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.

Simulador para apoio ao ensino do código da estrada

Uma das ambições da sociedade atual é a obtenção da carta de condução, havendo cada vez mais jovens a tirar a sua carta mal atingem a idade mínima necessária. Muitos destes jovens envolvem-se em acidentes rodoviários, provavelmente devido à sua inexperiência e ao seu estilo de vida. Dados os problemas de inexperiência foi realizado um estudo de forma a averiguar se seria possível desenvolver uma ferramenta de modo a contribuir para uma melhoria do ensino do código da estrada, ajudando os atuais e futuros candidatos a condutor a sentirem-se mais bem preparados para quando adquirirem as suas licenças de condução. O objetivo principal do presente estudo focou-se no desenvolvimento de uma solução capaz de simular situações de trânsito permitindo ao instrutor de condução alterar os componentes da simulação, como veículos e sinalização, permitindo a criação de múltiplas situações de trânsito demonstrando aos seus alunos o modo correto de proceder quando confrontados com situações semelhantes. No final são apresentadas as conclusões retiradas do presente estudo, onde são retiradas as conclusões principais da analisa de resultados efetuada, permitindo verificar que a ferramenta desenvolvida é interessante para uma melhoria do ensino atual do código da estrada. No fim são apresentadas as perspetivas de trabalho futuro.

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

A presente tese descreve diferentes soluções que permitem a reutilização da energia recuperada em ascensores eléctricos de roda de aderência dotados de conversores electrónicos de frequência e dessa forma contribuir para a melhoria da eficiência energética nos ascensores. Nos ascensores, a energia potencial é constantemente transferida enquanto a cabina está em movimento. Se a cabina se estiver a movimentar em sentido descendente com plena carga, ou em sentido ascendente, mas vazia, o motor estará em modo gerador. Quando a cabina se movimenta em sentido descendente, e o peso na cabina é superior ao peso do contrapeso, então o binário do motor encontra-se em sentido contrário à velocidade, isto é, o motor está a travar, havendo lugar à recuperação de energia. Igualmente, se a cabina subir vazia, também se poderá recuperar energia eléctrica. A energia acumulada em forma de energia potencial nas pessoas e no contrapeso pode ser recuperada, dado que o motor estará a funcionar como um gerador. De modo a estudar a viabilidade técnica e económica das diferentes soluções foram realizadas medições a uma amostra representativa de ascensores eléctricos de roda de aderência. Esta amostra é constituída por 39 ascensores que estão instalados em diferentes tipos de edifícios e que pertencem a diferentes categorias de utilização, de acordo com a norma VDI 4707:2009. Para cada ascensor foi medida a energia consumida e a energia gerada para uma manobra completa – a descida e a subida da cabina sem carga. A partir das medições, e com base na norma VDI 4707:2009 foram calculados os valores anualizados de energia eléctrica consumidos e produzidos por cada ascensor. A partir das 5 hipóteses identificadas para a utilização da energia recuperada (carregamento de bateria para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentação dos circuitos em stand-by; carregamento de supercondensador para alimentar o barramento DC; reinjecção da energia no barramento DC de um conjunto de ascensores em grupo; reinjecção da energia na rede eléctrica do edifício onde o ascensor está instalado) foi realizada a avaliação técnica e a avaliação económico-financeira para cada um dos ascensores. Por último, foi desenvolvido um simulador que permite definir a solução de recuperação de energia que seja técnica e economicamente mais viável, para um dado ascensor eléctrico de roda de aderência instalado, mediante a introdução dos parâmetros técnicos do ascensor em avaliação.

Sistema de apoio ao utilizador de transportes públicos

Nos dias de hoje usar o transporte público para nos deslocarmos de uma determinada origem para um determinado destino é uma realidade na vida da maioria das pessoas. Muitas destas deslocações fazem parte da rotina diária do cidadão, que depende destes transportes para as suas atividades do dia-a-dia. Nos últimos anos, o número de cidadãos que usa os transportes públicos como meio de deslocação tem vindo a aumentar consideravelmente. Contudo, a maioria dos operadores de transportes públicos pecam pela falta de pontualidade dos seus serviços, e pela falta de informação disponível ao cidadão acerca dos horários dos mesmos em tempo real. Tendo este problema em conta, foi desenvolvida uma solução capaz de realizar uma previsão do tempo de chegada de um transporte público, ao longo de todo o seu serviço. Previsão essa que é atualizada ao longo do percurso de forma a reduzir a margem de erro da informação apresentada. Com esta informação o cidadão pode planear melhor o seu dia e decidir qual é a melhor altura para se deslocar para a paragem, evitando ao máximo a perda de tempo à espera do seu transporte público. A solução final foi desenvolvida com a ajuda da empresa BEWARE e teve como objetivo a criação de uma aplicação web capaz de apresentar os tempos de espera dos autocarros em diferentes tipos de vista, bem como o acompanhamento do mesmo ao longo do percurso. Toda a informação utilizada na aplicação web foi criada por dois serviços de apoio que efetuam o controlo do autocarro ao longo do percurso, bem como os cálculos da previsão dos tempos de espera. O projeto foi dividido em quatro constituintes que foram repetidas durante o desenvolvimento da solução. A primeira constou na análise do problema, no levantamento e definição dos requisitos. A segunda incluiu o desenvolvimento de um algoritmo capaz de validar a posição do autocarro ao longo do seu percurso, detetando a paragem onde este se encontra e a hora de chegada à mesma. A terceira abrangeu o desenvolvimento de um algoritmo capaz de prever o tempo de chegada de um autocarro às paragens definidas na sua rota, recorrendo ao histórico de viagens realizadas anteriormente. A quarta consistiu no desenvolvimento da aplicação web, implementando todas as funcionalidades necessárias para que a aplicação consiga realizar o acompanhamento do autocarro no percurso, a consulta dos tempos de chegada e da previsão dos tempos às paragens seguintes recorrendo a três tipos de vistas diferentes, e a possibilidade de agendar notificações de forma a receber no email as previsões dos tempos de chegada nos dias e horas mais significativos para o utilizador.

Implementação ESB numa unidade hospitalar. Uso normalizado de mensagens HL7

Atualmente, os sistemas de informação hospitalares têm de possibilitar uma utilização diferenciada pelos diferentes intervenientes, num cenário de constante adaptação e evolução. Para tal, é essencial a interoperabilidade entre os sistemas de informação do hospital e os diversos fornecedores de serviços, assim como dispositivos hospitalares. Apesar da necessidade de suportar uma heterogeneidade entre sistemas ser fundamental, o acesso/troca de informação deve ser feito de uma forma protocolada, segura e transparente. A infraestrutura de informação médica moderna consiste em muitos sistemas heterogéneos, com diversos mecanismos para controlar os dados subjacentes. Informações relativas a um único paciente podem estar dispersas por vários sistemas (ex: transferência de pacientes, readmissão, múltiplos tratamentos, etc.). Torna-se evidente a necessidade aceder a dados do paciente de forma consolidada a partir de diferentes locais. Desta forma, é fundamental utilizar uma arquitetura que promova a interoperabilidade entre sistemas. Para conseguir esta interoperabilidade, podem-se implementar camadas de “middleware” que façam a adaptação das trocas de informação entre os sistemas. Todavia, não resolvemos o problema subjacente, ou seja, a necessidade de utilização de um standard para garantir uma interacção fiável entre cliente/fornecedor. Para tal, é proposto uma solução que passa por um ESB dedicado para a área da saúde, denominada por HSB (Healthcare Service Bus). Entre as normas mais usuais nesta área devem-se salientar o HL7 e DICOM, esta última mais especificamente para dispositivos de imagem hospitalar, sendo a primeira utilizada para gestão e trocas de informação médica entre sistemas. O caso de estudo que serviu de base a esta dissertação é o de um hospital de média dimensão cujo sistema de informação começou por ser uma solução monolítica, de um só fornecedor. Com o passar dos anos, o fornecedor único desagregou-se em vários, independentes e concorrentes, dando lugar a um cenário extremamente preocupante em termos de manutenção e evolução futura do sistema de informação existente. Como resultado do trabalho efetuado, foi proposta uma arquitetura que permite a evolução do sistema atual de forma progressiva para um HSB puro.

Sinalização de Orientação em Estradas Integradas em Rede

A rede viária de um país proporciona, não só o encurtamento de distâncias como também o desenvolvimento social e económico. Assim, importa que em qualquer ponto do traçado o utilizador possa reconhecer, de forma inequívoca, o seu posicionamento em relação à via e ao seu destino. Neste propósito a sinalização assume um papel fundamental. Sinalização define-se como o interface entre a estrada e o condutor, tendo por base um sistema de comunicação, constituído por mensagens escritas ou simbólicas, que fornecem ao condutor uma correta perceção da estrada em que circula. Este facto, contribui para uma melhoria das condições de segurança rodoviária diminuindo a sua sinistralidade. A nível nacional a sinalização de orientação é regulada pela norma de sinalização vertical de orientação. Todavia identificou-se a necessidade de atualização desta, estando para isso eminente a publicação da versão definitiva da disposição normativa. De referir que ambas não possuem carácter obrigatório, mas constituem um manual de boas práticas na área. Com esta dissertação pretende-se conhecer, a viabilidade e as implicações inerentes à aplicação da disposição normativa, com especial enfoque na metodologia utilizada para a escolha dos destinos inscritos nos painéis de sinalização. Para isso procedeu-se a uma análise comparativa entre a norma de sinalização vertical de orientação e a disposição normativa, através do estudo de casos práticos. Nesse sentido, comparou-se os resultados teóricos obtidos pela aplicação das duas normas e o que, na realidade, se encontra no local. Associadamente procedeu-se a um estudo das normas aplicadas em países europeus de referencia com o intuito de verificar quais as práticas seguidas. Conclui-se, com esta dissertação, que a disposição normativa, pretensa atualização da norma em vigor, carece de diversas melhorias, de forma a proporcionar uma melhor adequação ao panorama rodoviário nacional e proporcionar a continuidade de sinalização orientação transfronteiriça.

Empreendedorismo feminino em Portugal

Dissertação apresentada ao Instituto Politécnico do Porto para obtenção do Grau de Mestre em Gestão das Organizações, Ramo Gestão de Empresas Orientada por Prof. Doutora Maria Clara Dias Pinto Ribeiro

A Green Approach for Selfish Misbehavior Detection in 802.11-Based Wireless Networks

IEEE 802.11 is one of the most well-established and widely used standard for wireless LAN. Its Medium Access control (MAC) layer assumes that the devices adhere to the standard’s rules and timers to assure fair access and sharing of the medium. However, wireless cards driver flexibility and configurability make it possible for selfish misbehaving nodes to take advantages over the other well-behaving nodes. The existence of selfish nodes degrades the QoS for the other devices in the network and may increase their energy consumption. In this paper we propose a green solution for selfish misbehavior detection in IEEE 802.11-based wireless networks. The proposed scheme works in two phases: Global phase which detects whether the network contains selfish nodes or not, and Local phase which identifies which node or nodes within the network are selfish. Usually, the network must be frequently examined for selfish nodes during its operation since any node may act selfishly. Our solution is green in the sense that it saves the network resources as it avoids wasting the nodes energy by examining all the individual nodes of being selfish when it is not necessary. The proposed detection algorithm is evaluated using extensive OPNET simulations. The results show that the Global network metric clearly indicates the existence of a selfish node while the Local nodes metric successfully identified the selfish node(s). We also provide mathematical analysis for the selfish misbehaving and derived formulas for the successful channel access probability.

A framework for memory contention analysis in multi-core platforms

The last decade has witnessed a major shift towards the deployment of embedded applications on multi-core platforms. However, real-time applications have not been able to fully benefit from this transition, as the computational gains offered by multi-cores are often offset by performance degradation due to shared resources, such as main memory. To efficiently use multi-core platforms for real-time systems, it is hence essential to tightly bound the interference when accessing shared resources. Although there has been much recent work in this area, a remaining key problem is to address the diversity of memory arbiters in the analysis to make it applicable to a wide range of systems. This work handles diverse arbiters by proposing a general framework to compute the maximum interference caused by the shared memory bus and its impact on the execution time of the tasks running on the cores, considering different bus arbiters. Our novel approach clearly demarcates the arbiter-dependent and independent stages in the analysis of these upper bounds. The arbiter-dependent phase takes the arbiter and the task memory-traffic pattern as inputs and produces a model of the availability of the bus to a given task. Then, based on the availability of the bus, the arbiter-independent phase determines the worst-case request-release scenario that maximizes the interference experienced by the tasks due to the contention for the bus. We show that the framework addresses the diversity problem by applying it to a memory bus shared by a fixed-priority arbiter, a time-division multiplexing (TDM) arbiter, and an unspecified work-conserving arbiter using applications from the MediaBench test suite. We also experimentally evaluate the quality of the analysis by comparison with a state-of-the-art TDM analysis approach and consistently showing a considerable reduction in maximum interference.

A framework for using real data with distributed low cost sensors

Currently, due to the widespread use of computers and the internet, students are trading libraries for the World Wide Web and laboratories with simulation programs. In most courses, simulators are made available to students and can be used to proof theoretical results or to test a developing hardware/product. Although this is an interesting solution: low cost, easy and fast way to perform some courses work, it has indeed major disadvantages. As everything is currently being done with/in a computer, the students are loosing the “feel” of the real values of the magnitudes. For instance in engineering studies, and mainly in the first years, students need to learn electronics, algorithmic, mathematics and physics. All of these areas can use numerical analysis software, simulation software or spreadsheets and in the majority of the cases data used is either simulated or random numbers, but real data could be used instead. For example, if a course uses numerical analysis software and needs a dataset, the students can learn to manipulate arrays. Also, when using the spreadsheets to build graphics, instead of using a random table, students could use a real dataset based, for instance, in the room temperature and its variation across the day. In this work we present a framework which uses a simple interface allowing it to be used by different courses where the computers are the teaching/learning process in order to give a more realistic feeling to students by using real data. A framework is proposed based on a set of low cost sensors for different physical magnitudes, e.g. temperature, light, wind speed, which are connected to a central server, that the students have access with an Ethernet protocol or are connected directly to the student computer/laptop. These sensors use the communication ports available such as: serial ports, parallel ports, Ethernet or Universal Serial Bus (USB). Since a central server is used, the students are encouraged to use sensor values results in their different courses and consequently in different types of software such as: numerical analysis tools, spreadsheets or simply inside any programming language when a dataset is needed. In order to do this, small pieces of hardware were developed containing at least one sensor using different types of computer communication. As long as the sensors are attached in a server connected to the internet, these tools can also be shared between different schools. This allows sensors that aren't available in a determined school to be used by getting the values from other places that are sharing them. Another remark is that students in the more advanced years and (theoretically) more know how, can use the courses that have some affinities with electronic development to build new sensor pieces and expand the framework further. The final solution provided is very interesting, low cost, simple to develop, allowing flexibility of resources by using the same materials in several courses bringing real world data into the students computer works.

A Generic and Compositional Framework for Multicore Response Time Analysis

23rd International Conference on Real-Time Networks and Systems (RTNS 2015). 4 to 6, Nov, 2015, Main Track. Lille, France. Best Paper Award Nominee

A multi-objective optimization of the active and reactive resource scheduling at a distribution level in a smart grid context

In the traditional paradigm, the large power plants supply the reactive power required at a transmission level and the capacitors and transformer tap changer were also used at a distribution level. However, in a near future will be necessary to schedule both active and reactive power at a distribution level, due to the high number of resources connected in distribution levels. This paper proposes a new multi-objective methodology to deal with the optimal resource scheduling considering the distributed generation, electric vehicles and capacitor banks for the joint active and reactive power scheduling. The proposed methodology considers the minimization of the cost (economic perspective) of all distributed resources, and the minimization of the voltage magnitude difference (technical perspective) in all buses. The Pareto front is determined and a fuzzy-based mechanism is applied to present the best compromise solution. The proposed methodology has been tested in the 33-bus distribution network. The case study shows the results of three different scenarios for the economic, technical, and multi-objective perspectives, and the results demonstrated the importance of incorporating the reactive scheduling in the distribution network using the multi-objective perspective to obtain the best compromise solution for the economic and technical perspectives.

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.

Message-oriented middleware for smart grids

In order to increase the efficiency in the use of energy resources, the electrical grid is slowly evolving into a smart(er) grid that allows users' production and storage of energy, automatic and remote control of appliances, energy exchange between users, and in general optimizations over how the energy is managed and consumed. One of the main innovations of the smart grid is its organization over an energy plane that involves the actual exchange of energy, and a data plane that regards the Information and Communication Technology (ICT) infrastructure used for the management of the grid's data. In the particular case of the data plane, the exchange of large quantities of data can be facilitated by a middleware based on a messaging bus. Existing messaging buses follow different data management paradigms (e.g.: request/response, publish/subscribe, data-oriented messaging) and thus satisfy smart grids' communication requirements at different extents. This work contributes to the state of the art by identifying, in existing standards and architectures, common requirements that impact in the messaging system of a data plane for the smart grid. The paper analyzes existing messaging bus paradigms that can be used as a basis for the ICT infrastructure of a smart grid and discusses how these can satisfy smart grids' requirements.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.