Dynamic programming for a Markov-switching jump–diffusion

We consider an optimal control problem with a deterministic finite horizon and state variable dynamics given by a Markov-switching jump–diffusion stochastic differential equation. Our main results extend the dynamic programming technique to this larger family of stochastic optimal control problems. More specifically, we provide a detailed proof of Bellman’s optimality principle (or dynamic programming principle) and obtain the corresponding Hamilton–Jacobi–Belman equation, which turns out to be a partial integro-differential equation due to the extra terms arising from the Lévy process and the Markov process. As an application of our results, we study a finite horizon consumption– investment problem for a jump–diffusion financial market consisting of one risk-free asset and one risky asset whose coefficients are assumed to depend on the state of a continuous time finite state Markov process. We provide a detailed study of the optimal strategies for this problem, for the economically relevant families of power utilities and logarithmic utilities.

Provably Good Task Assignment for Two-Type Heterogeneous Multiprocessors Using Cutting Planes

Consider scheduling of real-time tasks on a multiprocessor where migration is forbidden. Specifically, consider the problem of determining a task-to-processor assignment for a given collection of implicit-deadline sporadic tasks upon a multiprocessor platform in which there are two distinct types of processors. For this problem, we propose a new algorithm, LPC (task assignment based on solving a Linear Program with Cutting planes). The algorithm offers the following guarantee: for a given task set and a platform, if there exists a feasible task-to-processor assignment, then LPC succeeds in finding such a feasible task-to-processor assignment as well but on a platform in which each processor is 1.5 × faster and has three additional processors. For systems with a large number of processors, LPC has a better approximation ratio than state-of-the-art algorithms. To the best of our knowledge, this is the first work that develops a provably good real-time task assignment algorithm using cutting planes.

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.

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.

Decision support tool for Virtual Power Players: Hybrid Particle Swarm Optimization applied to Day-ahead Vehicle-To-Grid Scheduling

This paper presents a decision support tool methodology to help virtual power players (VPPs) in the Smart Grid (SGs) context to solve the day-ahead energy resource scheduling considering the intensive use of Distributed Generation (DG) and Vehicle-To-Grid (V2G). The main focus is the application of a new hybrid method combing a particle swarm approach and a deterministic technique based on mixedinteger linear programming (MILP) to solve the day-ahead scheduling minimizing total operation costs from the aggregator point of view. A realistic mathematical formulation, considering the electric network constraints and V2G charging and discharging efficiencies is presented. Full AC power flow calculation is included in the hybrid method to allow taking into account the network constraints. A case study with a 33-bus distribution network and 1800 V2G resources is used to illustrate the performance of the proposed method.

Application-Specific Modified Particle Swarm Optimization for energy resource scheduling considering vehicle-to-grid

This paper presents a modified Particle Swarm Optimization (PSO) methodology to solve the problem of energy resources management with high penetration of distributed generation and Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G). The objective of the day-ahead scheduling problem in this work is to minimize operation costs, namely energy costs, regarding the management of these resources in the smart grid context. The modifications applied to the PSO aimed to improve its adequacy to solve the mentioned problem. The proposed Application Specific Modified Particle Swarm Optimization (ASMPSO) includes an intelligent mechanism to adjust velocity limits during the search process, as well as self-parameterization of PSO parameters making it more user-independent. It presents better robustness and convergence characteristics compared with the tested PSO variants as well as better constraint handling. This enables its use for addressing real world large-scale problems in much shorter times than the deterministic methods, providing system operators with adequate decision support and achieving efficient resource scheduling, even when a significant number of alternative scenarios should be considered. The paper includes two realistic case studies with different penetration of gridable vehicles (1000 and 2000). The proposed methodology is about 2600 times faster than Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) reference technique, reducing the time required from 25 h to 36 s for the scenario with 2000 vehicles, with about one percent of difference in the objective function cost value.

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.

Dimensão do sector público e crescimento económico: uma relação não linear na União Europeia dos 15?

Os Estados-Membros da União Europeia têm tido a preocupação de reduzirem a dimensão da Administração Pública na economia, a par de a tornar muito mais eficiente de forma a promover o crescimento económico. Neste artigo analisam-se as relações entre a despesa pública e o crescimento económico em 14 Estados-Membros da União Europeia dos 15, com o objectivo de determinar a dimensão óptima das Administrações Públicas, tendo por base teórica a Curva de Armey. Os resultados, para o período 1965-2007, sugerem uma dimensão do sector público maximizadora do crescimento económico de 47,37% e 22,17% do PIB, quando avaliada pelas despesas públicas totais e o consumo público, respectivamente.

Despacho Económico de um SEE com coordenação Hidrotérmica Departamento de Engenharia Electrotécnica

O Despacho económico de um sistema eléctrico de energia com a coordenação hidrotérmica tem como objectivo alcançar a operação óptima do sistema em um determinado período de tempo, ao menor custo possível, e com alto grau de fiabilidade. O problema é muito complexo, pois depende do grau de dificuldade em se prever os caudais dos afluentes, e da capacidade das albufeiras das centrais hídricas. De um modo geral, a produção térmica é determinada de modo a proporcionar o uso mais racional possível da água, dentro do contexto de incertezas quanto às afluências futuras, de modo a, por um lado manter o sistemas o mais económico possível, e por outro, evitar o desperdício energético implícito em descarregamentos de volumes de água turbináveis. Neste trabalho é proposta uma metodologia baseada em programação linear para a solução da coordenação hidrotérmica de curto prazo, e que permite obter custos-sombra de água em centrais hídricas com armazenamento. Esta metodologia foi posteriormente implementado num programa computacional em Microsoft Excel 2010 para a solução numa primeira fase, da rede de 24 barramentos do IEEE, e numa segunda fase, para a solução da Rede Nacional de Transporte referente ao ano de 2010. Para efeitos de análise e validação de dados, os dados provenientes do programa, são depois comparados aos dados dos relatórios da REN. Por último, os dados provenientes do programa em Excel são colocados e analisados no programa PowerWorld Simulator 8.0.

Planeamento de redes de distribuição de energia

O planeamento de redes de distribuição tem como objetivo assegurar a existência de capacidade nas redes para a fornecimento de energia elétrica com bons níveis de qualidade de serviço tendo em conta os fatores económicos associados. No âmbito do trabalho apresentado na presente dissertação, foi elaborado um modelo de planeamento que determina a configuração de rede resultante da minimização de custos associados a: 1) perdas por efeito de joule; 2) investimento em novos componentes; 3) energia não entregue. A incerteza associada ao valor do consumo de cada carga é modelada através de lógica difusa. O problema de otimização definido é resolvido pelo método de decomposição de benders que contempla dois trânsitos de potências ótimos (modelo DC e modelo AC) no problema mestre e escravo respectivamente para validação de restrições. Foram também definidos critérios de paragem do método de decomposição de benders. O modelo proposto classifica-se como programação não linear inteira mista e foi implementado na ferramenta de otimização General Algebraic Modeling System (GAMS). O modelo desenvolvido tem em conta todos componentes das redes para a otimização do planeamento, conforme podemos analisar nos casos de estudo implementados. Cada caso de estudo é definido pela variação da importância que cada uma das variáveis do problema toma, tendo em vista cobrir de alguma todos os cenários de operação expetáveis. Através destes casos de estudo verifica-se as várias configurações que a rede pode tomar, tendo em conta as importâncias atribuídas a cada uma das variáveis, bem como os respetivos custos associados a cada solução. Este trabalho oferece um considerável contributo no âmbito do planeamento de redes de distribuição, pois comporta diferentes variáveis para a execução do mesmo. É também um modelo bastante robusto não perdendo o ‘norte’ no encontro de solução para redes de grande dimensão, com maior número de componentes.

Resolução do problema de atribuição de salas a exames

Este trabalho pretende resolver o problema das alocações de salas a exames no Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior de Engenharia do Porto. A solução desenvolvida atribui salas a exames respeitando as restrições de capacidade de salas e a restrição de realização dum único exame por sala num determinado período, por forma a minimizar a atribuição de salas e, consequentemente, docentes a exames. Foi criado um modelo matemático, que representa as variáveis relevantes do problema, e realiza a sua implementação numa plataforma informática amigável para o utilizador. O modelo matemático foi validado comparando as suas soluções com as obtidas através do processo manual. Os resultados do novo método demonstram a sua supremacia relativamente ao modelo atual. No futuro, poderá ser estudada a possibilidade de usar esta ferramenta na resolução do mesmo problema em realidades diferentes da do Departamento de Engenharia Mecânica do ISEP.

Distributed Linear Precoding and User Selection in Coordinated Multicell Systems

In this manuscript we tackle the problem of semidistributed user selection with distributed linear precoding for sum rate maximization in multiuser multicell systems. A set of adjacent base stations (BS) form a cluster in order to perform coordinated transmission to cell-edge users, and coordination is carried out through a central processing unit (CU). However, the message exchange between BSs and the CU is limited to scheduling control signaling and no user data or channel state information (CSI) exchange is allowed. In the considered multicell coordinated approach, each BS has its own set of cell-edge users and transmits only to one intended user while interference to non-intended users at other BSs is suppressed by signal steering (precoding). We use two distributed linear precoding schemes, Distributed Zero Forcing (DZF) and Distributed Virtual Signalto-Interference-plus-Noise Ratio (DVSINR). Considering multiple users per cell and the backhaul limitations, the BSs rely on local CSI to solve the user selection problem. First we investigate how the signal-to-noise-ratio (SNR) regime and the number of antennas at the BSs impact the effective channel gain (the magnitude of the channels after precoding) and its relationship with multiuser diversity. Considering that user selection must be based on the type of implemented precoding, we develop metrics of compatibility (estimations of the effective channel gains) that can be computed from local CSI at each BS and reported to the CU for scheduling decisions. Based on such metrics, we design user selection algorithms that can find a set of users that potentially maximizes the sum rate. Numerical results show the effectiveness of the proposed metrics and algorithms for different configurations of users and antennas at the base stations.

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.

An Extension of Estimation of Domain of Attraction for Fractional Order Linear System Subject to Saturation Control

This paper employs the Lyapunov direct method for the stability analysis of fractional order linear systems subject to input saturation. A new stability condition based on saturation function is adopted for estimating the domain of attraction via ellipsoid approach. To further improve this estimation, the auxiliary feedback is also supported by the concept of stability region. The advantages of the proposed method are twofold: (1) it is straightforward to handle the problem both in analysis and design because of using Lyapunov method, (2) the estimation leads to less conservative results. A numerical example illustrates the feasibility of the proposed method.