AI in power systems and energy markets

In a world increasingly conscientious about environmental effects, power and energy systems are undergoing huge transformations. Electric energy produced from power plants is transmitted and distributed to end users through a power grid. The power industry performs the engineering design, installation, operation, and maintenance tasks to provide a high-quality, secure energy supply while accounting for its systems’ abilities to withstand uncertain events, such as weather-related outages. Competitive, deregulated electricity markets and new renewable energy sources, however, have further complicated this already complex infrastructure.Sustainable development has also been a challenge for power systems. Recently, there has been a signifi cant increase in the installation of distributed generations, mainly based on renewable resources such as wind and solar. Integrating these new generation systems leads to more complexity. Indeed, the number of generation sources greatly increases as the grid embraces numerous smaller and distributed resources. In addition, the inherent uncertainties of wind and solar energy lead to technical challenges such as forecasting, scheduling, operation, control, and risk management. In this special issue introductory article, we analyze the key areas in this field that can benefi t most from AI and intelligent systems now and in the future.We also identify new opportunities for cross-fertilization between power systems and energy markets and intelligent systems researchers.

Exact admission-control for integrated aperiodic and periodic tasks

Admission controllers are used to prevent overload in systems with dynamically arriving tasks. Typically, these admission controllers are based on suÆcient (but not necessary) capacity bounds in order to maintain a low computational complexity. In this paper we present how exact admission-control for aperiodic tasks can be eÆciently obtained. Our rst result is an admission controller for purely aperiodic task sets where the test has the same runtime complexity as utilization-based tests. Our second result is an extension of the previous controller for a baseload of periodic tasks. The runtime complexity of this test is lower than for any known exact admission-controller. In addition to presenting our main algorithm and evaluating its performance, we also discuss some general issues concerning admission controllers and their implementation.

Renewable-based generation integration in electricity markets with virtual power producers

The development of renewable energy sources and Distributed Generation (DG) of electricity is of main importance in the way towards a sustainable development. However, the management, in large scale, of these technologies is complicated because of the intermittency of primary resources (wind, sunshine, etc.) and small scale of some plants. The aggregation of DG plants gives place to a new concept: the Virtual Power Producer (VPP). VPPs can reinforce the importance of these generation technologies making them valuable in electricity markets. VPPs can ensure a secure, environmentally friendly generation and optimal management of heat, electricity and cold as well as optimal operation and maintenance of electrical equipment, including the sale of electricity in the energy market. For attaining these goals, there are important issues to deal with, such as reserve management strategies, strategies for bids formulation, the producers’ remuneration, and the producers’ characterization for coalition formation. This chapter presents the most important concepts related with renewable-based generation integration in electricity markets, using VPP paradigm. The presented case studies make use of two main computer applications:ViProd and MASCEM. ViProd simulates VPP operation, including the management of plants in operation. MASCEM is a multi-agent based electricity market simulator that supports the inclusion of VPPs in the players set.

Gestão de projectos no âmbito da construção sustentável

A indústria da construção, nomeadamente no sector da edificação, baseia-se essencialmente em métodos de construção tradicional. Esta indústria é caracterizada pelo consumo excessivo de matérias-primas, de recursos energéticos não renováveis e pela elevada produção de resíduos. Esta realidade é de todo incompatível com os desígnios do desenvolvimento sustentável, nos quais se procura a conveniência harmoniosa entre as dimensões ambiental, social e económica. O desafio da sustentabilidade, colocado à actividade da construção, tem motivado abordagens distintas, não só por parte das várias especialidades da engenharia, como também da arquitectura. É nesta perspectiva, que o presente modelo pretende ser um contributo para uma abordagem inovadora, introduzindo linhas de intervenção e de orientação, para apoiar e estimular o desenvolvimento de soluções sustentáveis em edifícios habitacionais, em qualquer fase do ciclo de evolução de um projecto e das várias especialidades do mesmo. Assim, no sentido de optimizar os recursos envolvidos no projecto são expostas estratégias de intervenção, com os seguintes objectivos: optimização do potencial do local, preservação da identidade regional e cultural, minimização do consumo de energia, utilização de materiais e produtos de baixo impacto ambiental, redução do consumo de água, redução da produção de emissões, resíduos e outros poluentes, adequada qualidade do ambiente interior e optimização das fases de operação e manutenção. A ferramenta apresentada surge como um instrumento facilitador para a equipa de projectistas, e que se esta adaptada para o desenvolvimento de projectos de edifícios de habitação, dada a génese dos métodos utilizados. As soluções de sustentabilidade apresentadas neste manual emanam dos sistemas de certificação LíderA, LEED, BREEAM e SBToolpt. O modelo encontra-se estruturado, no que às fases de projecto diz respeito, de acordo com os requisitos expressos na Portaria 701-H/2008 de 29 de Julho, tendo sido igualmente seguido o descrito para os respectivos intervenientes.

Neural networks for condition monitoring of wind turbines gearbox

Wind energy is considered a hope in future as a clean and sustainable energy, as can be seen by the growing number of wind farms installed all over the world. With the huge proliferation of wind farms, as an alternative to the traditional fossil power generation, the economic issues dictate the necessity of monitoring systems to optimize the availability and profits. The relatively high cost of operation and maintenance associated to wind power is a major issue. Wind turbines are most of the time located in remote areas or offshore and these factors increase the referred operation and maintenance costs. Good maintenance strategies are needed to increase the health management of wind turbines. The objective of this paper is to show the application of neural networks to analyze all the wind turbine information to identify possible future failures, based on previous information of the turbine.

A metodologia BIM-FM aplicada a um caso prático

O crescente aumento da consciencialização da importância da fase de operação e manutenção, bem como a amplificação que a metodologia Building Information Modelling (BIM) tem obtido nos últimos anos, sugere uma necessidade de alterar a atual abordagem da gestão das instalações de forma a dotá-la das mais recentes inovações tecnológicas como seja a utilização do BIM. Os Building Information Models apresentam as características ideais para a integração da gestão das instalações, não só pela visualização do edifício, mas sobretudo pela potencialidade que a base de dados oferece, com informação referente a cada um dos componentes presentes e suas relações. O âmbito deste trabalho envolve assim a integração da gestão das instalações com o modelo BIM criado, representativo do edifício em estudo. Este trabalho começa com as definições do âmbito e dos objetivos que são propostos no Capítulo 1. No Capítulo 2, é elaborada uma pesquisa sobre o estado da arte atual de cada uma das metodologias BIM e FM, de forma a tomar conhecimento dos seus conceitos principais. Foi feito também um levantamento no campo do BIM-FM de forma a apurar as atuais soluções tecnológicas existentes, a forma como é feita a sua troca de informação e também alguns casos em que esta metodologia foi aplicada. Com base na informação recolhida sobre as metodologias e também nos casos práticos estudados, é realizado no Capítulo 3, capítulo central deste trabalho, a aplicação prática. A realização desta aplicação é dividida por 3 fases principais. Numa primeira fase é especificada e recolhida a informação necessária de ser obtida para a realização do modelo e a posterior aplicação do FM. A escolha da informação a recolher é feita ponderando todos os fatores existentes, mas de forma a cumprir os requisitos pedidos. Numa segunda fase, assente na compilação de informação recolhida anteriormente, realiza-se o modelo do edifício. A modelação, de forma a seguir o método de trabalho BIM é realizada por especialidades, sendo numa primeira fase realizada a especialidade de arquitetura e posteriormente, utilizando esse modelo como base, é feita a modelação das especialidades de águas, águas residuais, AVAC e eletricidade. Esta escolha foi também estimulada pela organização do software utilizado para a modelação, por módulos. Na última fase da aplicação do caso prático a informação inserida na fase de modelação do edifício é exportada para o software de FM, neste caso em específico, o IBM Maximo. Para a exportação destes dados foi utilizado o formato Construction Operations Building Information Exchange (COBie), de forma a garantir a integridade e conformidade da informação transferida. No Capítulo 4 deste trabalho são abordadas as especificidades relativas à informação existente, à modelação e à troca de dados entre o software de modelação e o software utilizado na gestão do edifício. São também sugeridos alguns temas para futuros desenvolvimentos com o intuito de ampliação dos campos de FM com o uso do modelo. O BIM-FM é um tema emergente na atualidade do BIM, sendo a sua utilização encarada como uma mais-valia ao processo BIM. A compilação da informação durante a fase de projeto e execução, aliada à existência do modelo torna a implementação do FM com o modelo BIM como uma sequência natural.

Deteção de avarias na caixa de engrenagens de aerogeradores

Ao longo dos últimos anos tem-se assistido a um forte desenvolvimento e crescimento do número de parques eólicos instalados no mundo, o que leva a que seja necessário o incremento de ferramentas que permitam aperfeiçoar os sistemas de monitorização e controlo atualmente existentes. Por outro lado, não se deve deixar de ter em conta os custos elevados de operação e manutenção dos sistemas eólicos bem como o facto de os aerogeradores estarem localizadas em locais remotos ou offshore, o que faz aumentar os custos associados à sua exploração. A dissertação nasce da intenção clara do mercado em apostar na supervisão e previsão de avarias graves, de forma a minimizar os encargos subjacentes. Este trabalho de dissertação visa a utilização de redes neuronais para criar uma ferramenta informática de previsão de avarias em caixas de engrenagens em aerogeradores. As redes neuronais são ferramentas informáticas ideais para trabalhar com muita informação, sendo que a sua aplicação depende da qualidade e quantidade dos dados. Para tal irá ser efetuado um estudo em um parque eólico, no qual se analisará as principais avarias detetadas bem como as grandezas que deverão integrar a construção desta rede neuronal. Assim sendo, a informação relativa às diversas máquinas existentes num parque, é de enorme importância para a definição e otimização da rede neuronal a construir. Os resultados obtidos neste trabalho com a aplicação de redes neuronais para a previsão de avarias em caixas de engrenagens do parque eólico de estudo, provam que é possível realizar uma deteção da avaria bem como uma constatação de que a reparação possa ter sido bem efetuada ou mal sucedida, podendo assim ser ajustados os programas de manutenção a efetuar e uma verificação das ações de reparação para sua validação.

Modelação Dinâmica de Sistemas de Drenagem Urbana. Aplicação a um caso de estudo

A crescente expansão urbana e o incremento das exigências ambientais e financeiras promovem a implementação de abordagens sustentáveis para a gestão das infraestruturas sanitárias. Assim, o recurso a instrumentos de monitorização e à modelação matemática surge como o caminho para a racionalização do investimento e a otimização dos sistemas existentes. Neste contexto, a modelação dinâmica de sistemas de drenagem urbana assume relevância para o controlo e redução dos caudais em excesso e das descargas de poluentes nos meios recetores, resultantes de um incremento significativo de afluências pluviais indevidas, de problemas de sub-dimensionamento ou falta de operação e manutenção. O objetivo da presente dissertação consiste na modelação, calibração e diagnóstico do sistema intercetor de Lordelo utilizando o software Storm Water Management Model, através dos dados recolhidos a partir do projeto de Reabilitação dos intercetores de Lordelo, elaborado pela Noraqua. A modelação considera a avaliação das afluências de tempo seco e as afluências pluviais pelo software Sanitary Sewer Overflow Analysis and Planning Toolbox. Com efeito, a simulação dinâmica, permitiu um conhecimento mais detalhado do sistema, avaliando a capacidade hidráulica e localizando os pontos propícios a inundações. Assim, foi possível testar soluções de beneficiação do sistema, englobando a problemática das afluências pluviais indevidas calibradas. Apesar das dificuldades sentidas face à qualidade dos dados existentes, verificou-se que o SSOAP e o SWMM são ferramentas úteis na deteção, diagnóstico e redução dos caudais em excesso e que o procedimento utilizado pode ser aplicado a sistemas semelhantes, como forma de definir a melhor solução técnica e económica ao nível do planeamento, operação e reabilitação do sistema.

Projeto de uma ferramenta específica para cravação de terminais elétricos

A necessidade contínua de incrementar a produtividade em todos os sectores leva a que sejam utilizados equipamentos cada vez mais sofisticados, permitindo novas técnicas de abordagem dos processos de fabrico, velocidades mais elevadas e maior precisão no produto final. No entanto, quase todos os equipamentos necessitam de ferramentas adequadas, que tirem partido efetivamente das potencialidades dos equipamentos disponíveis. A Engenharia tem aqui um papel extremamente importante, já que terá de conceber as ferramentas atendendo à satisfação de um elevado número de requisitos, que passam genericamente por tirar o máximo partido dos fatores tecnológicos proporcionados pelos equipamentos, cumprir com a cadência de produção necessária, assegurar a qualidade estipulada, garantir a segurança dos colaboradores que com ela trabalham e permitir uma fácil montagem e afinação, reduzindo assim os tempos de preparação e as possibilidades de fabrico de peças fora das especificações. Este trabalho foi desenvolvido em torno de uma necessidade real, tendo sido estipulados os requisitos necessários pelo cliente e tendo sido elaborado todo o projeto da ferramenta em torno desses mesmos requisitos. Foi efetuada uma otimização da ferramenta ainda na fase de anteprojeto, permitindo minimizar o seu custo e maximizar o seu rendimento e aptidão para o fim em vista. Os materiais foram cuidadosamente selecionados, tendo em vista a utilização de cada componente e a relação custo‐benefício. Foi ainda efetuada uma orçamentação da mesma, assim como um plano de instruções para a operação e manutenção da ferramenta. Deste modo, este trabalho é o resumo de grande parte do conhecimento adquirido, quer ao longo da vida académica, quer ao longo da experiência profissional.

Integration of the project team in the classic maintenance cycle

A manutenção é uma área extremamente importante, principalmente na indústria. Devidamente organizada, permitirá um fluxo produtivo devidamente planeado e executado, que permitirá a qualquer empresa manter o nível de facturação desejado e o prazo de entrega acordado com os clientes. De outra forma, poderá originar o caos. No entanto, os desafios de gestão da produção mais correntes, nomeadamente através do Lean Manufacturing, passam a exigir um pouco mais do que uma simples manutenção. Torna-se obrigatório fazer análises económicas que permitam averiguar quando cada equipamento passa a exigir custos de manutenção excessivos, os quais poderão obrigar a um recondicionamento mais acentuado do equipamento, o qual pode passar inclusivamente por uma melhoria da sua performance. Nestes casos, terá que existir uma “cumplicidade” entre a Direcção de Produção e a Manutenção, no sentido de averiguar o melhor momento para proceder a uma melhoria do equipamento, numa perspectiva de funcionamento global em linha de produção, adaptando-o à performance que será exigida ao conjunto. Neste domínio, o Projecto passa a prestar um serviço valiosíssimo à empresa, integrando-se no conjunto Produção + Manutenção, criando valor na intervenção, através do desenvolvimento de um trabalho que permite não só repor o estado natural da produção, mas sim promover uma melhoria sustentada da mesma. Este trabalho pretende reflectir e avaliar a relevância do Projecto neste tipo de operações, contribuindo de uma forma sistemática e sustentada para a melhoria contínua dos processos de fabrico. É apresentado um caso de estudo que pretende validar todo o desenvolvimento anteriormente realizado na matéria.

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.

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.

Optimal methodology for renewable energy dispatching in islanded operation

The management of energy resources for islanded operation is of crucial importance for the successful use of renewable energy sources. A Virtual Power Producer (VPP) can optimally operate the resources taking into account the maintenance, operation and load control considering all the involved cost. This paper presents the methodology approach to formulate and solve the problem of determining the optimal resource allocation applied to a real case study in Budapest Tech’s. The problem is formulated as a mixed-integer linear programming model (MILP) and solved by a deterministic optimization technique CPLEX-based implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). The problem has also been solved by Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO). The obtained results are presented and compared.

Intelligent Remuneration and Tariffs for Virtual Power Players

Power systems have been through deep changes in recent years, namely due to the operation of competitive electricity markets in the scope 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 type of player that 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.