Using data mining techniques to support DR programs definition in smart grids

In recent years, Power Systems (PS) have experimented many changes in their operation. The introduction of new players managing Distributed Generation (DG) units, and the existence of new Demand Response (DR) programs make the control of the system a more complex problem and allow a more flexible management. An intelligent resource management in the context of smart grids is of huge important so that smart grids functions are assured. This paper proposes a new methodology to support system operators and/or Virtual Power Players (VPPs) to determine effective and efficient DR programs that can be put into practice. This method is based on the use of data mining techniques applied to a database which is obtained for a large set of operation scenarios. The paper includes a case study based on 27,000 scenarios considering a diversity of distributed resources in a 32 bus distribution network.

Demand response programs definition supported by clustering and classification techniques

The growing importance and influence of new resources connected to the power systems has caused many changes in their operation. Environmental policies and several well know advantages have been made renewable based energy resources largely disseminated. These resources, including Distributed Generation (DG), are being connected to lower voltage levels where Demand Response (DR) must be considered too. These changes increase the complexity of the system operation due to both new operational constraints and amounts of data to be processed. Virtual Power Players (VPP) are entities able to manage these resources. Addressing these issues, this paper proposes a methodology to support VPP actions when these act as a Curtailment Service Provider (CSP) that provides DR capacity to a DR program declared by the Independent System Operator (ISO) or by the VPP itself. The amount of DR capacity that the CSP can assure is determined using data mining techniques applied to a database which is obtained for a large set of operation scenarios. The paper includes a case study based on 27,000 scenarios considering a diversity of distributed resources in a 33 bus distribution network.

A new MILP based approach for unit commitment in power production planning

This paper presents a complete, quadratic programming formulation of the standard thermal unit commitment problem in power generation planning, together with a novel iterative optimisation algorithm for its solution. The algorithm, based on a mixed-integer formulation of the problem, considers piecewise linear approximations of the quadratic fuel cost function that are dynamically updated in an iterative way, converging to the optimum; this avoids the requirement of resorting to quadratic programming, making the solution process much quicker. From extensive computational tests on a broad set of benchmark instances of this problem, the algorithm was found to be flexible and capable of easily incorporating different problem constraints. Indeed, it is able to tackle ramp constraints, which although very important in practice were rarely considered in previous publications. Most importantly, optimal solutions were obtained for several well-known benchmark instances, including instances of practical relevance, that are not yet known to have been solved to optimality. Computational experiments and their results showed that the method proposed is both simple and extremely effective.

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.

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.

Multi-criteria optimisation approach to increase the delivered power in radial distribution networks

This study proposes a new methodology to increase the power delivered to any load point in a radial distribution network, through the identification of new investments in order to improve the repair time. This research work is innovative and consists in proposing a full optimisation model based on mixed-integer non-linear programming considering the Pareto front technique. The goal is to achieve a reduction in repair times of the distribution networks components, while minimising the costs of that reduction as well as non-supplied energy costs. The optimisation model considers the distribution network technical constraints, the substation transformer taps, and it is able to choose the capacitor banks size. A case study based on a 33-bus distribution network is presented in order to illustrate in detail the application of the proposed methodology.

A Multiple Criteria Utility-based Approa h for the Unit Commitment with Wind Power and Pumped Storage Hydro

The integration of wind power in eletricity generation brings new challenges to unit commitment due to the random nature of wind speed. For this particular optimisation problem, wind uncertainty has been handled in practice by means of conservative stochastic scenario-based optimisation models, or through additional operating reserve settings. However, generation companies may have different attitudes towards operating costs, load curtailment, or waste of wind energy, when considering the risk caused by wind power variability. Therefore, alternative and possibly more adequate approaches should be explored. This work is divided in two main parts. Firstly we survey the main formulations presented in the literature for the integration of wind power in the unit commitment problem (UCP) and present an alternative model for the wind-thermal unit commitment. We make use of the utility theory concepts to develop a multi-criteria stochastic model. The objectives considered are the minimisation of costs, load curtailment and waste of wind energy. Those are represented by individual utility functions and aggregated in a single additive utility function. This last function is adequately linearised leading to a mixed-integer linear program (MILP) model that can be tackled by general-purpose solvers in order to find the most preferred solution. In the second part we discuss the integration of pumped-storage hydro (PSH) units in the UCP with large wind penetration. Those units can provide extra flexibility by using wind energy to pump and store water in the form of potential energy that can be generated after during peak load periods. PSH units are added to the first model, yielding a MILP model with wind-hydro-thermal coordination. Results showed that the proposed methodology is able to reflect the risk profiles of decision makers for both models. By including PSH units, the results are significantly improved.

Esclonamento de máquinas de cogeração utilzando programação inteira mista

As centrais termoelétricas convencionais convertem apenas parte do combustível consumido na produção de energia elétrica, sendo que outra parte resulta em perdas sob a forma de calor. Neste sentido, surgiram as unidades de cogeração, ou Combined Heat and Power (CHP), que permitem reaproveitar a energia dissipada sob a forma de energia térmica e disponibilizá-la, em conjunto com a energia elétrica gerada, para consumo doméstico ou industrial, tornando-as mais eficientes que as unidades convencionais Os custos de produção de energia elétrica e de calor das unidades CHP são representados por uma função não-linear e apresentam uma região de operação admissível que pode ser convexa ou não-convexa, dependendo das caraterísticas de cada unidade. Por estas razões, a modelação de unidades CHP no âmbito do escalonamento de geradores elétricos (na literatura inglesa Unit Commitment Problem (UCP)) tem especial relevância para as empresas que possuem, também, este tipo de unidades. Estas empresas têm como objetivo definir, entre as unidades CHP e as unidades que apenas geram energia elétrica ou calor, quais devem ser ligadas e os respetivos níveis de produção para satisfazer a procura de energia elétrica e de calor a um custo mínimo. Neste documento são propostos dois modelos de programação inteira mista para o UCP com inclusão de unidades de cogeração: um modelo não-linear que inclui a função real de custo de produção das unidades CHP e um modelo que propõe uma linearização da referida função baseada na combinação convexa de um número pré-definido de pontos extremos. Em ambos os modelos a região de operação admissível não-convexa é modelada através da divisão desta àrea em duas àreas convexas distintas. Testes computacionais efetuados com ambos os modelos para várias instâncias permitiram verificar a eficiência do modelo linear proposto. Este modelo permitiu obter as soluções ótimas do modelo não-linear com tempos computationais significativamente menores. Para além disso, ambos os modelos foram testados com e sem a inclusão de restrições de tomada e deslastre de carga, permitindo concluir que este tipo de restrições aumenta a complexidade do problema sendo que o tempo computacional exigido para a resolução do mesmo cresce significativamente.

Intelligent energy resource management considering vehicle-to-grid: A simulated annealing approach

This paper proposes a simulated annealing (SA) approach to address energy resources management from the point of view of a virtual power player (VPP) operating in a smart grid. Distributed generation, demand response, and gridable vehicles are intelligently managed on a multiperiod basis according to V2G user´s profiles and requirements. Apart from using the aggregated resources, the VPP can also purchase additional energy from a set of external suppliers. The paper includes a case study for a 33 bus distribution network with 66 generators, 32 loads, and 1000 gridable vehicles. The results of the SA approach are compared with a methodology based on mixed-integer nonlinear programming. A variation of this method, using ac load flow, is also used and the results are compared with the SA solution using network simulation. The proposed SA approach proved to be able to obtain good solutions in low execution times, providing VPPs with suitable decision support for the management of a large number of distributed resources.

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.

Stochastic short-term maintenance scheduling of GENCOs in an oligopolistic electricity market

In the proposed model, the independent system operator (ISO) provides the opportunity for maintenance outage rescheduling of generating units before each short-term (ST) time interval. Long-term (LT) scheduling for 1 or 2 years in advance is essential for the ISO and the generation companies (GENCOs) to decide their LT strategies; however, it is not possible to be exactly followed and requires slight adjustments. The Cournot-Nash equilibrium is used to characterize the decision-making procedure of an individual GENCO for ST intervals considering the effective coordination with LT plans. Random inputs, such as parameters of the demand function of loads, hourly demand during the following ST time interval and the expected generation pattern of the rivals, are included as scenarios in the stochastic mixed integer program defined to model the payoff-maximizing objective of a GENCO. Scenario reduction algorithms are used to deal with the computational burden. Two reliability test systems were chosen to illustrate the effectiveness of the proposed model for the ST decision-making process for future planned outages from the point of view of a GENCO.

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.

Economic, environmental and mixed objective functions in non-linear process optimization using simulated annealing and tabu search

Screening of topologies developed by hierarchical heuristic procedures can be carried out by comparing their optimal performance. In this work we will be exploiting mono-objective process optimization using two algorithms, simulated annealing and tabu search, and four different objective functions: two of the net present value type, one of them including environmental costs and two of the global potential impact type. The hydrodealkylation of toluene to produce benzene was used as case study, considering five topologies with different complexities mainly obtained by including or not liquid recycling and heat integration. The performance of the algorithms together with the objective functions was observed, analyzed and discussed from various perspectives: average deviation of results for each algorithm, capacity for producing high purity product, screening of topologies, objective functions robustness in screening of topologies, trade-offs between economic and environmental type objective functions and variability of optimum solutions.

Integer/fractional decomposition of the impulse response of fractional linear systems

The decomposition of a fractional linear system is discussed in this paper. It is shown that it can be decomposed into an integer order part, corresponding to possible existing poles, and a fractional part. The first and second parts are responsible for the short and long memory behaviors of the system, respectively, known as characteristic of fractional systems.

Optimization techniques for power distribution planning with uncertainties: a comparative study

Important research effort has been devoted to the topic of optimal planning of distribution systems. The non linear nature of the system, the need to consider a large number of scenarios and the increasing necessity to deal with uncertainties make optimal planning in distribution systems a difficult task. Heuristic techniques approaches have been proposed to deal with these issues, overcoming some of the inherent difficulties of classic methodologies. This paper considers several methodologies used to address planning problems of electrical power distribution networks, namely mixedinteger linear programming (MILP), ant colony algorithms (AC), genetic algorithms (GA), tabu search (TS), branch exchange (BE), simulated annealing (SA) and the Bender´s decomposition deterministic non-linear optimization technique (BD). Adequacy of theses techniques to deal with uncertainties is discussed. The behaviour of each optimization technique is compared from the point of view of the obtained solution and of the methodology performance. The paper presents results of the application of these optimization techniques to a real case of a 10-kV electrical distribution system with 201 nodes that feeds an urban area.