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.

Constrained Consumption Shifting Management in the Distributed Energy Resources Scheduling Considering Demand Response

Demand response concept has been gaining increasing importance while the success of several recent implementations makes this resource benefits unquestionable. This happens in a power systems operation environment that also considers an intensive use of distributed generation. However, more adequate approaches and models are needed in order to address the small size consumers and producers aggregation, while taking into account these resources goals. The present paper focuses on the demand response programs and distributed generation resources management by a Virtual Power Player that optimally aims to minimize its operation costs taking the consumption shifting constraints into account. The impact of the consumption shifting in the distributed generation resources schedule is also considered. The methodology is applied to three scenarios based on 218 consumers and 4 types of distributed generation, in a time frame of 96 periods.

Distributed Energy Resources Management using Plug-in Hybrid Electric Vehicles as a Fuel-Shifting Demand Response Resource

In the smart grids context, distributed energy resources management plays an important role in the power systems’ operation. Battery electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles should be important resources in the future distribution networks operation. Therefore, it is important to develop adequate methodologies to schedule the electric vehicles’ charge and discharge processes, avoiding network congestions and providing ancillary services. This paper proposes the participation of plug-in hybrid electric vehicles in fuel shifting demand response programs. Two services are proposed, namely the fuel shifting and the fuel discharging. The fuel shifting program consists in replacing the electric energy by fossil fuels in plug-in hybrid electric vehicles daily trips, and the fuel discharge program consists in use of their internal combustion engine to generate electricity injecting into the network. These programs are included in an energy resources management algorithm which integrates the management of other resources. The paper presents a case study considering a 37-bus distribution network with 25 distributed generators, 1908 consumers, and 2430 plug-in vehicles. Two scenarios are tested, namely a scenario with high photovoltaic generation, and a scenario without photovoltaic generation. A sensitivity analyses is performed in order to evaluate when each energy resource is required.

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.

Real-Time Simulation of energy Management in a Domestic Consumer

Recent and future changes in power systems, mainly in the smart grid operation context, are related to a high complexity of power networks operation. This leads to more complex communications and to higher network elements monitoring and control levels, both from network’s and consumers’ standpoint. The present work focuses on a real scenario of the LASIE laboratory, located at the Polytechnic of Porto. Laboratory systems are managed by the SCADA House Intelligent Management (SHIM), already developed by the authors based on a SCADA system. The SHIM capacities have been recently improved by including real-time simulation from Opal RT. This makes possible the integration of Matlab®/Simulink® real-time simulation models. The main goal of the present paper is to compare the advantages of the resulting improved system, while managing the energy consumption of a domestic consumer.

Distributed energy resources scheduling considering real-time resources forecast

Energy resource scheduling is becoming increasingly important, such as the use of more distributed generators and electric vehicles connected to the distribution network. This paper proposes a methodology to be used by Virtual Power Players (VPPs), regarding the energy resource scheduling in smart grids and considering day-ahead, hour-ahead and realtime time horizons. This method considers that energy resources are managed by a VPP which establishes contracts with their owners. The full AC power flow calculation included in the model takes into account network constraints. In this paper, distribution function errors are used to simulate variations between time horizons, and to measure the performance of the proposed methodology. A 33-bus distribution network with large number of distributed resources is used.

Real-time Energy Resource Scheduling considering a Real Portuguese Scenario

The development in power systems and the introduction of decentralized generation and Electric Vehicles (EVs), both connected to distribution networks, represents a major challenge in the planning and operation issues. This new paradigm requires a new energy resources management approach which considers not only the generation, but also the management of loads through demand response programs, energy storage units, EVs and other players in a liberalized electricity markets environment. This paper proposes a methodology to be used by Virtual Power Players (VPPs), concerning the energy resource scheduling in smart grids, considering day-ahead, hour-ahead and real-time scheduling. The case study considers a 33-bus distribution network with high penetration of distributed energy resources. The wind generation profile is based on a real Portuguese wind farm. Four scenarios are presented taking into account 0, 1, 2 and 5 periods (hours or minutes) ahead of the scheduling period in the hour-ahead and realtime scheduling.

Smart meters as a tool for energy efficiency

Gradually smart grids and smart meters are closer to the home consumers. Several countries has developed studies focused in the impacts arising from the introduction of these technologies and one of the main advantages are related to energy efficiency, observed through the awareness of the population on behalf of a more efficient consumption. These benefits are felt directly by consumers through the savings on electricity bills and also by the concessionaires through the minimization of losses in transmission and distribution, system stability, smaller loading during peak hours, among others. In this article two projects that demonstrate the potential energy savings through smart meters and smart grids are presented. The first performed in Korea, focusing on the installation of smart meters and the impact of use of user interfaces. The second performed in Portugal, focusing on the control of loads in a residence with distributed generation.

A New Heuristic Providing an Effective Initial Solution for a Simulated Annealing approach to Energy Resource Scheduling in Smart Grids

An intensive use of dispersed energy resources is expected for future power systems, including distributed generation, especially based on renewable sources, and electric vehicles. The system operation methods and tool must be adapted to the increased complexity, especially the optimal resource scheduling problem. Therefore, the use of metaheuristics is required to obtain good solutions in a reasonable amount of time. This paper proposes two new heuristics, called naive electric vehicles charge and discharge allocation and generation tournament based on cost, developed to obtain an initial solution to be used in the energy resource scheduling methodology based on simulated annealing previously developed by the authors. The case study considers two scenarios with 1000 and 2000 electric vehicles connected in a distribution network. The proposed heuristics are compared with a deterministic approach and presenting a very small error concerning the objective function with a low execution time for the scenario with 2000 vehicles.

Energy Resource Management under the Influence of the Weekend Transition Considering an Intensive use of Electric Vehicles

Energy resource scheduling is becoming increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and of massive electric vehicle is envisaged. The present paper proposes a methodology for day-ahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and Vehicle-to-Grid (V2G). This method considers that the energy resources are managed by a Virtual Power Player (VPP) which established contracts with their owners. It takes into account these contracts, the users' requirements subjected to the VPP, and several discharge price steps. The full AC power flow calculation included in the model takes into account network constraints. The influence of the successive day requirements on the day-ahead optimal solution is discussed and considered in the proposed model. A case study with a 33-bus distribution network and V2G is used to illustrate the good performance of the proposed method.

Contextual and Environmental Awareness Laboratory for Energy Consumption Management

The recent changes on power systems paradigm requires the active participation of small and medium players in energy management. With an electricity price fluctuation these players must manage the consumption. Lowering costs and ensuring adequate user comfort levels. Demand response can improve the power system management and bring benefits for the small and medium players. The work presented in this paper, which is developed aiming the smart grid context, can also be used in the current power system paradigm. The proposed system is the combination of several fields of research, namely multi-agent systems and artificial neural networks. This system is physically implemented in our laboratories and it is used daily by researchers. The physical implementation gives the system an improvement in the proof of concept, distancing itself from the conventional systems. This paper presents a case study illustrating the simulation of real-time pricing in a laboratory.

Resource Scheduling in Residential Microgrids Considering Energy Selling to External Players

The operation of distribution networks has been facing changes with the implementation of smart grids and microgrids, and the increasing use of distributed generation. The specific case of distribution networks that accommodate residential buildings, small commerce, and distributed generation as the case of storage and PV generation lead to the concept of microgrids, in the cases that the network is able to operate in islanding mode. The microgrid operator in this context is able to manage the consumption and generation resources, also including demand response programs, obtaining profits from selling electricity to the main network. The present paper proposes a methodology for the energy resource scheduling considering power flow issues and the energy buying and selling from/to the main network in each bus of the microgrid. The case study uses a real distribution network with 25 bus, residential and commercial consumers, PV generation, and storage.

Dimensionamento do Sistema Híbrido para Alimentação de Energia Elétrica da Escola Rural de Nangade (Cabo Delgado)

Os combustíveis fósseis, como o carvão, o petróleo e o gás, constituem fontes de energia que em breve se esgotarão e que são demasiado caras para serem desperdiçadas pelas centrais elétricas na produção de electricidade. Para além desse facto, existem outros argumentos (sobretudo económicos) que inviabilizam a utilização destas fontes de energia em algumas regiões, abrindo caminho a fontes de energia alternativas (e.g. solar, eólica, biomassa, mini-hídricas, geotérmicas, etc) e preferencialmente com contornos locais. No caso particular de Moçambique, tem-se verificado um interesse crescente por parte do governo e de várias ONGs na promoção do uso de energias alternativas para as zonas onde a energia convencional não chega e não chegará, devido aos custos muito elevados que esse processo acarretaria. Esta dissertação apresenta um estudo aprofundado do dimensionamento dum sistema híbrido de geração de energia elétrica envolvendo gerador FV e grupo eletrogéneo de emergência para a Escola Rural da Nangade, situada no Distrito de Nangade, na Província do Cabo Delgado. São também descritos os diversos componentes e as tecnologias associadas a um sistema deste género, com a inclusão de sistemas inteligentes de controlo de energia com a utilização de inversores bidireccionais (inversores de bateria e carregadores) para sistemas isolados. Os resultados são apresentados de forma a facilitar a aplicação e montagem deste tipo de sistemas in loco. Espera-se que esta dissertação possa servir de base no futuro próximo, para a implementação deste tipo de sistemas para permitir a melhoria da qualidade de ensino através de melhores infraestruturas, democratizando desta forma o acesso à educação para as crianças das zonas rurais das várias províncias de Moçambique. Como as energias renováveis são parte integrante do Sistema Elétrico Nacional, apresenta-se resumidamente, no anexo 17, o “Plano de Desenvolvimento na Área de Energia de Moçambique”.

Reformulação de um Sistema de Gestão de Consumos de Energia

Atualmente a energia é considerada um vetor estratégico nas diversas organizações. Assim sendo, a gestão e a utilização racional da energia são consideradas instrumentos fundamentais para a redução dos consumos associados aos processos de produção do sector industrial. As ações de gestão energética não deverão ficar pela fase do projeto das instalações e dos meios de produção, mas sim acompanhar a atividade da Empresa. A gestão da energia deve ser sustentada com base na realização regular de diagnósticos energéticos às instalações consumidoras e concretizada através de planos de atuação e de investimento que apresentem como principal objetivo a promoção da eficiência energética, conduzindo assim à redução dos respetivos consumos e, consequentemente, à redução da fatura energética. Neste contexto, a utilização de ferramentas de apoio à gestão de energia promovem um consumo energético mais racional, ou seja, promovem a eficiência energética e é neste sentido que se insere este trabalho. O presente trabalho foi desenvolvido na Empresa RAR Açúcar e apresentou como principais objetivos: a reformulação do Sistema de Gestão de Consumos de Energia da Empresa, a criação de um modelo quantitativo que permitisse ao Gestor de Energia prever os consumos anuais de água, fuelóleo e eletricidade da Refinaria e a elaboração de um plano de consumos para o ano de 2014 a partir do modelo criado. A reformulação do respetivo Sistema de Gestão de Consumos resultou de um conjunto de etapas. Numa primeira fase foi necessário efetuar uma caraterização e uma análise do atual Sistema de Gestão de Consumos da Empresa, sistema composto por um conjunto de sete ficheiros de cálculo do programa Microsoft Excel©. Terminada a análise, selecionada a informação pertinente e propostas todas as melhorias a introduzir nos ficheiros, procedeu-se à reformulação do respetivo SGE, reduzindo-se o conjunto de ficheiros de cálculo para apenas dois ficheiros, um onde serão efetuados e visualizados todos os registos e outro onde serão realizados os cálculos necessários para o controlo energético da Empresa. O novo Sistema de Gestão de Consumos de Energia será implementado no início do ano de 2015. Relativamente às alterações propostas para as folhas de registos manuais, estas já foram implementadas pela Empresa. Esta aplicação prática mostrou-se bastante eficiente uma vez que permitiu grandes melhorias processuais nomeadamente, menores tempos de preenchimento das mesmas e um encurtamento das rotas efetuadas diariamente pelos operadores. Através do levantamento efetuado aos diversos contadores foi possível identificar todas as áreas onde será necessário a sua instalação e a substituição de todos os contadores avariados, permitindo deste modo uma contabilização mais precisa de todos os consumos da Empresa. Com esta reestruturação o Sistema de Gestão de Consumos tornou-se mais dinâmico, mais claro e, principalmente, mais eficiente. Para a criação do modelo de previsão de consumos da Empresa foi necessário efetuar-se um levantamento dos consumos históricos de água, eletricidade, fuelóleo e produção de açúcar de dois anos. Após este levantamento determinaram-se os consumos específicos de água, fuelóleo e eletricidade diários (para cada semana dos dois anos) e procedeu-se à caracterização destes consumos por tipo de dia. Efetuada a caracterização definiu-se para cada tipo de dia um consumo específico médio com base nos dois anos. O modelo de previsão de consumos foi criado com base nos consumos específicos médios dos dois anos correspondentes a cada tipo de dia. Procedeu-se por fim à verificação do modelo, comparando-se os consumos obtidos através do modelo (consumos previstos) com os consumos reais de cada ano. Para o ano de 2012 o modelo apresenta um desvio de 6% na previsão da água, 12% na previsão da eletricidade e de 6% na previsão do fuelóleo. Em relação ao ano de 2013, o modelo apresenta um erro de 1% para a previsão dos consumos de água, 8% para o fuelóleo e de 1% para a eletricidade. Este modelo permitirá efetuar contratos de aquisição de energia elétrica com maior rigor o que conduzirá a vantagens na sua negociação e consequentemente numa redução dos custos resultantes da aquisição da mesma. Permitirá também uma adequação dos fluxos de tesouraria à necessidade reais da Empresa, resultante de um modelo de previsão mais rigoroso e que se traduz numa mais-valia financeira para a mesma. Foi também proposto a elaboração de um plano de consumos para o ano de 2014 a partir do modelo criado em função da produção prevista para esse mesmo ano. O modelo apresenta um desvio de 24% na previsão da água, 0% na previsão da eletricidade e de 28% na previsão do fuelóleo.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.