Combined heat and power and consumption optimization in a SCADA-based system

The operation of power systems in a Smart Grid (SG) context brings new opportunities to consumers as active players, in order to fully reach the SG advantages. In this context, concepts as smart homes or smart buildings are promising approaches to perform the optimization of the consumption, while reducing the electricity costs. This paper proposes an intelligent methodology to support the consumption optimization of an industrial consumer, which has a Combined Heat and Power (CHP) facility. A SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system developed by the authors is used to support the implementation of the proposed methodology. An optimization algorithm implemented in the system in order to perform the determination of the optimal consumption and CHP levels in each instant, according to the Demand Response (DR) opportunities. The paper includes a case study with several scenarios of consumption and heat demand in the context of a DR event which specifies a maximum demand level for the consumer.

Dimensionamento de uma central de miniprodução fotovoltaica para uma exploração agrícola direcionada à indústria de laticínios

Este documento apresenta o trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de “Dissertação/Projeto/Estágio”, do 2º ano do Mestrado em Energias Sustentáveis. O crescente consumo energético das sociedades desenvolvidas e emergentes, associado ao consequente aumento dos custos de energia e dos danos ambientais resultantes, promove o desenvolvimento de novas formas de produção de energia, as quais têm como prioridade a sua obtenção ao menor custo possível e com reduzidos impactos ambientais. De modo a poupar os recursos naturais e reduzir a emissão com gases de efeito de estufa, é necessária a diminuição do consumo de energia produzida a partir de combustíveis fósseis. Assim, devem ser criadas alternativas para um futuro sustentável, onde as fontes renováveis de energia assumam um papel fundamental. Neste sentido, a produção de energia elétrica, através de sistemas solares fotovoltaicos, surge como uma das soluções. A presente dissertação tem como principal objetivo a realização do dimensionamento de uma central de miniprodução fotovoltaica, com ligação à rede elétrica, em uma exploração agrícola direcionada à indústria de laticínios, e o seu respetivo estudo de viabilidade económica. A exploração agrícola, que serve de objeto de estudo, está localizada na Ilha Graciosa, Açores, sendo a potência máxima a injetar na Rede Elétrica de Serviço Público, pela central de miniprodução, de 10 kW. Para o dimensionamento foi utilizado um software apropriado e reconhecido na área da produção de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos – o PVsyst –, compreendendo as seguintes etapas: a) definição das caraterísticas do local e do projeto; b) seleção dos módulos fotovoltaicos; c) seleção do inversor; d) definição da potência de ligação à rede elétrica da unidade de miniprodução. Posteriormente, foram estudadas diferentes hipóteses de sistemas fotovoltaicos, que se distinguem na opção de estrutura de fixação utilizada: dois sistemas fixos e dois com eixo incorporado. No estudo de viabilidade económica foram realizadas duas análises distintas a cada um dos sistemas fotovoltaicos considerados no dimensionamento, nomeadamente: uma análise em regime remuneratório bonificado e uma análise em regime remuneratório geral. Os resultados obtidos nos indicadores económicos do estudo de viabilidade económica realizado, serviram de apoio à decisão pelo sistema fotovoltaico mais favorável ao investimento. Conclui-se que o sistema fotovoltaico com inclinação adicional é a opção mais vantajosa em ambos os regimes remuneratórios analisados. Comprova-se, assim, que o sistema fotovoltaico com maior valor de produção de energia elétrica anual, que corresponde ao sistema fotovoltaico de dois eixos, não é a opção com maior rentabilidade em termos económicos, isto porque a remuneração proveniente da sua produção excedente não é suficiente para colmatar o valor do investimento mais acentuado de modo a obter indicadores económicos mais favoráveis, que os do sistema fotovoltaico com inclinação adicional. De acordo com o estudo de viabilidade económica efetuado independentemente do sistema fotovoltaico que seja adotado, é recuperado o investimento realizado, sendo a remuneração efetiva superior à que foi exigida. Assim, mesmo tendo em consideração o risco associado, comprova-se que todos os sistemas fotovoltaicos, em qualquer dos regimes remuneratórios, correspondem a investimentos rentáveis.

Optimising the energy consumption on pultrusion process

This study is based on a previous experimental work in which embedded cylindrical heaters were applied to a pultrusion machine die, and resultant energetic performance compared with that achieved with the former heating system based on planar resistances. The previous work allowed to conclude that the use of embedded resistances enhances significantly the energetic performance of pultrusion process, leading to 57% decrease of energy consumption. However, the aforementioned study was developed with basis on an existing pultrusion die, which only allowed a single relative position for the heaters. In the present work, new relative positions for the heaters were investigated in order to optimise heat distribution process and energy consumption. Finite Elements Analysis was applied as an efficient tool to identify the best relative position of the heaters into the die, taking into account the usual parameters involved in the process and the control system already tested in the previous study. The analysis was firstly developed based on eight cylindrical heaters located in four different location plans. In a second phase, in order to refine the results, a new approach was adopted using sixteen heaters with the same total power. Final results allow to conclude that the correct positioning of the heaters can contribute to about 10% of energy consumption reduction, decreasing the production costs and leading to a better eco-efficiency of pultrusion process.

How to reduce energy consumption on pultrusion

The global warming due to high CO2 emission in the last years has made energy saving a global problem nowadays. However, manufacturing processes such as pultrusion necessarily needs heat for curing the resin. Then, the only option available is to apply all efforts to make the process even more efficient. Different heating systems have been used on pultrusion, however, the most widely used are the planar resistances. The main objective of this study is to develop another heating system and compares it with the former one. Thermography was used in spite of define the temperature profile along the die. FEA (finite element analysis) allows to understand how many energy is spend with the initial heating system. After this first approach, changes were done on the die in order to test the new heating system and to check possible quality problems on the product. Thus, this work allows to conclude that with the new heating system a significant reduction in the setup time is now possible and an energy reduction of about 57% was achieved.

Autoconsumo fotovoltaico, um elemento de eficiência energética. Caso de estudo: ISEP

Mestrado em Energias Sustentáveis

Consumers Performance Evaluation of the Participation in Demand Response Programs Using Baseline Methods

Demand response has gain increasing importance in the context of competitive electricity markets environment. The use of demand resources is also advantageous in the context of smart grid operation. In addition to the need of new business models for integrating demand response, adequate methods are necessary for an accurate determination of the consumers’ performance evaluation after the participation in a demand response event. The present paper makes a comparison between some of the existing baseline methods related to the consumers’ performance evaluation, comparing the results obtained with these methods and also with a method proposed by the authors of the paper. A case study demonstrates the application of the referred methods to real consumption data belonging to a consumer connected to a distribution network.

Intelligent Micro Grid Management using a Multi-Agent approach

Recent changes in electricity markets (EMs) have been potentiating the globalization of distributed generation. With distributed generation the number of players acting in the EMs and connected to the main grid has grown, increasing the market complexity. Multi-agent simulation arises as an interesting way of analysing players’ behaviour and interactions, namely coalitions of players, as well as their effects on the market. MASCEM was developed to allow studying the market operation of several different players and MASGriP is being developed to allow the simulation of the micro and smart grid concepts in very different scenarios This paper presents a methodology based on artificial intelligence techniques (AI) for the management of a micro grid. The use of fuzzy logic is proposed for the analysis of the agent consumption elasticity, while a case based reasoning, used to predict agents’ reaction to price changes, is an interesting tool for the micro grid operator.

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.

Analysis of Consumption Data to Detect Commercial Losses Using Performance Evaluation Methods in a Smart Grid

Electric power networks, namely distribution networks, have been suffering several changes during the last years due to changes in the power systems operation, towards the implementation of smart grids. Several approaches to the operation of the resources have been introduced, as the case of demand response, making use of the new capabilities of the smart grids. In the initial levels of the smart grids implementation reduced amounts of data are generated, namely consumption data. The methodology proposed in the present paper makes use of demand response consumers’ performance evaluation methods to determine the expected consumption for a given consumer. Then, potential commercial losses are identified using monthly historic consumption data. Real consumption data is used in the case study to demonstrate the application of the proposed method.

Domestic Consumption Simulation and Management Using a Continuous Consumption Management and Optimization Algorithm

The recent changes concerning the consumers’ active participation in the efficient management of load devices for one’s own interest and for the interest of the network operator, namely in the context of demand response, leads to the need for improved algorithms and tools. A continuous consumption optimization algorithm has been improved in order to better manage the shifted demand. It has been done in a simulation and user-interaction tool capable of being integrated in a multi-agent smart grid simulator already developed, and also capable of integrating several optimization algorithms to manage real and simulated loads. The case study of this paper enhances the advantages of the proposed algorithm and the benefits of using the developed simulation and user interaction tool.

Optimization of Generation and Aggregated Consumption Shifting for Demand Response Programs Definition

The concept of demand response has drawing attention to the active participation in the economic operation of power systems, namely in the context of recent electricity markets and smart grid models and implementations. In these competitive contexts, aggregators are necessary in order to make possible the participation of small size consumers and generation units. The methodology proposed in the present paper aims to address the demand shifting between periods, considering multi-period demand response events. The focus is given to the impact in the subsequent periods. A Virtual Power Player operates the network, aggregating the available resources, and minimizing the operation costs. The illustrative case study included is based on a scenario of 218 consumers including generation sources.

A Learning Algorithm and System Approach to Address Exceptional Events in Domestic Consumption Management

The integration of the Smart Grid concept into the electric grid brings to the need for an active participation of small and medium players. This active participation can be achieved using decentralized decisions, in which the end consumer can manage loads regarding the Smart Grid needs. The management of loads must handle the users’ preferences, wills and needs. However, the users’ preferences, wills and needs can suffer changes when faced with exceptional events. This paper proposes the integration of exceptional events into the SCADA House Intelligent Management (SHIM) system developed by the authors, to handle machine learning issues in the domestic consumption context. An illustrative application and learning case study is provided in this paper.

Quantum-based Particle Swarm Optimization Application to Studies of Aggregated Consumption Shifting and Generation Scheduling in Smart Grids

Demand response programs and models have been developed and implemented for an improved performance of electricity markets, taking full advantage of smart grids. Studying and addressing the consumers’ flexibility and network operation scenarios makes possible to design improved demand response models and programs. The methodology proposed in the present paper aims to address the definition of demand response programs that consider the demand shifting between periods, regarding the occurrence of multi-period demand response events. The optimization model focuses on minimizing the network and resources operation costs for a Virtual Power Player. Quantum Particle Swarm Optimization has been used in order to obtain the solutions for the optimization model that is applied to a large set of operation scenarios. The implemented case study illustrates the use of the proposed methodology to support the decisions of the Virtual Power Player in what concerns the duration of each demand response event.

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.

A eficiência energética nas redes de telecomunicações e tecnologias de informação e comunicação

A presente tese pretende fazer uma abordagem ao crescimento dos consumos de energia elétrica, que se tem verificado, nos últimos anos, no setor das telecomunicações e das tecnologias de informação; devido ao constante crescimento das redes, dos equipamentos a ela ligados e do tráfego que nelas transita. Num contexto de globalização da economia, no qual, as redes de telecomunicações e de energia elétrica são dois dos maiores contribuintes, a presente tese procura encontrar enquadramentos e soluções para um dos maiores desafios que a humanidade enfrenta atualmente, e que em parte, é consequente dessa globalização: encontrar novas fontes e formas de utilização da energia, -particularmente da energia elétrica - para que a humanidade continue a usufruir, de uma forma sustentável, dos benefícios que a mesma proporciona. Na primeira parte, procura-se fazer uma abordagem que utiliza fontes de informação e conhecimento, do mercado global, nomeadamente, entidades reguladoras e normalizadoras, operadores, fornecedores de tecnologias e consumidores, que abrangessem os três maiores mercados mundiais – União Europeia, Estados Unidos da América e Ásia-Pacífico. Considerou-se fundamental fazê-lo, por se tratar de uma dissertação no âmbito de um Mestrado com o selo de garantia EUR-ACE. Ao longo da dissertação analisou-se a temática da eficiência energética nas redes de telecomunicações e das tecnologias de informação e comunicação, um tema cada vez mais pertinente, já que o número de pessoas com ligações à Internet, já supera os 3 mil milhões, e as redes passaram a ser o meio por onde são transmitidos, a cada segundo, terabytes de sinais de voz, dados e vídeo. Procurou-se encontrar as linhas de orientação que estão a ser traçadas, para otimizar os consumos energéticos, de um complexo sistema convergente de redes e serviços, formado por entidades reguladoras e normalizadoras, operadores, fornecedores de tecnologias e consumidores, onde nem sempre as fronteiras estão perfeitamente definidas. Perante a constatação da realidade exposta, analisou-se as políticas energéticas desenvolvidas nos últimos anos, pelos vários players do mercado das telecomunicações, das tecnologias de informação e dos sistemas elétricos de energia bem como algumas métricas e objetivos comumente aceites. viii São analisados os contributos das partes interessadas, para o desenvolvimento de políticas energéticas eficazes, por forma a permitirem uma implementação, que considere o funcionamento dos equipamentos como um todo, e não de uma forma isolada como tradicionalmente o assunto era abordado. As especificidades na forma como funcionam as redes de telecomunicações e respetivos equipamentos, são expostas sobre várias óticas, comprovando-se que a temática da eficiência energética é uma das áreas mais difíceis lidar, de todas as consideradas nas políticas energéticas. Demonstrou-se que muitos dos equipamentos não estão otimizados em termos de gestão de energia, procurou-se evidenciar as consequências dessa realidade, uma vez que os equipamentos referidos, têm a necessidade de estar permanentemente a ser alimentados pela rede de energia elétrica, para garantir as funções para que foram projetados. Da pesquisa efetuada e descrita ao longo da dissertação, constatamos o empenho de toda a comunidade científica, operadores e agências de energia e de telecomunicações, em resolver o problema, já que há a consciencialização de que o ritmo de crescimento da rede e equipamentos terminais, é superior ao registado na melhoria da eficiência energética dos vários componentes e equipamentos terminais. Na segunda parte do relatório da tese, procurou-se testar a aplicabilidade das normas e recomendações dos organismos que tutelam a atividade a nível global - algumas publicadas nos últimos 2 anos - a um caso prático. Um edifício hospitalar de média dimensão. Foi elaborada uma aplicação informática, que suportada numa metodologia padronizada, seja capaz de fazer a avaliação da eficiência energética dos equipamentos serviços de telecomunicações de informação e comunicação em funcionamento do hospital. Por dificuldades de disponibilidade dos responsáveis do edifício, os resultados ficaram aquém do esperado. Conseguiu-se desenhar a aplicação, inventariar-se apenas parte dos equipamentos. Demonstrou-se que, a forma como alguns equipamentos estão a ser utilizados, não cumprem regras de utilização racional e eficiente. Procurou-se sensibilizar alguns dos responsáveis, para a necessidade de alterar comportamentos e prosseguir o processo de inventariação, por forma, a que o trabalho iniciado atinja os objetivos propostos.