveis demonstrando vantagens em relação aos métodos heurísticos, pois é possível obter-se mais do que uma solução. Além disso, para problemas complexos torna-se mais prático o uso da aplicação desenvolvida. No entanto, esta aplicação permite no máximo seis precedências por cada operação e resultados com o máximo de nove estações de trabalho.

Modelo generalista de páginas Web para motores de pesquisa com interface 3D

Web tornou-se uma ferramenta indispensável para a sociedade moderna. A capacidade de aceder a enormes quantidades de informação, disponível em praticamente todo o mundo, é uma grande vantagem para as nossas vidas. No entanto, a quantidade avassaladora de informação disponível torna-se um problema, que é o de encontrar a informação que precisamos no meio de muita informação irrelevante. Para nos ajudar nesta tarefa, foram criados poderosos motores de pesquisa online, que esquadrinham a Web à procura dos melhores resultados, segundo os seus critérios, para os dados que precisamos. Actualmente, os motores de pesquisa em voga, usam um formato de apresentação de resultados simples, que consiste apenas numa caixa de texto para o utilizador inserir as palavras-chave sobre o tema que quer pesquisar e os resultados são dispostos sobre uma lista de hiperligações ordenada pela relevância que o motor atribui a cada resultado. Porém, existem outras formas de apresentar resultados. Uma das alternativas é apresentar os resultados sobre interfaces em 3 dimensões. É nestes tipos de sistemas que este trabalho vai incidir, os motores de pesquisa com interfaces em 3 dimensões. O problema é que as páginas Web não estão preparadas para serem consumidas por este tipo de motores de pesquisa. Para resolver este problema foi construído um modelo generalista para páginas Web, que consegue alimentar os requisitos das diversas variantes destes motores de pesquisa. Foi também desenvolvido um protótipo de instanciação automático, que recolhe as informações necessárias das páginas Web e preenche o modelo.

Modelos e interfaces gráficos para objectos de aprendizagem na área da saúde

A educação é uma área bastante importante no desenvolvimento humano e tem vindo a adaptar-se às novas tecnologias. Tentam-se encontrar novas maneiras de ensinar de modo a obter um rendimento cada vez maior na aprendizagem das pessoas. Com o aparecimento de novas tecnologias como os computadores e a Internet, a concepção de aplicações digitais educativas cresceu e a necessidade de instruir cada vez melhor os alunos leva a que estas aplicações precisem de um interface que consiga leccionar de uma maneira rápida e eficiente. A combinação entre o ensino com o auxílio dessas novas tecnologias e a educação à distância deu origem ao e-Learning (ensino à distância). Através do ensino à distância, as possibilidades de aumento de conhecimento dos alunos aumentaram e a informação necessária tornou-se disponível a qualquer hora em qualquer lugar com acesso à Internet. Mas os cursos criados online tinham custos altos e levavam muito tempo a preparar o que gerou um problema para quem os criava. Para recuperar o investimento realizado decidiu-se dividir os conteúdos em módulos capazes de serem reaproveitados em diferentes contextos e diferentes tipos de utilizadores. Estes conteúdos modulares foram denominados Objectos de Aprendizagem. Nesta tese, é abordado o estudo dos Objectos de Aprendizagem e a sua evolução ao longo dos tempos em termos de interface com o utilizador. A concepção de um interface que seja natural e simples de utilizar nem sempre é fácil e independentemente do contexto em que se insere, requer algum conhecimento de regras que façam com que o utilizador que use determinada aplicação consiga trabalhar com um mínimo de desempenho. Na concepção de Objectos de Aprendizagem, áreas de complexidade elevada como a Medicina levam a que professores ou doutores sintam alguma dificuldade em criar um interface com conteúdos educativos capaz de ensinar com eficiência os alunos, devido ao facto de grande parte deles desconhecerem as técnicas e regras que levam ao desenvolvimento de um interface de uma aplicação. Através do estudo dessas regras e estilos de interacção torna-se mais fácil a criação de um bom interface e ao longo desta tese será estudado e proposto uma ferramenta que ajude tanto na criação de Objectos de Aprendizagem como na concepção do respectivo interface.

Gestão de projectos no âmbito da construção sustentável

A indústria da construção, nomeadamente no sector da edificação, baseia-se essencialmente em métodos de construção tradicional. Esta indústria é caracterizada pelo consumo excessivo de matérias-primas, de recursos energéticos não renováveis e pela elevada produção de resíduos. Esta realidade é de todo incompatível com os desígnios do desenvolvimento sustentável, nos quais se procura a conveniência harmoniosa entre as dimensões ambiental, social e económica. O desafio da sustentabilidade, colocado à actividade da construção, tem motivado abordagens distintas, não só por parte das várias especialidades da engenharia, como também da arquitectura. É nesta perspectiva, que o presente modelo pretende ser um contributo para uma abordagem inovadora, introduzindo linhas de intervenção e de orientação, para apoiar e estimular o desenvolvimento de soluções sustentáveis em edifícios habitacionais, em qualquer fase do ciclo de evolução de um projecto e das várias especialidades do mesmo. Assim, no sentido de optimizar os recursos envolvidos no projecto são expostas estratégias de intervenção, com os seguintes objectivos: optimização do potencial do local, preservação da identidade regional e cultural, minimização do consumo de energia, utilização de materiais e produtos de baixo impacto ambiental, redução do consumo de água, redução da produção de emissões, resíduos e outros poluentes, adequada qualidade do ambiente interior e optimização das fases de operação e manutenção. A ferramenta apresentada surge como um instrumento facilitador para a equipa de projectistas, e que se esta adaptada para o desenvolvimento de projectos de edifícios de habitação, dada a génese dos métodos utilizados. As soluções de sustentabilidade apresentadas neste manual emanam dos sistemas de certificação LíderA, LEED, BREEAM e SBToolpt. O modelo encontra-se estruturado, no que às fases de projecto diz respeito, de acordo com os requisitos expressos na Portaria 701-H/2008 de 29 de Julho, tendo sido igualmente seguido o descrito para os respectivos intervenientes.

Despacho óptimo em sistemas eléctricos de energia isolados

A gestão dos sistemas eléctricos de energia assume um papel fundamental a vários níveis. Desde logo, o bom funcionamento (qualidade e continuidade de serviço) e a segurança da exploração apenas são conseguidos com um bom planeamento. Outro ponto importantíssimo é o aspecto económico. A este nível, os sistemas eléctricos representam um peso importante nas economias nacionais, uma vez que a energia é o motor do desenvolvimento. Nos tempos que correm, o aparecimento de grandes potências tem agitado os mercados energéticos, fazendo com que o preço dos produtos energéticos atinja máximos históricos. No primeiro capítulo deste trabalho, é feita uma introdução onde se apresenta e contextualiza o Despacho Óptimo na gestão global dos sistemas eléctricos de energia e como estes evoluíram nos últimos anos. O problema do Despacho Óptimo e todas as condicionantes/variáveis inerentes à sua resolução são aprofundados no capítulo 2. Primeiramente desprezando as perdas de transmissão das linhas, e depois com a sua contemplação. É, também, apresentado o métodos dos multiplicadores de Lagrange aplicado a este problema. No capítulo 3 é feita uma resenha da evolução dos métodos utilizados para a resolução do Despacho Óptimo, fazendo-se a destrinça entre os métodos clássicos e os mais recentes métodos heurísticos. A evolução que se tem verificado ao longo dos anos nos métodos utilizados, assim como o recurso ao cálculo computacional, devem-se à crescente complexidade dos Sistemas Eléctricos e à necessidade de rapidez e precisão nos resultados. Devido ao facto das centrais de produção de energia eléctrica funcionarem, não só com recurso a matérias-primas mas também através de recursos naturais que não têm um custo de aquisição, mas que não têm uma disponibilidade constante, existe a necessidade de se fazer uma gestão criteriosa na conjugação dos diversos tipos de produção. Como no nosso pais a grande alternativa às centrais térmicas são as hídricas, no capítulo 4 é apresentado o problema da coordenação hidro-térmica. No capítulo 5 é exposta a ferramenta computacional desenvolvida para a resolução do despacho óptimo com e sem perdas, que consiste num programa elaborado com o “software MatLab”. Este trabalho finaliza com um capítulo de conclusões.

Leilão de direitos de transmissão financeiros de energia eléctrica em ambiente de mercado

Os direitos de transmissão (Transmission Rigths – TRs) correspondem, na sua essência, a contratos que conferem aos seus proprietários o direito de transmitir energia eléctrica, por um determinado caminho, a um preço fixo. Na actualidade vive-se uma era de liberalização dos mercados de energia eléctrica nos quais, no caso concreto dos mercados de TRs, os diversos agentes podem ceder os TRs que possuem a outros agentes desde que cumpram certos requisitos impostos pelo sistema na figura do seu operador de sistema (Independent System Operator – ISO). Neste sentido, o ISO oferece, aos diversos agentes do mercado, algumas ferramentas que lhes permite transaccionar, sob sua orientação, os seus respectivos TRs fazendo-se cumprir todos os requisitos indispensáveis para o efeito. A mais popular dessas ferramentas, nos principais mercados energético da actualidade, é o leilão. Com o presente trabalho de dissertação é pretendido apresentar-se um modelo para a resolução do problema inerente a um leilão de TRs em ambiente de mercado, neste caso concreto de direitos de transmissão financeiros de energia eléctrica (Financial Transmission Rigths – FTRs). Neste sentido foi desenvolvido um simulador informático (SIM_AuctFTR) que implementa um modelo para este tipo de problemas. Este trabalho foi estruturado essencialmente em três etapas com objectivos inerentes. Assim, numa primeira fase da realização deste trabalho, foi realizado um estudo de diversos conceitos e metodologias inerentes ao problema de leilão de FTRs em ambiente de mercado, suportado por uma sólida base bibliográfica. A segunda fase tratou-se do desenvolvimento do algoritmo da aplicação computacional que solucione um problema de um leilão de FTRs. O SIM_AuctFTR foi desenvolvido sobre o pressuposto da maximização dos rendimentos financeiros provenientes da atribuição dos FTRs propostos a leilão, tendo estes últimos de coabitar no sistema respeitando as restrições técnicas a que este são inerentes, mesmo na eventualidade da ocorrência de contingências de nível ‘n-1’. Por último, numa terceira fase, partindo da aplicação desenvolvida, foram realizados 4 casos de estudos com outras tantas redes eléctricas de forma a testar a robustez da ferramenta desenvolvida.

Utilização de metodologias multicritério de apoio à decisão como ferramenta de suporte numa empresa de serviços energéticos

Atualmente e devido às conjunturas sócio económicas que as empresas atravessam, é importante maximizar tanto os recursos materiais como humanos. Essa consciência faz com que cada vez mais as empresas tentem que os seus colaboradores possam desempenhar um papel importante no processo de decisão. Cada vez mais a diferença entre o sucesso e o fracasso depende da estratégia que cada empresa opte por envergar. Sendo assim cada atividade desempenhada por um seu colaborador deve estar alinhada com os objetivos estratégicos da empresa. O contexto em que a presente tese se insere tem por base uma pesquisa aos vários métodos multicritério existentes, de forma a que o serviço que seja adjudicado possa ser executado de forma transparente e eficiente, sem nunca descorar a sua otimização. O método de apoio à decisão escolhido foi o Analytic Hierarchy Process (AHP). A necessidade de devolver aos decisores/gestores a melhor solução resultante da aplicação de um método de apoio à decisão numa empresa de serviços energéticos foi a base para a escolha da tese. Dos resultados obtidos conclui-se que a aplicação do método AHP foi adequada, conseguindo responder a todos os objetivos inicialmente propostos. Foi também possível verificar os benefícios que advêm da sua aplicação, que por si só, ajudaram a perceber que é necessário haver uma maior entreajuda e consenso entre as decisões a tomar.