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

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

WEXSYS - Web Expert System

Desde o início que os sistemas periciais não foram vistos apenas como sistemas que poderiam substituir os peritos. Os peritos por sua vez, independentemente da área em que operam, eram tidos como indivíduos que atingiram a excelência através da experiência, estudo e total dedicação, por vezes durante anos. Hoje, mais do que assumir o papel de um perito na excelência de uma área de actuação, os sistemas periciais sobressaem pela disponibilidade contínua, acessos facilitados, custos reduzidos, estabilidade de funcionamento e coerência de raciocínio. Empurrados pelos avanços actuais das redes em termos de velocidade e propagação global, estes sistemas são hoje disponibilizados de forma mais simples e acessível. Este trabalho é realizado com o propósito de evoluir o actual sistema para uma versão mais apelativa, funcional e fiável. Um dos objectivos passa pela evolução do actual modo de funcionamento, utilização local e apenas um utilizador, para um modo de funcionamento que permita uma disponibilização num ambiente de acesso global, acessível a qualquer hora e em qualquer local.

Transacção de componentes multimédia suportada por agentes

O objectivo do projecto descrito nesta dissertação é o desenvolvimento da interface entre as empresas e a plataforma Business-to-Business (B2B) de negociação automática de anúncios em construção. A plataforma, no seu todo, deve garantir que os intervalos da programação são preenchidos com um alinhamento de anúncios compatível com os interesses expressos e o perfil construído dos espectadores. A plataforma funciona como um mercado electrónico de negociação automática destinado a agências de publicidade (empresas produtoras) e empresas provedoras de conteúdos e serviços multimédia aos consumidores finais (empresas distribuidoras). As empresas, uma vez registadas na plataforma, passam a ser representadas por agentes que negoceiam automaticamente os itens submetidos com o comportamento especificado. Do ponto de vista da arquitectura, a plataforma consiste num sistema multiagente organizado em três camadas compostas por: (i) agentes de interface com as empresas; (ii) agentes de modelação das empresas; e (iii) agentes delegados, de duração efémera, exclusivamente criados para participar em negociações específicas de conteúdos multimédia. Cada empresa representada na plataforma possui, para além de um número indeterminado de delegados envolvidos em negociações específicas, dois agentes: (i) o agente de interface com a empresa, que expõe um conjunto de operações de interface ao exterior através de um serviço Web, localizado na primeira camada; e (ii) o agente que modela a empresa na plataforma, que expõe através de um serviço Web um conjunto de operações aos agentes das restantes camadas da plataforma, residente na camada intermédia. Este projecto focou-se no desenvolvimento da camada superior de interface da plataforma com as empresas e no enriquecimento da camada intermédia. A realização da camada superior incluiu a especificação da parte da ontologia da plataforma que dá suporte às operações de interface com o exterior, à sua exposição como serviços Web e à criação e controlo dos agentes de interface. Esta camada superior deve permitir às empresas carregar e descarregar toda informação relevante de e para a plataforma, através de uma interface gráfica ou de forma automática, e apresentar de forma gráfica e intuitiva os resultados alcançados, nomeadamente, através da apresentação da evolução das transacções. Em relação à camada intermédia, adicionou-se à ontologia da plataforma a representação do conhecimento de suporte às operações de interface com a camada superior, adoptaram-se taxonomias de classificação de espectadores, anúncios e programas, desenvolveu-se um algoritmo de emparelhamento entre os espectadores, programas e anúncios disponíveis e, por fim, procedeu-se ao armazenamento persistente dos resultados das negociações. Do ponto de vista da plataforma, testou-se o seu funcionamento numa única plataforma física e assegurou-se a segurança e privacidade da comunicação entre empresa e plataforma e entre agentes que representam uma mesma empresa.

Level monitoring system for waste oil containers: an EPS@ISEP project

Waste oil recycling companies play a very important role in our society. Competition among companies is tough and process optimization is essential for survival. By equipping oil containers with a level monitoring system that periodically reports the level and alerts when it reaches the preset threshold, the oil recycling companies are able to streamline the oil collection process and, thus, reduce the operation costs while maintaining the quality of service. This paper describes the development of this level monitoring system by a team of four students from different engineering backgrounds and nationalities. The team conducted a study of the state of the art, draw marketing and sustainable development plans and, finally, designed and implemented a prototype that continuously measures the container content level and sends an alert message as soon as it reaches the preset capacity.

Adaptive tackling of the swinging problem for a 2 DOF crane – payload system

The control of a crane carrying its payload by an elastic string corresponds to a task in which precise, indirect control of a subsystem dynamically coupled to a directly controllable subsystem is needed. This task is interesting since the coupled degree of freedom has little damping and it is apt to keep swinging accordingly. The traditional approaches apply the input shaping technology to assist the human operator responsible for the manipulation task. In the present paper a novel adaptive approach applying fixed point transformations based iterations having local basin of attraction is proposed to simultaneously tackle the problems originating from the imprecise dynamic model available for the system to be controlled and the swinging problem, too. The most important phenomenological properties of this approach are also discussed. The control considers the 4th time-derivative of the trajectory of the payload. The operation of the proposed control is illustrated via simulation results.

Distributed Generation and Demand Response Dispatch for a Virtual Power Player Energy and Reserve Provision

Recent changes in the operation and planning of power systems have been motivated by the introduction of Distributed Generation (DG) and Demand Response (DR) in the competitive electricity markets' environment, with deep concerns at the efficiency level. In this context, grid operators, market operators, utilities and consumers must adopt strategies and methods to take full advantage of demand response and distributed generation. This requires that all the involved players consider all the market opportunities, as the case of energy and reserve components of electricity markets. The present paper proposes a methodology which considers the joint dispatch of demand response and distributed generation in the context of a distribution network operated by a virtual power player. The resources' participation can be performed in both energy and reserve contexts. This methodology contemplates the probability of actually using the reserve and the distribution network constraints. Its application is illustrated in this paper using a 32-bus distribution network with 66 DG units and 218 consumers classified into 6 types of consumers.

Short-term Wind Forecasting to Support Virtual Power Player Operation

This paper proposes a wind speed forecasting model that contributes to the development and implementation of adequate methodologies for Energy Resource Man-agement in a distribution power network, with intensive use of wind based power generation. The proposed fore-casting methodology aims to support the operation in the scope of the intraday resources scheduling model, name-ly with a time horizon of 10 minutes. A case study using a real database from the meteoro-logical station installed in the GECAD renewable energy lab was used. A new wind speed forecasting model has been implemented and it estimated accuracy was evalu-ated and compared with a previous developed forecast-ing model. Using as input attributes the information of the wind speed concerning the previous 3 hours enables to obtain results with high accuracy for the wind short-term forecasting.

Multilayer Perceptron Neural Networks Training Through Charged System Search and its Application for Non-Technical Losses Detection

The non-technical loss is not a problem with trivial solution or regional character and its minimization represents the guarantee of investments in product quality and maintenance of power systems, introduced by a competitive environment after the period of privatization in the national scene. In this paper, we show how to improve the training phase of a neural network-based classifier using a recently proposed meta-heuristic technique called Charged System Search, which is based on the interactions between electrically charged particles. The experiments were carried out in the context of non-technical loss in power distribution systems in a dataset obtained from a Brazilian electrical power company, and have demonstrated the robustness of the proposed technique against with several others natureinspired optimization techniques for training neural networks. Thus, it is possible to improve some applications on Smart Grids.

Dispatch of distributed Energy Resources to Provide Energy and Reserve in Smart Grids using a Particle Swarm Optimization Approach

The smart grid concept is a key issue in the future power systems, namely at the distribution level, with deep concerns in the operation and planning of these systems. Several advantages and benefits for both technical and economic operation of the power system and of the electricity markets are recognized. The increasing integration of demand response and distributed generation resources, all of them mostly with small scale distributed characteristics, leads to the need of aggregating entities such as Virtual Power Players. The operation business models become more complex in the context of smart grid operation. Computational intelligence methods can be used to give a suitable solution for the resources scheduling problem considering the time constraints. This paper proposes a methodology for a joint dispatch of demand response and distributed generation to provide energy and reserve by a virtual power player that operates a distribution network. The optimal schedule minimizes the operation costs and it is obtained using a particle swarm optimization approach, which is compared with a deterministic approach used as reference methodology. The proposed method is applied to a 33-bus distribution network with 32 medium voltage consumers and 66 distributed generation units.

Smart Grid Market Using Joint Energy and Ancillary Services Bids

The power systems operation in the smart grid context increases significantly the complexity of their management. New approaches for ancillary services procurement are essential to ensure the operation of electric power systems with appropriate levels of stability, safety, quality, equity and competitiveness. These approaches should include market mechanisms which allow the participation of small and medium distributed energy resources players in a competitive market environment. In this paper, an energy and ancillary services joint market model used by an aggregator is proposed, considering bids of several types of distributed energy resources. In order to improve economic efficiency in the market, ancillary services cascading market mechanism is also considered in the model. The proposed model is included in MASCEM – a multi-agent system electricity market simulator. A case study considering a distribution network with high penetration of distributed energy resources is presented.

DC Fuzzy Multicriteria Approach to Increase the Probability of Delivering Power in Distribution Networks

This paper proposes a methodology to increase the probability of delivering power to any load point through the identification of new investments. The methodology uses a fuzzy set approach to model the uncertainty of outage parameters, load and generation. A DC fuzzy multicriteria optimization model considering the Pareto front and based on mixed integer non-linear optimization programming is developed in order to identify the adequate investments in distribution networks components which allow increasing the probability of delivering power to all customers in the distribution network at the minimum possible cost for the system operator, while minimizing the non supplied energy cost. To illustrate the application of the proposed methodology, the paper includes a case study which considers an 33 bus distribution network.

Cost Allocation Model for Distribution Networks Considering High Penetration of Distributed Energy Resources

The high penetration of distributed energy resources (DER) in distribution networks and the competitiveenvironment of electricity markets impose the use of new approaches in several domains. The networkcost allocation, traditionally used in transmission networks, should be adapted and used in the distribu-tion networks considering the specifications of the connected resources. The main goal is to develop afairer methodology trying to distribute the distribution network use costs to all players which are usingthe network in each period. In this paper, a model considering different type of costs (fixed, losses, andcongestion costs) is proposed comprising the use of a large set of DER, namely distributed generation(DG), demand response (DR) of direct load control type, energy storage systems (ESS), and electric vehi-cles with capability of discharging energy to the network, which is known as vehicle-to-grid (V2G). Theproposed model includes three distinct phases of operation. The first phase of the model consists in aneconomic dispatch based on an AC optimal power flow (AC-OPF); in the second phase Kirschen’s andBialek’s tracing algorithms are used and compared to evaluate the impact of each resource in the net-work. Finally, the MW-mile method is used in the third phase of the proposed model. A distributionnetwork of 33 buses with large penetration of DER is used to illustrate the application of the proposedmodel.

Definition of Distribution Network Tariffs Considering Distribution Generation and Demand Response

The use of distribution networks in the current scenario of high penetration of Distributed Generation (DG) is a problem of great importance. In the competitive environment of electricity markets and smart grids, Demand Response (DR) is also gaining notable impact with several benefits for the whole system. The work presented in this paper comprises a methodology able to define the cost allocation in distribution networks considering large integration of DG and DR resources. The proposed methodology is divided into three phases and it is based on an AC Optimal Power Flow (OPF) including the determination of topological distribution factors, and consequent application of the MW-mile method. The application of the proposed tariffs definition methodology is illustrated in a distribution network with 33 buses, 66 DG units, and 32 consumers with DR capacity.

Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

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.