Reliable and Fast Hand-Offs in Low-Power Wireless Networks

Hand-off (or hand-over), the process where mobile nodes select the best access point available to transfer data, has been well studied in wireless networks. The performance of a hand-off process depends on the specific characteristics of the wireless links. In the case of low-power wireless networks, hand-off decisions must be carefully taken by considering the unique properties of inexpensive low-power radios. This paper addresses the design, implementation and evaluation of smart-HOP, a hand-off mechanism tailored for low-power wireless networks. This work has three main contributions. First, it formulates the hard hand-off process for low-power networks (such as typical wireless sensor networks - WSNs) with a probabilistic model, to investigate the impact of the most relevant channel parameters through an analytical approach. Second, it confirms the probabilistic model through simulation and further elaborates on the impact of several hand-off parameters. Third, it fine-tunes the most relevant hand-off parameters via an extended set of experiments, in a realistic experimental scenario. The evaluation shows that smart-HOP performs well in the transitional region while achieving more than 98 percent relative delivery ratio and hand-off delays in the order of a few tens of a milliseconds.

Estudo e análise das centrais híbridas de energias renováveis

Com o aumento do preço da eletricidade e o fim dos combustíveis fósseis, associados à necessidade de Portugal reduzir a sua dependência energética do exterior, provoca a necessidade urgente de apostar nas energias renováveis. Perante este cenário, e assumindo que o custo da fatura energética, é para as empresas portuguesas um fator cada vez mais determinante para serem competitivas, devido aos aumentos consecutivos da energia nos últimos anos, bem como, a subida do imposto de valor acrescentado (IVA) de 6% para 23%. Outro aspeto importante é a eficiência energética como instrumento para reduzir os consumos de eletricidade. Com estas duas medidas: utilização de energias renováveis e o aumento da eficiência energética, são extremamente importantes para a redução da produção dos gases de efeito estufa (GEE). Consequentemente, as empresas terão de investir na produção da própria energia a partir de fontes renováveis, de modo a proporcionar um desenvolvimento sustentável, associado à redução da fatura energética. Esta dissertação propõe o dimensionamento de um sistema híbrido composto por tecnologia fotovoltaica e eólica, com e sem armazenamento de energia em baterias, adequado para reduzir uma parte dos consumos de uma empresa enquadrada no sector dos plásticos. O dimensionamento deste sistema, foi efetuado com recurso à caracterização dos consumos da empresa através da recolha de dados e leituras no local da instalação. Paralelamente, foi efetuada uma pesquisa em diversos fabricantes, de modo a identificar qual o sistema mais indicado a adotar, considerando painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, inversores e baterias. Com base nos dados recolhidos na empresa e referentes ao potencial eólico e solar para o distrito do Porto, em conjunto com as características técnicas dos equipamentos selecionados, foi delineado o sistema híbrido utilizando para o efeito um software de simulação e otimização de sistemas híbridos, denominado Hybrid Optimization Model for Eletric Renewable (HOMER). São apresentadas várias simulações para as diversas configurações escolhidas e estudos comparativos entre si, com o objetivo de reduzir o consumo de eletricidade da rede. Adicionalmente, foram realizadas duas configurações apenas com tecnologia fotovoltaica, de modo a efetuar uma análise comparativa entre um sistema híbrido e outro apenas com uma fonte renovável. Os resultados apresentados focaram-se no desempenho diário, mensal e anual, bem como, a produção individual de cada tecnologia evidenciada. Por último, procedeu-se ao estudo da viabilidade técnico-económica das configurações.

Estudo comparativo entre o sistema convencional de arrefecimento e o arrefecedor evaporativo para os edifícios industriais portugueses

Em Portugal existem muitos espaços comerciais e industriais em que as necessidades térmicas de arrefecimento são muito superiores às necessidades de aquecimento devido aos ganhos internos que advêm da existência de equipamentos e da iluminação dos edifícios, assim como, da presença das pessoas. A instalação de sistemas convencionais de ar condicionado para espaços comerciais e industriais de grande dimensão está geralmente associada ao transporte de grandes caudais de ar, e consequentemente, a elevados consumos de energia primária, e também, elevados custos de investimento, de manutenção e de operação. O arrefecedor evaporativo é uma solução de climatização com elevada eficiência energética, cujo princípio de funcionamento promove a redução do consumo de energia primária nos edifícios. A metodologia utilizada baseou-se na criação de uma ferramenta informática de simulação do funcionamento de um protótipo de um arrefecedor evaporativo. Foi efetuada a modelação matemática das variáveis dinâmicas envolvidas, dos processos de transferência de calor e de massa, assim como dos balanços de energia que ocorrem no arrefecedor evaporativo. A ferramenta informática desenvolvida permite o dimensionamento do protótipo do arrefecedor evaporativo, sendo determinadas as caraterísticas técnicas (potência térmica, caudal, eficiência energética, consumo energético e consumo e água) de acordo com o tipo de edifício e com as condições climatéricas do ar exterior. Foram selecionados três dimensionamentos de arrefecedores evaporativos, representativos de condições reais de uma gama baixa, média e elevada de caudais de ar. Os resultados obtidos nas simulações mostram que a potência de arrefecimento (5,6 kW, 16,0 kW e 32,8 kW) e o consumo de água (8 l/h, 23,9 l/h e 48,96 l/h) aumentam com o caudal de ar do arrefecedor, 5.000 m3/h, 15.000 m3/h e 30.000 m3/h, respetivamente. A eficácia de permuta destes arrefecedores evaporativos, foi de 69%, 66% e 67%, respetivamente. Verificou-se que a alteração de zona climática de V1 para V2 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 20% no consumo de água, e que, a alteração de zona climática de V2 para V3 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 39% no consumo de água. O arrefecedor evaporativo apresenta valores de consumo de energia elétrica entre 40% a 80% inferiores aos dos sistemas de arrefecimento convencionais, sendo este efeito mais intenso quando a zona climática de verão se torna mais severa.

Otimização de consumo energético de equipamento de grande potência

Um dos princípios da Gestão é: “If you cannot measure it, you cannot improve it.” In The Economist – 26.Dez.2008, idea of 19th century English physicist Lord Kelvin. Embora seja uma afirmação aplicável à gestão económica, também pode ser utilizada no domínio da gestão da energia. Este trabalho surge da necessidade sentida pela empresa Continental - Industria Têxtil do Ave, S.A. em efetuar uma atualização dos seus standards de produção, minimizando os seus consumos de eletricidade e gás natural. Foi necessário efetuar o levantamento dos consumos em diversas máquinas e equipamentos industriais, caracterizando e analisando os consumos ao longo de todo o processo produtivo. Para o tratamento de dados recolhidos foi desenvolvida uma folha de cálculo em MS Office ExcelTM com metodologia adequada ao equipamento em análise, que dará apoio ao decisor para a identificação dos aspetos que melhorem o processo produtivo e garantam uma elevada eficiência energética. Porém, não se enquadra no âmbito do Plano Nacional de Racionalização de Energia, sendo uma “auditoria energética” ao processo produtivo. Recentemente, a empresa, tem vindo a utilizar equipamentos eletrónicos que permitem otimizar o funcionamento mecânico dos equipamentos e das potências instaladas dos transformadores, na tentativa de racionalizar o consumo da energia elétrica. Outros equipamentos como, conversores de frequência para controlo de motores, balastros eletrónicos que substituem os convencionais balastros ferromagnéticos das lâmpadas de descarga fluorescente, têm sido incluídos ao nível das instalações elétricas, sendo gradualmente substituída a eletromecânica pela eletrónica. Este tipo de soluções vem deteriorar as formas de onda da corrente e da tensão do sistema pela introdução de distorções harmónicas. Faz ainda parte deste trabalho, um estudo de uma solução que melhore, simultaneamente o fator de potência e reduza as harmónicas presentes num posto de transformação localizado no seio da fábrica. Esta solução, permite melhorar a qualidade da energia elétrica e as condições de continuidade de serviço, garantindo melhores condições de exploração e incrementando a produtividade da empresa.

Sistema de monitorização da qualidade e consumo de energia elétrica

A racionalização do consumo de energia elétrica é um tema que assume uma importância crescente nos dias de hoje. O elevado consumo de energia, principalmente a nível comercial/industrial, tem motivado o aparecimento de questões políticas, económico-sociais e ambientais que visam a sensibilização dos consumidores para a gestão eficiente dos seus recursos. Neste sentido, as empresas e instituições têm demonstrado interesse em encontrar soluções de gestão nas suas instalações elétricas que permitam a monitorização de indicadores e a previsão de falhas cuja ocorrência acarreta elevados custos de reparação/substituição, de paragem de produção, entre outros. O estudo aqui apresentado surge no âmbito de um projeto académico, cuja finalidade se prende com a implementação de um sistema de monitorização da qualidade e consumo de energia elétrica no Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Baseado numa rede de dispositivos analisadores de parâmetros de energia elétrica, estes equipamentos de medição dispõem de software próprio, o GridVis, que permite o acesso remoto, através de uma rede Ethernet, aos parâmetros de energia (grandezas físicas elétricas). O sistema desenvolvido é capaz de identificar parâmetros de consumo de energia anómalos e emitir alertas, pré-programados em linguagem C++ e diagrama de blocos. Permite, por exemplo, detetar um consumo instantâneo excessivo de energia e alertar a sua ocorrência. As páginas de acesso aos parâmetros medidos por cada dispositivo são acessíveis através de uma interface gráfica desenvolvida em Adobe Flash que inclui, de uma forma simples e organizada, a informação relativa à distribuição dos dispositivos de medição. Num contexto de expansão deste projeto para outros edifícios do ISEP, a solução desenvolvida encontra-se preparada para ser adaptada em qualquer local, desde que reúna certos requisitos.

Virtual Power Player Using Demand Response to Deal with Unexpected Low Wind Power Generation

Demand response is assumed as an essential resource to fully achieve the smart grids operating benefits, namely in the context of competitive markets and of the increasing use of renewable-based energy sources. Some advantages of Demand Response (DR) programs and of smart grids can only be achieved through the implementation of Real Time Pricing (RTP). The integration of the expected increasing amounts of distributed energy resources, as well as new players, requires new approaches for the changing operation of power systems. The methodology proposed in this paper aims the minimization of the operation costs in a distribution network operated by a virtual power player that manages the available energy resources focusing on hour ahead re-scheduling. When facing lower wind power generation than expected from day ahead forecast, demand response is used in order to minimize the impacts of such wind availability change. In this way, consumers actively participate in regulation up and spinning reserve ancillary services through demand response programs. Real time pricing is also applied. The proposed model is especially useful when actual and day ahead wind forecast differ significantly. Its application is illustrated in this paper implementing the characteristics of a real resources conditions scenario in a 33 bus distribution network with 32 consumers and 66 distributed generators.

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.

Maximizing the Social Welfare of Virtual Power Players Operation in Case of Excessive Wind Power

The integration of growing amounts of distributed generation in power systems, namely at distribution networks level, has been fostered by energy policies in several countries around the world, including in Europe. This intensive integration of distributed, non-dispatchable, and natural sources based generation (including wind power) has caused several changes in the operation and planning of power systems and of electricity markets. Sometimes the available non-dispatchable generation is higher than the demand. This generation must be used; otherwise it is wasted if not stored or used to supply additional demand. New policies and market rules, as well as new players, are needed in order to competitively integrate all the resources. The methodology proposed in this paper aims at the maximization of the social welfare in a distribution network operated by a virtual power player that aggregates and manages the available energy resources. When facing a situation of excessive non-dispatchable generation, including wind power, real time pricing is applied in order to induce the increase of consumption so that wind curtailment is minimized. This method is especially useful when actual and day-ahead resources forecast differ significantly. The distribution network characteristics and concerns are addressed by including the network constraints in the optimization model. The proposed methodology has been implemented in GAMS optimization tool and its application is illustrated in this paper using a real 937-bus distribution network with 20.310 consumers and 548 distributed generators, some of them non-dispatchable and with must take contracts. The implemented scenario corresponds to a real day in Portuguese power system.

Energy resources management in three distinct time horizons considering a large variation in wind power

The intensive use of distributed generation based on renewable resources increases the complexity of power systems management, particularly the short-term scheduling. Demand response, storage units and electric and plug-in hybrid vehicles also pose new challenges to the short-term scheduling. However, these distributed energy resources can contribute significantly to turn the shortterm scheduling more efficient and effective improving the power system reliability. This paper proposes a short-term scheduling methodology based on two distinct time horizons: hour-ahead scheduling, and real-time scheduling considering the point of view of one aggregator agent. In each scheduling process, it is necessary to update the generation and consumption operation, and the storage and electric vehicles status. Besides the new operation condition, more accurate forecast values of wind generation and consumption are available, for the resulting of short-term and very short-term methods. In this paper, the aggregator has the main goal of maximizing his profits while, fulfilling the established contracts with the aggregated and external players.

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.

Virtual Power Players Internal Negotiation and Management in MASCEM

Electricity Markets are not only a new reality but an evolving one as the involved players and rules change at a relatively high rate. Multi-agent simulation combined with Artificial Intelligence techniques may result in very helpful sophisticated tools. This paper presents a new methodology for the management of coalitions in electricity markets. This approach is tested using the multi-agent market simulator MASCEM (Multi-Agent Simulator of Competitive Electricity Markets), taking advantage of its ability to provide the means to model and simulate Virtual Power Players (VPP). VPPs are represented as coalitions of agents, with the capability of negotiating both in the market and internally, with their members in order to combine and manage their individual specific characteristics and goals, with the strategy and objectives of the VPP itself. A case study using real data from the Iberian Electricity Market is performed to validate and illustrate the proposed approach.

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.

Reactive power management strategies in future smart grids

The reactive power management in distribution network with large penetration of distributed energy resources is an important task in future power systems. The control of reactive power allows the inclusion of more distributed recourses and a more efficient operation of distributed network. Currently, the reactive power is only controlled in large power plants and in high and very high voltage substations. In this paper, several reactive power control strategies considering a smart grids paradigm are proposed. In this context, the management of distributed energy resources and of the distribution network by an aggregator, namely Virtual Power Player (VPP), is proposed and implemented in a MAS simulation tool. The proposed methods have been computationally implemented and tested using a 32-bus distribution network with intensive use of distributed resources, mainly the distributed generation based on renewable resources. Results concerning the evaluation of the reactive power management algorithms are also presented and compared.

Increase of the Delivered Power Probability in Distribution Networks using Pareto DC Programming

A methodology to increase the probability of delivering power to any load point through the identification of new investments in distribution network components is proposed in this paper. The method minimizes the investment cost as well as the cost of energy not supplied in the network. A DC optimization model based on mixed integer non-linear programming is developed considering the Pareto front technique in order to identify the adequate investments in distribution networks components which allow increasing the probability of delivering power for any customer in the distribution system at the minimum possible cost for the system operator, while minimizing the energy not supplied cost. Thus, a multi-objective problem is formulated. To illustrate the application of the proposed methodology, the paper includes a case study which considers a 180 bus distribution network