Energy resource scheduling considering reactive power management

The reactive power management is an important task in future power systems. The control of reactive power allows the increase of distributed energy resources penetration as well as the optimal operation of distribution networks. Currently, the control of reactive power is only controlled in large power units and in high and very high voltage substations. In this paper a reactive power control in smart grids paradigm is proposed, considering the management of distributed energy resources and of the distribution network by an aggregator namely Virtual Power Player (VPP).

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.

Towards the wide implementation of standards IEC 61968/70 (CIM) and IEC 61850 in the distribution system (CIGRÉ C6-105_2010)

Currently, power systems (PS) already accommodate a substantial penetration of distributed generation (DG) and operate in competitive environments. In the future, as the result of the liberalisation and political regulations, PS will have to deal with large-scale integration of DG and other distributed energy resources (DER), such as storage and provide market agents to ensure a flexible and secure operation. This cannot be done with the traditional PS operational tools used today like the quite restricted information systems Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) [1]. The trend to use the local generation in the active operation of the power system requires new solutions for data management system. The relevant standards have been developed separately in the last few years so there is a need to unify them in order to receive a common and interoperable solution. For the distribution operation the CIM models described in the IEC 61968/70 are especially relevant. In Europe dispersed and renewable energy resources (D&RER) are mostly operated without remote control mechanisms and feed the maximal amount of available power into the grid. To improve the network operation performance the idea of virtual power plants (VPP) will become a reality. In the future power generation of D&RER will be scheduled with a high accuracy. In order to realize VPP decentralized energy management, communication facilities are needed that have standardized interfaces and protocols. IEC 61850 is suitable to serve as a general standard for all communication tasks in power systems [2]. The paper deals with international activities and experiences in the implementation of a new data management and communication concept in the distribution system. The difficulties in the coordination of the inconsistent developed in parallel communication and data management standards - are first addressed in the paper. The upcoming unification work taking into account the growing role of D&RER in the PS is shown. It is possible to overcome the lag in current practical experiences using new tools for creating and maintenance the CIM data and simulation of the IEC 61850 protocol – the prototype of which is presented in the paper –. The origin and the accuracy of the data requirements depend on the data use (e.g. operation or planning) so some remarks concerning the definition of the digital interface incorporated in the merging unit idea from the power utility point of view are presented in the paper too. To summarize some required future work has been identified.

Setting target rotation time in PROFIBUS based real-time distributed applications

In this paper, we analyse the ability of Profibus fieldbus to cope with the real-time requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events must be made available within a maximum bound time. Our methodology is based on the knowledge of real-time traffic characteristics, setting the network parameters in order to cope with timing requirements. Since non-real-time traffic characteristics are usually unknown at the design stage, we consider an operational profile where, constraining non-real-time traffic at the application level, we assure that realtime requirements are met.

A communication support for real-time distributed computer controlled systems

In this paper, we analyse the ability of P-NET [1] fieldbus to cope with the timing requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events should be made available within a maximum bound time. The main objective of this work is to analyse how the network access and queueing delays, imposed by P-NET’s virtual token Medium Access Control (MAC) mechanism, affect the realtime behaviour of the supported DCCS.

Improving Assumption based Distributed Belief Revision

Belief revision is a critical issue in real world DAI applications. A Multi-Agent System not only has to cope with the intrinsic incompleteness and the constant change of the available knowledge (as in the case of its stand alone counterparts), but also has to deal with possible conflicts between the agents’ perspectives. Each semi-autonomous agent, designed as a combination of a problem solver – assumption based truth maintenance system (ATMS), was enriched with improved capabilities: a distributed context management facility allowing the user to dynamically focus on the more pertinent contexts, and a distributed belief revision algorithm with two levels of consistency. This work contributions include: (i) a concise representation of the shared external facts; (ii) a simple and innovative methodology to achieve distributed context management; and (iii) a reduced inter-agent data exchange format. The different levels of consistency adopted were based on the relevance of the data under consideration: higher relevance data (detected inconsistencies) was granted global consistency while less relevant data (system facts) was assigned local consistency. These abilities are fully supported by the ATMS standard functionalities.

Bancada didáctica para simulação de uma Unidade de Microgeração

Neste trabalho é desenvolvida uma bancada didáctica que permite simular o funcionamento de um sistema de microgeração. A bancada inclui uma máquina síncrona responsável pela geração de energia eléctrica acoplada a uma máquina de indução que simula a máquina primária. A máquina de indução é controlada por um sistema electrónico de controlo de potência (variador de velocidade) que permite manter constante a velocidade de rotação e consequentemente a frequência da tensão gerada pela máquina síncrona. Por sua vez, a excitação da máquina síncrona é controla por uma fonte de tensão externa. A parametrização e controlo do variador de velocidade, assim como o controlo da fonte de tensão externa, são feitos a partir dum software que corre num PC, que também monitoriza a tensão gerada pela máquina síncrona. Este software é ainda responsável pela interface com o utilizador. O software desenvolvido permite manter as características da tensão gerada pela máquina síncrona independentemente da carga imposta.

Industrial multimedia put into practice

Recent developments in the factory floor technologies together with the widespread use of TCP/IP and the Internet are increasing the eagerness to support a new wide class of devices and applications, such as industrial multimedia applications, in factory floor networks. This paper presents how this new field of applications can be put into practice, via a manufacturing cell field trial being implemented. This manufacturing automation field trial involves the use of traditional distributed computer control systems and 'factory-floor-oriented' multimedia (e.g. voice, video) application services.

An implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for time-sensitive wireless sensor networks: theory and practice

Timeliness guarantee is an important feature of the recently standardized IEEE 802.15.4 protocol, turning it quite appealing for Wireless Sensor Network (WSN) applications under timing constraints. When operating in beacon-enabled mode, this protocol allows nodes with real-time requirements to allocate Guaranteed Time Slots (GTS) in the contention-free period. The protocol natively supports explicit GTS allocation, i.e. a node allocates a number of time slots in each superframe for exclusive use. The limitation of this explicit GTS allocation is that GTS resources may quickly disappear, since a maximum of seven GTSs can be allocated in each superframe, preventing other nodes to benefit from guaranteed service. Moreover, the GTS may be underutilized, resulting in wasted bandwidth. To overcome these limitations, this paper proposes i-GAME, an implicit GTS Allocation Mechanism in beacon-enabled IEEE 802.15.4 networks. The allocation is based on implicit GTS allocation requests, taking into account the traffic specifications and the delay requirements of the flows. The i-GAME approach enables the use of one GTS by multiple nodes, still guaranteeing that all their (delay, bandwidth) requirements are satisfied. For that purpose, we propose an admission control algorithm that enables to decide whether to accept a new GTS allocation request or not, based not only on the remaining time slots, but also on the traffic specifications of the flows, their delay requirements and the available bandwidth resources. We show that our approach improves the bandwidth utilization as compared to the native explicit allocation mechanism defined in the IEEE 802.15.4 standard. We also present some practical considerations for the implementation of i-GAME, ensuring backward compatibility with the IEEE 801.5.4 standard with only minor add-ons. Finally, an experimental evaluation on a real system that validates our theoretical analysis and demonstrates the implementation of i-GAME is also presented

i-GAME: an implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for time-sensitive wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 Medium Access Control (MAC) protocol is an enabling technology for time sensitive wireless sensor networks thanks to its Guaranteed-Time Slot (GTS) mechanism in the beacon-enabled mode. However, the protocol only supports explicit GTS allocation, i.e. a node allocates a number of time slots in each superframe for exclusive use. The limitation of this explicit GTS allocation is that GTS resources may quickly disappear, since a maximum of seven GTSs can be allocated in each superframe, preventing other nodes to benefit from guaranteed service. Moreover, the GTSs may be only partially used, resulting in wasted bandwidth. To overcome these limitations, this paper proposes i-GAME, an implicit GTS Allocation Mechanism in beacon-enabled IEEE 802.15.4 networks. The allocation is based on implicit GTS allocation requests, taking into account the traffic specifications and the delay requirements of the flows. The i-GAME approach enables the use of a GTS by multiple nodes, while all their (delay, bandwidth) requirements are still satisfied. For that purpose, we propose an admission control algorithm that enables to decide whether to accept a new GTS allocation request or not, based not only on the remaining time slots, but also on the traffic specifications of the flows, their delay requirements and the available bandwidth resources. We show that our proposal improves the bandwidth utilization compared to the explicit allocation used in the IEEE 802.15.4 protocol standard. We also present some practical considerations for the implementation of i-GAME, ensuring backward compatibility with the IEEE 801.5.4 standard with only minor add-ons.

Using fractional derivatives for the joint ontrol of hexapod robots

This article studies several Fractional Order Control algorithms used for joint control of a hexapod robot. Both Padé and series approximations to the fractional derivative are considered for the control algorithm. The walking performance is evaluated through two indices: The mean absolute density of energy used per unit distance travelled, and the control effort. A set of simulation experiments reveals the influence of the different approximations upon the proposed indices. The results show that the fractional proportional and derivative algorithm, implemented using the Padé approximation with a small number of terms, gives the best results.

Consistency and Context Management in a Multi Agent Belief Revision Testbed

Multi-agent architectures are well suited for complex inherently distributed problem solving domains. From the many challenging aspects that arise within this framework, a crucial one emerges: how to incorporate dynamic and conflicting agent beliefs? While the belief revision activity in a single agent scenario is concentrated on incorporating new information while preserving consistency, in a multi-agent system it also has to deal with possible conflicts between the agents perspectives. To provide an adequate framework, each agent, built as a combination of an assumption based belief revision system and a cooperation layer, was enriched with additional features: a distributed search control mechanism allowing dynamic context management, and a set of different distributed consistency methodologies. As a result, a Distributed Belief Revision Testbed (DiBeRT) was developed. This paper is a preliminary report presenting some of DiBeRT contributions: a concise representation of external beliefs; a simple and innovative methodology to achieve distributed context management; and a reduced inter-agent data exchange format.

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”.

Análise de desempenho de algoritmos de otimização para extração de parâmetros em modelos semicondutores de potência

Apresenta-se nesta tese uma revisão da literatura sobre a modelação de semicondutores de potência baseada na física e posterior análise de desempenho de dois métodos estocásticos, Particle Swarm Optimizaton (PSO) e Simulated Annealing (SA), quando utilizado para identificação eficiente de parâmetros de modelos de dispositivos semicondutores de potência, baseado na física. O conhecimento dos valores destes parâmetros, para cada dispositivo, é fundamental para uma simulação precisa do comportamento dinâmico do semicondutor. Os parâmetros são extraídos passo-a-passo durante simulação transiente e desempenham um papel relevante. Uma outra abordagem interessante nesta tese relaciona-se com o facto de que nos últimos anos, os métodos de modelação para dispositivos de potência têm emergido, com alta precisão e baixo tempo de execução baseado na Equação de Difusão Ambipolar (EDA) para díodos de potência e implementação no MATLAB numa estratégia de optimização formal. A equação da EDA é resolvida numericamente sob várias condições de injeções e o modelo é desenvolvido e implementado como um subcircuito no simulador IsSpice. Larguras de camada de depleção, área total do dispositivo, nível de dopagem, entre outras, são alguns dos parâmetros extraídos do modelo. Extração de parâmetros é uma parte importante de desenvolvimento de modelo. O objectivo de extração de parâmetros e otimização é determinar tais valores de parâmetros de modelo de dispositivo que minimiza as diferenças entre um conjunto de características medidas e resultados obtidos pela simulação de modelo de dispositivo. Este processo de minimização é frequentemente chamado de ajuste de características de modelos para dados de medição. O algoritmo implementado, PSO é uma técnica de heurística de otimização promissora, eficiente e recentemente proposta por Kennedy e Eberhart, baseado no comportamento social. As técnicas propostas são encontradas para serem robustas e capazes de alcançar uma solução que é caracterizada para ser precisa e global. Comparada com algoritmo SA já realizada, o desempenho da técnica proposta tem sido testado utilizando dados experimentais para extrair parâmetros de dispositivos reais das características I-V medidas. Para validar o modelo, comparação entre resultados de modelo desenvolvido com um outro modelo já desenvolvido são apresentados.

Análise da Qualidade de Energia em Instalações Eléctricas com MiniProdução

Com a alteração da legislação energética em Portugal, nomeadamente a implementação da legislação de Micro e Minigeração, a produção distribuída cresceu de forma exponencial na rede elétrica nacional, diminuindo por um lado as perdas no transporte e distribuição, e por outro aumentando a complexidade na gestão do trânsito de potência ao Distribuidor. No entanto a motivação desta dissertação prende-se com o facto de que as centrais de produção distribuída, em particular as de tecnologia fotovoltaica, pela sua dimensão, serem instaladas nos pontos de consumo, em paralelo com a instalação elétrica de utilização do cliente e como tal, têm sido verificadas diversas anomalias no funcionamento e exploração das mesmas, por influência da má qualidade de energia resultante das más condições de funcionamento e exploração em que se encontram as instalações de consumo. A presente dissertação pretende apresentar uma descrição das anomalias mais frequentes verificadas nas centrais fotovoltaicas de minigeração com origem na qualidade da energia que transita das instalações elétricas de consumo ligadas ao mesmo ponto de interligação com a rede elétrica nacional. Como base de fundamento, foram demonstradas através de três casos práticos reais, algumas das mais frequentes e prejudiciais anomalias descritas na presente dissertação. Foram escolhidos 3 casos reais com diferentes tipos de instalação de consumo sendo que um deles não apresenta qualquer anomalia de forma a comprovar o bom funcionamento em condições normais de ambas as instalações. Foram encontradas e demonstradas várias soluções paras os diferentes tipos de anomalias, no entanto esta dissertação vai permitir não só a resolução deste tipo de anomalias em centrais fotovoltaicas em exploração e já com prejuízos avultados mas também introduzir em futuras instalações a análise da qualidade da energia nas instalações de consumo em fase preliminar de estudo de implementação de centrais fotovoltaicas de minigeração e de autoconsumo, precavendo futuros problemas de rentabilidade técnico-económica. Este estudo, irá certamente servir de motor de impulsão para a preocupação com a Qualidade da Energia essencialmente dentro das instalações elétricas de consumo sensibilizando os seus gestores energéticos. Poderá ainda impulsionar a reformulação do Regulamento de Qualidade de Serviço para exigências ainda mais apertadas de forma a incorporar algumas das anomalias aqui descritas, sendo por isso um elemento de alerta para todos os “Players” do Sistema Elétrico Nacional tendo como limite a melhoria continua da Segurança e da Qualidade da energia na rede elétrica beneficiando da sensibilização de todos os intervenientes.