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.

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

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.

Ferramentas de gestão de redes e classificação de tráfego: estudo de caso

A gestão de redes informáticas converteu-se num fator vital para uma rede operar de forma eficiente, produtiva e lucrativa. A gestão envolve a monitorização e o controlo dos sistemas para que estes funcionam como o pretendido, ações de configuração, monitorização, reconfiguração dos componentes, são essenciais para o objetivo de melhorar o desempenho, diminuir o tempo de inatividade, melhor a segurança e efetuar contabilização. Paralelamente, a classificação de tráfego é um tema de bastante relevância em várias atividades relacionadas com as redes, tais como a previsão de QoS, segurança, monitorização, contabilização, planeamento de capacidade de backbones e deteção de invasão. A variação de determinados tipos de tráfego pode influenciar decisões técnicas na área da gestão de redes, assim como decisões políticas e sociais. Neste trabalho pretende-se desenvolver um estudo dos vários protocolos, ferramentas de gestão e de classificação de tráfego disponíveis para apoiar a atividade de gestão. O estudo efetuado terminou com a proposta e implementação de uma solução de gestão adequado a um cenário real bastante rico na diversidade de tecnologias e sistemas.

Aplicação para gestão de activos de rede do Aeroporto do Porto

O presente trabalho enquadra-se na área das redes de computadores, fazendo referência aos protocolos e ao conjunto de equipamentos e softwares necessários para a administração, controlo e monitorização desse tipos de infra-estruturas. Para a gestão de uma rede de dados, é essencial dispor de conhecimentos e documentação de nível técnico para representar da forma mais fiel possível a configuração da rede, seguindo passo a passo a interligação entre os equipamentos existentes e oferecendo assim uma visão o mais fidedigna possível das instalações. O protocolo SNMP é utilizado em larga escala sendo praticamente um standard para a administração de redes baseadas na tecnologia TCP/IP. Este protocolo define a comunicação entre um administrador e um agente, estabelecendo o formato e o significado das mensagens trocadas entre ambos. Tem a capacidade de suportar produtos de diferentes fabricantes, permitindo ao administrador manter uma base de dados com informações relevantes da monitorização de vários equipamentos, que pode ser consultada e analisada por softwares NMS concebidos especialmente para a gestão de redes de computadores. O trabalho apresentado nesta dissertação teve como objectivo desenvolver uma ferramenta para apoiar à gestão da infra-estrutura de comunicações do Aeroporto Francisco Sá Carneiro que permitisse conhecer em tempo real o estado dos elementos de rede, ajudar no diagnóstico de possíveis problemas e ainda apoiar a tarefa de planeamento e expansão da rede instalada. A ferramenta desenvolvida utiliza as potencialidades do protocolo SNMP para adquirir dados de monitorização de equipamentos de rede presentes na rede do AFSC, disponibilizando-os numa interface gráfica para facilitar a visualização dos parâmetros e alertas de funcionamento mais importantes na administração da rede.

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.

Uncertainty assessment approach for composite structures based on global sensitivity indices

The problem of uncertainty propagation in composite laminate structures is studied. An approach based on the optimal design of composite structures to achieve a target reliability level is proposed. Using the Uniform Design Method (UDM), a set of design points is generated over a design domain centred at mean values of random variables, aimed at studying the space variability. The most critical Tsai number, the structural reliability index and the sensitivities are obtained for each UDM design point, using the maximum load obtained from optimal design search. Using the UDM design points as input/output patterns, an Artificial Neural Network (ANN) is developed based on supervised evolutionary learning. Finally, using the developed ANN a Monte Carlo simulation procedure is implemented and the variability of the structural response based on global sensitivity analysis (GSA) is studied. The GSA is based on the first order Sobol indices and relative sensitivities. An appropriate GSA algorithm aiming to obtain Sobol indices is proposed. The most important sources of uncertainty are identified.

QoS of IP services in a fieldbus network: on the limitations and possible improvements

This paper focuses on the problem of providing efficient scheduling mechanisms for IP packets encapsulated in the frames of a real-time fieldbus network - the PROFIBUS. The approach described consists on a dual-stack approach encompassing both the controlrelated traffic ("native" fieldbus traffic) and the IPrelated traffic. The overall goal is to maintain the hard real-time guarantees of the control-related traffic, while at the same time providing the desired quality of service (QoS) to the coexistent IP applications. We start to describe the work which have been up to now carried out in the framework of the European project RFieldbus (High Performance Wireless Fieldbus in Industrial Multimedia-Related Environments - IST-1999-11316). Then we identify its limitations and point out solutions that are now being addressed out of the framework of the above-mentioned European project.

From task scheduling in single processor environments to message scheduling in a PROFIBUS fieldbus network

In this paper we survey the most relevant results for the prioritybased schedulability analysis of real-time tasks, both for the fixed and dynamic priority assignment schemes. We give emphasis to the worst-case response time analysis in non-preemptive contexts, which is fundamental for the communication schedulability analysis. We define an architecture to support priority-based scheduling of messages at the application process level of a specific fieldbus communication network, the PROFIBUS. The proposed architecture improves the worst-case messages’ response time, overcoming the limitation of the first-come-first-served (FCFS) PROFIBUS queue implementations.

Timing analysis of an inter-cell mobility procedure for a wired/wireless PROFIBUS network

Recently, there have been a few research efforts towards extending the capabilities of fieldbus networks to encompass wireless support. In previous works we have proposed a hybrid wired/wireless PROFIBUS network solution where the interconnection between the heterogeneous communication media was accomplished through bridge-like interconnecting devices. The resulting networking architecture embraced a Multiple Logical Ring (MLR) approach, thus with multiple independent tokens, where the communication between different domains was supported by the Inter-Domain Protocol (IDP). The proposed architecture also supports mobility of stations between different wireless cells. To that hybrid wired/wireless networking architecture we have proposed a worst-case response timing analysis of the IDP, without considering inter-cell mobility (or handoff) of stations. In this paper, we advance that previous work by proposing a worst-case timing analysis of the mobility procedure.

Timing analysis of a multiple logical ring wired/wireless PROFIBUS network

Recently, there have been a few research efforts towards extending the capabilities of fieldbus networks to encompass wireless support. In previous works we have proposed a hybrid wired/wireless PROFIBUS network solution where the interconnection between the heterogeneous communication media was accomplished through bridge-like interconnecting devices. The resulting networking architecture embraced a multiple logical ring (MLR) approach, thus with multiple independent tokens, to which a specific bridging protocol extension, the inter-domain protocol (IDP), was proposed. The IDP offers compatibility with standard PROFIBUS, and includes mechanisms to support inter-cell mobility of wireless nodes. We advance that work by proposing a worst-case response timing analysis of the IDP.

Real-time scheduling with resource sharing on uniform multiprocessors

Consider the problem of scheduling a set of implicit-deadline sporadic tasks to meet all deadlines on a uniform multiprocessor platform where each task may access at most one of |R| shared resources and at most once by each job of that task. The resources have to be accessed in a mutually exclusive manner. We propose an algorithm, GIS-vpr, which offers the guarantee that if a task set is schedulable to meet deadlines by an optimal task assignment scheme that allows a task to migrate only when it accesses or releases a resource, then our algorithm also meets the deadlines with the same restriction on the task migration, if given processors 4 + 6|R| times as fast. The proposed algorithm, by design, limits the number of migrations per job to at most two. To the best of our knowledge, this is the first result for resource sharing on uniform multiprocessors with proven performance guarantee.

Towards network-on-chip agreement protocols

Demands for functionality enhancements, cost reductions and power savings clearly suggest the introduction of multiand many-core platforms in real-time embedded systems. However, when compared to uni-core platforms, the manycores experience additional problems, namely the lack of scalable coherence mechanisms and the necessity to perform migrations. These problems have to be addressed before such systems can be considered for integration into the realtime embedded domain. We have devised several agreement protocols which solve some of the aforementioned issues. The protocols allow the applications to plan and organise their future executions both temporally and spatially (i.e. when and where the next job will be executed). Decisions can be driven by several factors, e.g. load balancing, energy savings and thermal issues. All presented protocols are analytically described, with the particular emphasis on their respective real-time behaviours and worst-case performance. The underlying assumptions are based on the multi-kernel model and the message-passing paradigm, which constitutes the communication between the interacting instances.

Extending fixed task-priority schedulability by interference limitation

While the earliest deadline first algorithm is known to be optimal as a uniprocessor scheduling policy, the implementation comes at a cost in terms of complexity. Fixed taskpriority algorithms on the other hand have lower complexity but higher likelihood of task sets being declared unschedulable, when compared to earliest deadline first (EDF). Various attempts have been undertaken to increase the chances of proving a task set schedulable with similar low complexity. In some cases, this was achieved by modifying applications to limit preemptions, at the cost of flexibility. In this work, we explore several variants of a concept to limit interference by locking down the ready queue at certain instances. The aim is to increase the prospects of schedulability of a given task system, without compromising on complexity or flexibility, when compared to the regular fixed task-priority algorithm. As a final contribution, a new preemption threshold assignment algorithm is provided which is less complex and more straightforward than the previous method available in the literature.