Demand response in future power systems management – a conceptual framework and simulation tool

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Auditoria energética à indústria têxtil do Ave

A Indústria Têxtil do Ave S.A. (ITA) dedica-se, desde 1948, à produção de componentes têxteis para pneus em forma de fio torcido (corda) e tela. Estes componentes são quimicamente activados e impregnados em estufas, possibilitando assim a posterior adesão ao pneu. A máquina de impregnar corda Single End é composta pelos grupos de estiragem, por um recipiente contendo a solução química e por 4 estufas em série. A máquina de impregnar tela Zell é composta pelos grupos de estiragem, pelos acumuladores de saída e entrada, pelos recipientes com as soluções químicas e por um grupo de 7 estufas em série. O aquecimento das estufas é feito através da queima de gás natural. O presente trabalho teve como objectivo a realização de uma auditoria energética à ITA com um especial destaque às máquinas de impregnar corda (Single End) e tela (Zell). As correntes de entrada que contribuem para a potência térmica de impregnação são a combustão do gás natural, o ar de combustão, o ar fresco, o artigo em verde e as soluções químicas. As correntes de saída correspondem aos gases de combustão e exaustão, ao artigo impregnado e às perdas térmicas. A auditoria à máquina Single End mostrou que a potência térmica de impregnação é de 413,1 kW. Dessa potência térmica, 77,2% correspondem à combustão do gás natural, 6,7% ao ar de combustão, 15% ao ar fresco, 0,7% às cordas em verde e 0,4% à solução química. Da potência térmica de saída, 88,4% correspondem aos gases de combustão e exaustão, 3,2% às cordas impregnadas e 8,4% às perdas térmicas. Da auditoria à máquina Zell observou-se que a potência térmica de impregnação é de 5630,7 kW. Dessa potência, 73,3% corresponde à combustão do gás natural, 1,6% ao ar de combustão, 24,5% ao ar fresco, 0,3% à tela em verde e 0,3% às soluções químicas. Da potência térmica de saída, 65,2% correspondem aos gases de combustão e exaustão, 3,1% à tela impregnada e 31,7% às perdas térmicas. Foram sugeridas como medidas de optimização a redução dos caudais de exaustão das estufas e o aumento de temperatura do ar fresco. O aumento da temperatura do ar fresco da máquina de impregnar Single End para 50 ºC, usando ar quente dos torcedores, leva a uma poupança de 0,22 €/h, com um período de retorno do investimento de 13 anos e 4 meses enquanto o aumento para 120 ºC, usando o calor dos gases de combustão e exaustão, reduz os custos em 0,88 €/h, sendo o período de retorno para esse investimento de 2 anos e 6 meses. Na máquina de impregnar Zell, uma redução de 15% no caudal de exaustão numa das estufas leva a ganhos de 3,43 €/h. O aumento de temperatura do ar fresco para 45 ºC, usando o calor de gases de combustão e exaustão, leva a uma poupança de 9,93 €/h sendo o período de retorno para cada uma das duas sugestões de investimento de 5 meses e 9 meses.

Impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios

Este trabalho surgiu do âmbito da Tese de Dissertação do Mestrado em Energias Sustentáveis do Instituto Superior de Engenharia do Porto, tendo o acompanhamento dos orientadores da empresa Laboratório Ecotermolab do Instituto de Soldadura e Qualidade e do Instituto Superior de Engenharia do Porto, de forma a garantir a linha traçada indo de acordo aos objectivos propostos. A presente tese abordou o estudo do impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios, tendo como base de apoio à análise a simulação dinâmica do edifício em condições reais num programa adequado, acreditado pela norma ASHRAE 140-2004. Este trabalho pretendeu evidenciar qual o impacto da influência do ar novo na climatização de um edifício com a conjugação de vários factores, tais como, ocupação, actividades e padrões de utilização (horários), iluminação e equipamentos, estudando ainda a possibilidade do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. O princípio partiu fundamentalmente por determinar até que ponto se pode climatizar recorrendo único e exclusivamente à introdução de ar novo em regime de “Free-Cooling”, através de um sistema tudo-ar de Volume de Ar Variável - VAV, sem o apoio de qualquer outro sistema de climatização auxiliar localizado no espaço, respeitando os caudais mínimos impostos pelo RSECE (Decreto-Lei 79/2006). Numa primeira fase foram identificados todos os dados relativos à determinação das cargas térmicas do edifício, tendo em conta todos os factores e contributos alusivos ao valor da carga térmica, tais como a transmissão de calor e seus constituintes, a iluminação, a ventilação, o uso de equipamentos e os níveis de ocupação. Consequentemente foram elaboradas diversas simulações dinâmicas com o recurso ao programa EnergyPlus integrado no DesignBuilder, conjugando variáveis desde as envolventes à própria arquitectura, perfis de utilização ocupacional, equipamentos e taxas de renovação de ar nos diferentes espaços do edifício em estudo. Obtiveram-se vários modelos de forma a promover um estudo comparativo e aprofundado que permitisse determinar o impacto do ar novo na climatização do edifício, perspectivando a capacidade funcional do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. Deste modo, a análise e comparação dos dados obtidos permitiram chegar às seguintes conclusões: Tendo em consideração que para necessidades de arrefecimento bastante elevadas, o “Free-Cooling” diurno revelou-se pouco eficaz ou quase nulo, para o tipo de clima verificado em Portugal, pois o diferencial de temperatura existente entre o exterior e o interior não é suficiente de modo a tornar possível a remoção das cargas de forma a baixar a temperatura interior para o intervalo de conforto. Em relação ao “Free-Cooling” em horário nocturno ou pós-laboral, este revelou-se bem mais eficiente. Obtiveram-se prestações muito interessantes sobretudo durante as estações de aquecimento e meia-estação, tendo em consideração o facto de existir necessidades de arrefecimento mesmo durante a estação de aquecimento. Referente à ventilação nocturna, isto é, em períodos de madrugada e fecho do edifício, concluiu-se que tal contribui para um abaixamento do calor acumulado durante o dia nos materiais construtivos do edifício e que é libertado ou restituído posteriormente para os espaços em períodos mais tardios. De entre as seguintes variáveis, aumento de caudal de ar novo insuflado e o diferencial de temperatura existente entre o ar exterior e interior, ficou demonstrado que este último teria maior peso contributivo na remoção do calor. Por fim, é ponto assente que de um modo geral, um sistema de climatização será sempre indispensável devido a cargas internas elevadas, requisitos interiores de temperatura e humidade, sendo no entanto aconselhado o “Free- Cooling” como um opção viável a incorporar na solução de climatização, de forma a promover o arrefecimento natural, a redução do consumo energético e a introdução activa de ar novo.

Fuzzy Monte Carlo model for transmission power systems reliability based decision making

This thesis presents the Fuzzy Monte Carlo Model for Transmission Power Systems Reliability based studies (FMC-TRel) methodology, which is based on statistical failure and repair data of the transmission power system components and uses fuzzyprobabilistic modeling for system component outage parameters. Using statistical records allows developing the fuzzy membership functions of system component outage parameters. The proposed hybrid method of fuzzy set and Monte Carlo simulation based on the fuzzy-probabilistic models allows catching both randomness and fuzziness of component outage parameters. A network contingency analysis to identify any overloading or voltage violation in the network is performed once obtained the system states. This is followed by a remedial action algorithm, based on Optimal Power Flow, to reschedule generations and alleviate constraint violations and, at the same time, to avoid any load curtailment, if possible, or, otherwise, to minimize the total load curtailment, for the states identified by the contingency analysis. For the system states that cause load curtailment, an optimization approach is applied to reduce the probability of occurrence of these states while minimizing the costs to achieve that reduction. This methodology is of most importance for supporting the transmission system operator decision making, namely in the identification of critical components and in the planning of future investments in the transmission power system. A case study based on Reliability Test System (RTS) 1996 IEEE 24 Bus is presented to illustrate with detail the application of the proposed methodology.

Characterizations of power indices based on null player free winning coalitions

In this paper, we characterize two power indices introduced in [1] using two different modifications of the monotonicity property first stated by [2]. The sets of properties are easily comparable among them and with previous characterizations of other power indices.

Power law and entropy analysis of catastrophic phenomena

Catastrophic events, such as wars and terrorist attacks, tornadoes and hurricanes, earthquakes, tsunamis, floods and landslides, are always accompanied by a large number of casualties. The size distribution of these casualties has separately been shown to follow approximate power law (PL) distributions. In this paper, we analyze the statistical distributions of the number of victims of catastrophic phenomena, in particular, terrorism, and find double PL behavior. This means that the data sets are better approximated by two PLs instead of a single one. We plot the PL parameters, corresponding to several events, and observe an interesting pattern in the charts, where the lines that connect each pair of points defining the double PLs are almost parallel to each other. A complementary data analysis is performed by means of the computation of the entropy. The results reveal relationships hidden in the data that may trigger a future comprehensive explanation of this type of phenomena.

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.

Demand response management in power systems using a particle swarm optimization approach

Competitive electricity markets have arisen as a result of power-sector restructuration and power-system deregulation. The players participating in competitive electricity markets must define strategies and make decisions using all the available information and business opportunities.

Evaluation of distinct input methods of an intelligent wheelchair in simulated and real environments: a performance and usability study

This paper focuses on evaluating the usability of an Intelligent Wheelchair (IW) in both real and simulated environments. The wheelchair is controlled at a high-level by a flexible multimodal interface, using voice commands, facial expressions, head movements and joystick as its main inputs. A Quasi-experimental design was applied including a deterministic sample with a questionnaire that enabled to apply the System Usability Scale. The subjects were divided in two independent samples: 46 individuals performing the experiment with an Intelligent Wheelchair in a simulated environment (28 using different commands in a sequential way and 18 with the liberty to choose the command); 12 individuals performing the experiment with a real IW. The main conclusion achieved by this study is that the usability of the Intelligent Wheelchair in a real environment is higher than in the simulated environment. However there were not statistical evidences to affirm that there are differences between the real and simulated wheelchairs in terms of safety and control. Also, most of users considered the multimodal way of driving the wheelchair very practical and satisfactory. Thus, it may be concluded that the multimodal interfaces enables very easy and safe control of the IW both in simulated and real environments.

Characterizing the timing behaviour of power-line communication by means of simulation

Although power-line communication (PLC) is not a new technology, its use to support communication with timing requirements is still the focus of ongoing research. Recently, a new infrastructure was presented, intended for communication using power lines from a central location to geographically dispersed nodes using inexpensive devices. This new infrastructure uses a two-level hierarchical power-line system, together with an IP-based network. Within this infrastructure, in order to provide end-toend communication through the two levels of the powerline system, it is necessary to fully understand the behaviour of the underlying network layers. The masterslave behaviour of the PLC MAC, together with the inherent dynamic topology of power-line networks are important issues that must be fully characterised. Therefore, in this paper we present a simulation model which is being used to study and characterise the behaviour of power-line communication.

A power line communication stack for metering, SCADA and large-scale domotic applications

This paper describes the communication stack of the REMPLI system: a structure using power-lines and IPbased networks for communication, for data acquisition and control of energy distribution and consumption. It is furthermore prepared to use alternative communication media like GSM or analog modem connections. The REMPLI system provides communication service for existing applications, namely automated meter reading, energy billing and domotic applications. The communication stack, consisting of physical, network, transport, and application layer is described as well as the communication services provided by the system. We show how the peculiarities of the power-line communication influence the design of the communication stack, by introducing requirements to efficiently use the limited bandwidth, optimize traffic and implement fair use of the communication medium for the extensive communication partners.

Power Over Ethernet – a solução de vanguarda nas comunicações baseadas em IP

Mal sabia o Italiano Antonio Santi Giuseppe Meucci na segunda metade do século XIX (1870-1876), que a sua invenção iria alcançar um êxito sem precedente e que mudaria por completo o estilo de vida das gerações vindouras: o “Telettrofono” (telégrafo falante). Porém, e por necessidade, acabou por vender o protótipo e seus respetivos direitos, a Alexander Graham Bell, o qual ficou historicamente conhecido como o inventor do telefone. Com efeito, o telefone quase que dispensa apresentação. É um dispositivo de telecomunicações que entrou paulatinamente nas vidas das pessoas, seja no lazer, no exercícios das suas profissões, em situações de emergência, em teatro de guerra, num infindável número de situações, e que foi simplesmente planeado para transmitir sons por meio de sinais elétricos em condutores próprios para o efeito (vias telefónicas). Por definição, é um aparelho eletroacústico que permite a transformação, no ponto emissor, de energia acústica em energia elétrica e, no ponto recetor, a transformação da energia elétrica em acústica, permitindo assim a troca de informações (falada e ouvida) entre dois ou mais assinantes. Ora, a ideia de Power over Ethernet (PoE) teve, forçosamente, seu marco nos finais do século XIX, quando Alexander Bell (“Bell Telephone Company”) teve de refletir/decidir se o telefone a instalar em cada residência, seria alimentado localmente por uma bateria (fonte de energia local), ou se deveria alimentar cada dispositivo telefónico remotamente através de fios condutores. Esta é a noção de Power over Ethernet na sua vanguarda de aplicação no início do século XXI, e objeto de uma breve apresentação, à qual o convido à leitura das restantes secções.

Device power management for real-time embedded systems

A large part of power dissipation in a system is generated by I/O devices. Increasingly these devices provide power saving mechanisms to inter alia enhance battery life. While I/O device scheduling has been studied in the past for realtime systems, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. These approaches are crafted considering a huge overhead of device transition. The technology enhancement has allowed the hardware vendors to reduce the device transition overhead and energy consumption. We propose an intra-task device scheduling algorithm for real time systems that allows to shut-down devices while ensuring the system schedulability. Our results show an energy gain of up to 90% in the best case when compared to the state-of-the-art.

SPARTS: simulator for power aware and real-time systems

Real-time systems demand guaranteed and predictable run-time behaviour in order to ensure that no task has missed its deadline. Over the years we are witnessing an ever increasing demand for functionality enhancements in the embedded real-time systems. Along with the functionalities, the design itself grows more complex. Posed constraints, such as energy consumption, time, and space bounds, also require attention and proper handling. Additionally, efficient scheduling algorithms, as proven through analyses and simulations, often impose requirements that have significant run-time cost, specially in the context of multi-core systems. In order to further investigate the behaviour of such systems to quantify and compare these overheads involved, we have developed the SPARTS, a simulator of a generic embedded real- time device. The tasks in the simulator are described by externally visible parameters (e.g. minimum inter-arrival, sporadicity, WCET, BCET, etc.), rather than the code of the tasks. While our current implementation is primarily focused on our immediate needs in the area of power-aware scheduling, it is designed to be extensible to accommodate different task properties, scheduling algorithms and/or hardware models for the application in wide variety of simulations. The source code of the SPARTS is available for download at [1].

Shannon information and power law analysis of the chromosome code

This paper studies the information content of the chromosomes of twenty-three species. Several statistics considering different number of bases for alphabet character encoding are derived. Based on the resulting histograms, word delimiters and character relative frequencies are identified. The knowledge of this data allows moving along each chromosome while evaluating the flow of characters and words. The resulting flux of information is captured by means of Shannon entropy. The results are explored in the perspective of power law relationships allowing a quantitative evaluation of the DNA of the species.