Optimization techniques for power distribution planning with uncertainties: a comparative study

Important research effort has been devoted to the topic of optimal planning of distribution systems. The non linear nature of the system, the need to consider a large number of scenarios and the increasing necessity to deal with uncertainties make optimal planning in distribution systems a difficult task. Heuristic techniques approaches have been proposed to deal with these issues, overcoming some of the inherent difficulties of classic methodologies. This paper considers several methodologies used to address planning problems of electrical power distribution networks, namely mixedinteger linear programming (MILP), ant colony algorithms (AC), genetic algorithms (GA), tabu search (TS), branch exchange (BE), simulated annealing (SA) and the Bender´s decomposition deterministic non-linear optimization technique (BD). Adequacy of theses techniques to deal with uncertainties is discussed. The behaviour of each optimization technique is compared from the point of view of the obtained solution and of the methodology performance. The paper presents results of the application of these optimization techniques to a real case of a 10-kV electrical distribution system with 201 nodes that feeds an urban area.

A new MILP based approach for unit commitment in power production planning

This paper presents a complete, quadratic programming formulation of the standard thermal unit commitment problem in power generation planning, together with a novel iterative optimisation algorithm for its solution. The algorithm, based on a mixed-integer formulation of the problem, considers piecewise linear approximations of the quadratic fuel cost function that are dynamically updated in an iterative way, converging to the optimum; this avoids the requirement of resorting to quadratic programming, making the solution process much quicker. From extensive computational tests on a broad set of benchmark instances of this problem, the algorithm was found to be flexible and capable of easily incorporating different problem constraints. Indeed, it is able to tackle ramp constraints, which although very important in practice were rarely considered in previous publications. Most importantly, optimal solutions were obtained for several well-known benchmark instances, including instances of practical relevance, that are not yet known to have been solved to optimality. Computational experiments and their results showed that the method proposed is both simple and extremely effective.

Optimal methodology for distribution systems reconfiguration based on OPF and solved by decomposition technique

This paper presents a new and efficient methodology for distribution network reconfiguration integrated with optimal power flow (OPF) based on a Benders decomposition approach. The objective minimizes power losses, balancing load among feeders and subject to constraints: capacity limit of branches, minimum and maximum power limits of substations or distributed generators, minimum deviation of bus voltages and radial optimal operation of networks. The Generalized Benders decomposition algorithm is applied to solve the problem. The formulation can be embedded under two stages; the first one is the Master problem and is formulated as a mixed integer non-linear programming problem. This stage determines the radial topology of the distribution network. The second stage is the Slave problem and is formulated as a non-linear programming problem. This stage is used to determine the feasibility of the Master problem solution by means of an OPF and provides information to formulate the linear Benders cuts that connect both problems. The model is programmed in GAMS. The effectiveness of the proposal is demonstrated through two examples extracted from the literature.

Multilayer Perceptron Neural Networks Training Through Charged System Search and its Application for Non-Technical Losses Detection

The non-technical loss is not a problem with trivial solution or regional character and its minimization represents the guarantee of investments in product quality and maintenance of power systems, introduced by a competitive environment after the period of privatization in the national scene. In this paper, we show how to improve the training phase of a neural network-based classifier using a recently proposed meta-heuristic technique called Charged System Search, which is based on the interactions between electrically charged particles. The experiments were carried out in the context of non-technical loss in power distribution systems in a dataset obtained from a Brazilian electrical power company, and have demonstrated the robustness of the proposed technique against with several others natureinspired optimization techniques for training neural networks. Thus, it is possible to improve some applications on Smart Grids.

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 para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.

Estratégias de Comercialização de Potência como Medida de Eficiência Energética

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular “ Dissertação” do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o aumento crescente do número de consumidores de energia, é cada vez mais imperioso a adoção de medidas de racionalização e gestão dos consumos da energia elétrica. Existem diferentes tipos de dificuldades no planeamento e implementação de novas centrais produtoras de energia renovável, pelo que também por este motivo é cada vez mais importante adoção de medidas de gestão de consumos, quer ao nível dos clientes alimentados em média tensão como de baixa tensão. Desta forma será mais acessível a criação de padrões de eficiência energética elevados em toda a rede de distribuição de energia elétrica. Também a economia é afetada por uma fraca gestão dos consumos por parte dos clientes. Elevados desperdícios energéticos levam a que mais energia tenha que ser produzida, energia essa que contribui ainda mais para a elevada taxa de dependência energética em Portugal, e para o degradar da economia nacional. Coloca-se assim a necessidade de implementar planos e métodos que promovam a eficiência energética e a gestão racional de consumos de energia elétrica. Apresenta-se nesta dissertação várias propostas, algumas na forma de projetos já em execução, que visam sensibilizar o consumidor para a importância da utilização eficiente de energia e, ao mesmo tempo, disponibilizam as ferramentas tecnológicas adequadas para auxiliar a implementação dos métodos propostos. Embora os planos apresentados, sobejamente conhecidos, tenham imensa importância, a implementação nos vários consumidores de sistemas capazes de efetivamente reduzir consumos tem um papel fundamental. Equipamentos de gestão de consumos, que são apresentados nesta dissertação, permitem ao consumidor aceder diretamente ao seu consumo. Podem aceder não apenas ao consumo global da instalação mas também ao consumo específico por equipamento, permitindo perceber onde se verifica a situação mais desfavorável. Funcionalidades de programação de perfis tipo, com limitações de potência em vários períodos horários, bem como possibilidades de controlo remoto com recurso a aplicações para Smartphones permitem a redução de consumos ao nível da rede de distribuição e, desta forma, contribuir para a redução dos desperdícios e da dependência energética em Portugal. No âmbito do trabalho de dissertação é desenvolvida uma metodologia de comercialização de potência, que é apresentada nesta tese. Esta metodologia propõem que o consumidor, em função dos seus consumos, pague apenas a quantidade de potência que efetivamente necessita num certo período de tempo. Assim, o consumidor deixa de pagar uma tarifa mensal fixa associada á sua potência contratada, e passará a pagar um valor correspondente apenas à potência que efetivamente solicitou em todas as horas durante o mês. Nesta metodologia que é apresentada, o consumidor poderá também fazer uma análise do seu diagrama de cargas e simular uma alteração da sua tarifa, tarifa esta que varia entre tarifa simples, bi-horária semanal, bi-horária diária, tri-horária semanal ou tri-horária diária, de forma a perceber em qual destas pagará um menor valor pela mesma energia. De forma a que o consumidor possa perceber se haverá vantagem de uma alteração para uma potência contratada flexível, ou para uma outra tarifa associada á energia, tem ao seu dispor uma ferramenta, que em função dos seus consumos, permite retirar conclusões sobre o preço final a pagar na fatura, após cada tipo de alteração. Esta ferramenta foi validada com recurso a várias simulações, para diferentes perfis de consumidores. Desta forma, o utilizador fica a perceber que realmente pode poupar com uma potência contratada flexível, ao mesmo tempo que pode identificar-se com um perfil de simulação e, mais facilmente, perceber para que alteração tarifária pode usufruir de uma maior poupança.

Utilização de sensores de baixo custo na medição de monóxido de carbono no ar ambiente

Nos últimos anos tem-se assistido à introdução de novos dispositivos de medição da poluição do ar baseados na utilização de sensores de baixo custo. A utilização menos complexa destes sistemas, possibilita a obtenção de dados com elevada resolução temporal e espacial, abrindo novas oportunidades para diferentes metodologias de estudos de monitorização da poluição do ar. Apesar de apresentarem capacidades analíticas distantes dos métodos de referência, a utilização destes sensores tem sido sugerida e incentivada pela União Europeia no âmbito das medições indicativas previstas na Diretiva 2008/50/CE, com uma incerteza expandida máxima de 25%. O trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de Projeto consistiu na escolha, caracterização e utilização em medições reais de um sensor de qualidade do ar, integrado num equipamento protótipo desenvolvido com esse fim, visando obtenção uma estimativa da incerteza de medição associada à utilização deste dispositivo através da aplicação da metodologia de demonstração de equivalência de métodos de medição de qualidade do ar definida pela União Europeia. A pesquisa bibliográfica realizada permitiu constatar que o monóxido de carbono é neste momento o parâmetro de qualidade do ar que permite ser medido de forma mais exata através da utilização de sensores, nomeadamente o sensor eletroquímico da marca Alphasense, modelo COB4, amplamente utilizado em projetos de desenvolvimento neste cotexto de monitorização ambiental. O sensor foi integrado num sistema de medição com o objetivo de poder ser utlizado em condições de autonomia de fornecimento de energia elétrica, aquisição interna dos dados, tendo em consideração ser o mais pequeno possível e de baixo custo. Foi utlizado um sistema baseado na placa Arduino Uno com gravação de dados em cartão de memória SD, baterias e painel solar, permitindo para além do registo das tensões elétricas do sensor, a obtenção dos valores de temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica, com um custo global a rondar os 300 euros. Numa primeira fase foram executados um conjunto de testes laboratoriais que permitiram a determinação de várias características de desempenho em dois sensores iguais: tempo de resposta, a equação modelo do sensor, avaliação da repetibilidade, desvio de curto e longo termo, interferência da temperatura e histerese. Os resultados demonstraram um comportamento dos sensores muito linear, com um tempo de resposta inferior a um minuto e com uma equação modelo do sensor dependente da variação da temperatura. A estimativa da incerteza expandida laboratorial ficou, para ambos os sensores, abaixo dos 10%. Após a realização de duas campanhas reais de medição de CO em que os valores foram muito baixos, foi realizada uma campanha de quinze dias num parque de estacionamento subterrâneo que permitiu a obtenção de concentrações suficientemente elevadas e a comparação dos resultados dos sensores com o método de referência em toda a gama de medição (0 a 12 mol.mol-1). Os valores de concentração obtidos pelos dois sensores demonstraram uma excelente correlação com o método de referência (r2≥0,998), obtendo-se resultados para a estimativa da incerteza expandida de campo inferiores aos obtidos para a incerteza laboratorial, cumprindo o objetivo de qualidade de dados definido para as medições indicativas de incerteza expandida máxima de 25%. Os resultados observados durante o trabalho realizado permitiram confirmar o bom desempenho que este tipo de sensor pode ter no âmbito de medições de poluição do ar com um caracter mais indicativo.

Eficiência Energética, Gestão de Energia e Integração de Renováveis em Instalações Hospitalares

A presente dissertação é o resultado de um estudo realizado entre Março de 2015 e Março de 2016 centrado no tema Eficiência Energética nos Edifícios, no âmbito da Dissertação do 2º ano do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia no Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Atualmente, os edifícios são responsáveis por cerca de 40% do consumo de energia na maioria dos países da europa. Energia consumida, principalmente, no aquecimento, arrefecimento e na alimentação de aparelhos elétricos. Os hospitais, como grandes edifícios, são grandes consumidores de energia e, na maioria dos países europeus, situam-se entre os edifícios públicos menos eficientes. Neste contexto, representam um tipo de edifícios cuja atividade apresenta um potencial de poupança energético importante. O tipo de atividade aí desenvolvida, aliada às especificidades do sector da saúde, faz deste tipo de edifícios um alvo de análise e otimização energética bastante apetecível. O presente trabalho passa pelo estudo do potencial para a eficiência energética de um hospital situado na zona do Porto. Foi, inicialmente, efetuado um levantamento das necessidades energéticas, de modo a identificar os sectores prioritários de atuação. Este estudo conta com a análise dos consumos obtidos através do processo de monitorização, substituição da iluminação existente por uma mais eficiente, a instalação de painéis solares para reduzir o consumo destinado às águas quentes sanitárias, a substituição de caldeira a diesel por caldeira a biomassa, substituição de um chiller por um mais eficiente, entre outros. Os consumos registados no hospital em estudo serão comparados com um plano nacional (Eficiência Energética e Hídrica no Sistema Nacional de Saúde), para, desta forma, se perceber quais os consumos do hospital em estudo, quando comparados com outros hospitais.

Data mining techniques contributions to support electrical vehicle demand response

The introduction of Electric Vehicles (EVs) together with the implementation of smart grids will raise new challenges to power system operators. This paper proposes a demand response program for electric vehicle users which provides the network operator with another useful resource that consists in reducing vehicles charging necessities. This demand response program enables vehicle users to get some profit by agreeing to reduce their travel necessities and minimum battery level requirements on a given period. To support network operator actions, the amount of demand response usage can be estimated using data mining techniques applied to a database containing a large set of operation scenarios. The paper includes a case study based on simulated operation scenarios that consider different operation conditions, e.g. available renewable generation, and considering a diversity of distributed resources and electric vehicles with vehicle-to-grid capacity and demand response capacity in a 33 bus distribution network.

Remuneration and tariffs in the context of virtual power players

Power systems have been through deep changes in recent years, namely with the operation of competitive electricity markets in the scope and the increasingly intensive use of renewable energy sources and distributed generation. This requires new business models able to cope with the new opportunities that have emerged. Virtual Power Players (VPPs) are a new player type which allows aggregating a diversity of players (Distributed Generation (DG), Storage Agents (SA), Electrical Vehicles, (V2G) and consumers), to facilitate their participation in the electricity markets and to provide a set of new services promoting generation and consumption efficiency, while improving players` benefits. A major task of VPPs is the remuneration of generation and services (maintenance, market operation costs and energy reserves), as well as charging energy consumption. This paper proposes a model to implement fair and strategic remuneration and tariff methodologies, able to allow efficient VPP operation and VPP goals accomplishment in the scope of electricity markets.

An intelligent tutoring approach to support students and technicians in electrical installation design

Designing electric installation projects, demands not only academic knowledge, but also other types of knowledge not easily acquired through traditional instructional methodologies. A lot of additional empirical knowledge is missing and so the academic instruction must be completed with different kinds of knowledge, such as real-life practical examples and simulations. On the other hand, the practical knowledge detained by the most experienced designers is not formalized in such a way that is easily transmitted. In order to overcome these difficulties present in the engineers formation, we are developing an Intelligent Tutoring System (ITS), for training and support concerning the development of electrical installation projects to be used by electrical engineers, technicians and students.

Demand response in electrical energy supply: an optimal real time pricing approach

In competitive electricity markets with deep concerns for the efficiency level, demand response programs gain considerable significance. As demand response levels have decreased after the introduction of competition in the power industry, new approaches are required to take full advantage of demand response opportunities. This paper presents DemSi, a demand response simulator that allows studying demand response actions and schemes in distribution networks. It undertakes the technical validation of the solution using realistic network simulation based on PSCAD. The use of DemSi by a retailer in a situation of energy shortage, is presented. Load reduction is obtained using a consumer based price elasticity approach supported by real time pricing. Non-linear programming is used to maximize the retailer’s profit, determining the optimal solution for each envisaged load reduction. The solution determines the price variations considering two different approaches, price variations determined for each individual consumer or for each consumer type, allowing to prove that the approach used does not significantly influence the retailer’s profit. The paper presents a case study in a 33 bus distribution network with 5 distinct consumer types. The obtained results and conclusions show the adequacy of the used methodology and its importance for supporting retailers’ decision making.

Power systems reliability calculation based on fuzzy data mining

This paper presents a methodology supported on the data base knowledge discovery process (KDD), in order to find out the failure probability of electrical equipments’, which belong to a real electrical high voltage network. Data Mining (DM) techniques are used to discover a set of outcome failure probability and, therefore, to extract knowledge concerning to the unavailability of the electrical equipments such us power transformers and high-voltages power lines. The framework includes several steps, following the analysis of the real data base, the pre-processing data, the application of DM algorithms, and finally, the interpretation of the discovered knowledge. To validate the proposed methodology, a case study which includes real databases is used. This data have a heavy uncertainty due to climate conditions for this reason it was used fuzzy logic to determine the set of the electrical components failure probabilities in order to reestablish the service. The results reflect an interesting potential of this approach and encourage further research on the topic.

A probabilistic methodology for distributed generation location in isolated electrical service area

Distributed generation unlike centralized electrical generation aims to generate electrical energy on small scale as near as possible to load centers, interchanging electric power with the network. This work presents a probabilistic methodology conceived to assist the electric system planning engineers in the selection of the distributed generation location, taking into account the hourly load changes or the daily load cycle. The hourly load centers, for each of the different hourly load scenarios, are calculated deterministically. These location points, properly weighted according to their load magnitude, are used to calculate the best fit probability distribution. This distribution is used to determine the maximum likelihood perimeter of the area where each source distributed generation point should preferably be located by the planning engineers. This takes into account, for example, the availability and the cost of the land lots, which are factors of special relevance in urban areas, as well as several obstacles important for the final selection of the candidates of the distributed generation points. The proposed methodology has been applied to a real case, assuming three different bivariate probability distributions: the Gaussian distribution, a bivariate version of Freund’s exponential distribution and the Weibull probability distribution. The methodology algorithm has been programmed in MATLAB. Results are presented and discussed for the application of the methodology to a realistic case and demonstrate the ability of the proposed methodology for efficiently handling the determination of the best location of the distributed generation and their corresponding distribution networks.