An efficient method for optimal location and sizing of fixed and switched shunt capacitors in large distribution systems

This paper proposes a computationally efficient methodology for the optimal location and sizing of static and switched shunt capacitors in large distribution systems. The problem is formulated as the maximization of the savings produced by the reduction in energy losses and the avoided costs due to investment deferral in the expansion of the network. The proposed method selects the nodes to be compensated, as well as the optimal capacitor ratings and their operational characteristics, i.e. fixed or switched. After an appropriate linearization, the optimization problem was formulated as a large-scale mixed-integer linear problem, suitable for being solved by means of a widespread commercial package. Results of the proposed optimizing method are compared with another recent methodology reported in the literature using two test cases: a 15-bus and a 33-bus distribution network. For the both cases tested, the proposed methodology delivers better solutions indicated by higher loss savings, which are achieved with lower amounts of capacitive compensation. The proposed method has also been applied for compensating to an actual large distribution network served by AES-Venezuela in the metropolitan area of Caracas. A convergence time of about 4 seconds after 22298 iterations demonstrates the ability of the proposed methodology for efficiently handling large-scale compensation problems.

Dynamical behaviour of multi-particle large-scale systems

Collective behaviours can be observed in both natural and man-made systems composed of a large number of elemental subsystems. Typically, each elemental subsystem has its own dynamics but, whenever interaction between individuals occurs, the individual behaviours tend to be relaxed, and collective behaviours emerge. In this paper, the collective behaviour of a large-scale system composed of several coupled elemental particles is analysed. The dynamics of the particles are governed by the same type of equations but having different parameter values and initial conditions. Coupling between particles is based on statistical feedback, which means that each particle is affected by the average behaviour of its neighbours. It is shown that the global system may unveil several types of collective behaviours, corresponding to partial synchronisation, characterised by the existence of several clusters of synchronised subsystems, and global synchronisation between particles, where all the elemental particles synchronise completely.

Visualizing control systems performance: A fractional perspective

This article presents a novel method for visualizing the control systems behavior. The proposed scheme uses the tools of fractional calculus and computes the signals propagating within the system structure as a time/frequency-space wave. Linear and nonlinear closed-loop control systems are analyzed, for both the time and frequency responses, under the action of a reference step input signal. Several nonlinearities, namely, Coulomb friction and backlash, are also tested. The numerical experiments demonstrate the feasibility of the proposed methodology as a visualization tool and motivate its extension for other systems and classes of nonlinearities.

Performance of fractional PID algorithms controlling nonlinear systems with saturation and backlash phenomena

The development of fractional-order controllers is currently one of the most promising fields of research. However, most of the work in this area addresses the case of linear systems. This paper reports on the analysis of fractional-order control of nonlinear systems. The performance of discrete fractional-order PID controllers in the presence of several nonlinearities is discussed. Some results are provided that indicate the superior robustness of such algorithms.

Plataforma remota de gestão de um parque de GateBoxes

A monitorização de redes é um aspeto de elevada importância, principalmente em redes de média ou grande dimensão. A necessidade de utilização de uma ferramenta para realização dessa gestão facilita o trabalho e proporciona de uma forma mais rápida e eficaz a identificação de problemas na rede e nos seus sistemas. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma solução para a monitorização de GateBoxes, um dos produtos desenvolvidos e comercializados pela empresa NextToYou. A necessidade de monitorização das GateBoxes, por parte da NextToYou, é essencial para que possa detetar falhas no seu funcionamento ou realizar notificações aquando da deteção de problemas para uma rápida resolução. Neste contexto a empresa decidiu implementar uma ferramenta para a referida monitorização e propôs, no âmbito da tese, o desenvolvimento de uma aplicação que satisfizesse esses propósitos. Disponibilizou então, para o desenvolvimento uma plataforma, a WebForge, e definiu alguns requisitos funcionais dessa ferramenta, tais como, a monitorização remota de informação, gestão de alarmes, geração de avisos e notificações. Para a elaboração deste trabalho foram realizados estudos teóricos sobre o tema da gestão e monitorização remotas, realizando-se posteriormente o desenvolvimento de uma aplicação para a monitorização de GateBoxes. Após a implementação efetuou-se a validação do trabalho realizado através da execução de testes e demonstrações, de forma a poder validar e verificar o desempenho do sistema.

Flexible and dynamic replication control for interdependent distributed real-time embedded systems

Replication is a proven concept for increasing the availability of distributed systems. However, actively replicating every software component in distributed embedded systems may not be a feasible approach. Not only the available resources are often limited, but also the imposed overhead could significantly degrade the system’s performance. This paper proposes heuristics to dynamically determine which components to replicate based on their significance to the system as a whole, its consequent number of passive replicas, and where to place those replicas in the network. The activation of passive replicas is coordinated through a fast convergence protocol that reduces the complexity of the needed interactions among nodes until a new collective global service solution is determined.

Simulated annealing metaheuristic to solve the optimal power flow

The optimal power flow problem has been widely studied in order to improve power systems operation and planning. For real power systems, the problem is formulated as a non-linear and as a large combinatorial problem. The first approaches used to solve this problem were based on mathematical methods which required huge computational efforts. Lately, artificial intelligence techniques, such as metaheuristics based on biological processes, were adopted. Metaheuristics require lower computational resources, which is a clear advantage for addressing the problem in large power systems. This paper proposes a methodology to solve optimal power flow on economic dispatch context using a Simulated Annealing algorithm inspired on the cooling temperature process seen in metallurgy. The main contribution of the proposed method is the specific neighborhood generation according to the optimal power flow problem characteristics. The proposed methodology has been tested with IEEE 6 bus and 30 bus networks. The obtained results are compared with other wellknown methodologies presented in the literature, showing the effectiveness of the proposed method.

Projecto, optimização e gestão de redes MAIS

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Aspectos de aprendizagem em optimização

A optimização e a aprendizagem em Sistemas Multi-Agente são consideradas duas áreas promissoras mas relativamente pouco exploradas. A optimização nestes ambientes deve ser capaz de lidar com o dinamismo. Os agentes podem alterar o seu comportamento baseando-se em aprendizagem recente ou em objectivos de optimização. As estratégias de aprendizagem podem melhorar o desempenho do sistema, dotando os agentes da capacidade de aprender, por exemplo, qual a técnica de optimização é mais adequada para a resolução de uma classe particular de problemas, ou qual a parametrização é mais adequada em determinado cenário. Nesta dissertação são estudadas algumas técnicas de resolução de problemas de Optimização Combinatória, sobretudo as Meta-heurísticas, e é efectuada uma revisão do estado da arte de Aprendizagem em Sistemas Multi-Agente. É também proposto um módulo de aprendizagem para a resolução de novos problemas de escalonamento, com base em experiência anterior. O módulo de Auto-Optimização desenvolvido, inspirado na Computação Autónoma, permite ao sistema a selecção automática da Meta-heurística a usar no processo de optimização, assim como a respectiva parametrização. Para tal, recorreu-se à utilização de Raciocínio baseado em Casos de modo que o sistema resultante seja capaz de aprender com a experiência adquirida na resolução de problemas similares. Dos resultados obtidos é possível concluir da vantagem da sua utilização e respectiva capacidade de adaptação a novos e eventuais cenários.

Enhancing Agent Mediated Electronic Markets with Ontology Matching Services and Social Network Support

Os Mercados Eletrónicos atingiram uma complexidade e nível de sofisticação tão elevados, que tornaram inadequados os modelos de software convencionais. Estes mercados são caracterizados por serem abertos, dinâmicos e competitivos, e constituídos por várias entidades independentes e heterogéneas. Tais entidades desempenham os seus papéis de forma autónoma, seguindo os seus objetivos, reagindo às ocorrências do ambiente em que se inserem e interagindo umas com as outras. Esta realidade levou a que existisse por parte da comunidade científica um especial interesse no estudo da negociação automática executada por agentes de software [Zhang et al., 2011]. No entanto, a diversidade dos atores envolvidos pode levar à existência de diferentes conceptualizações das suas necessidades e capacidades dando origem a incompatibilidades semânticas, que podem prejudicar a negociação e impedir a ocorrência de transações que satisfaçam as partes envolvidas. Os novos mercados devem, assim, possuir mecanismos que lhes permitam exibir novas capacidades, nomeadamente a capacidade de auxiliar na comunicação entre os diferentes agentes. Pelo que, é defendido neste trabalho que os mercados devem oferecer serviços de ontologias que permitam facilitar a interoperabilidade entre os agentes. No entanto, os humanos tendem a ser relutantes em aceitar a conceptualização de outros, a não ser que sejam convencidos de que poderão conseguir um bom negócio. Neste contexto, a aplicação e exploração de relações capturadas em redes sociais pode resultar no estabelecimento de relações de confiança entre vendedores e consumidores, e ao mesmo tempo, conduzir a um aumento da eficiência da negociação e consequentemente na satisfação das partes envolvidas. O sistema AEMOS é uma plataforma de comércio eletrónico baseada em agentes que inclui serviços de ontologias, mais especificamente, serviços de alinhamento de ontologias, incluindo a recomendação de possíveis alinhamentos entre as ontologias dos parceiros de negociação. Este sistema inclui também uma componente baseada numa rede social, que é construída aplicando técnicas de análise de redes socias sobre informação recolhida pelo mercado, e que permite melhorar a recomendação de alinhamentos e auxiliar os agentes na sua escolha. Neste trabalho são apresentados o desenvolvimento e implementação do sistema AEMOS, mais concretamente: • É proposto um novo modelo para comércio eletrónico baseado em agentes que disponibiliza serviços de ontologias; • Adicionalmente propõem-se o uso de redes sociais emergentes para captar e explorar informação sobre relações entre os diferentes parceiros de negócio; • É definida e implementada uma componente de serviços de ontologias que é capaz de: • o Sugerir alinhamentos entre ontologias para pares de agentes; • o Traduzir mensagens escritas de acordo com uma ontologia em mensagens escritas de acordo com outra, utilizando alinhamentos previamente aprovados; • o Melhorar os seus próprios serviços recorrendo às funcionalidades disponibilizadas pela componente de redes sociais; • É definida e implementada uma componente de redes sociais que: • o É capaz de construir e gerir um grafo de relações de proximidade entre agentes, e de relações de adequação de alinhamentos a agentes, tendo em conta os perfis, comportamento e interação dos agentes, bem como a cobertura e utilização dos alinhamentos; • o Explora e adapta técnicas e algoritmos de análise de redes sociais às várias fases dos processos do mercado eletrónico. A implementação e experimentação do modelo proposto demonstra como a colaboração entre os diferentes agentes pode ser vantajosa na melhoria do desempenho do sistema e como a inclusão e combinação de serviços de ontologias e redes sociais se reflete na eficiência da negociação de transações e na dinâmica do mercado como um todo.

Kalman tracking linear predictor for vowel intelligibility enhancement on european portuguese HMM based speech synthesis

The recent developments on Hidden Markov Models (HMM) based speech synthesis showed that this is a promising technology fully capable of competing with other established techniques. However some issues still lack a solution. Several authors report an over-smoothing phenomenon on both time and frequencies which decreases naturalness and sometimes intelligibility. In this work we present a new vowel intelligibility enhancement algorithm that uses a discrete Kalman filter (DKF) for tracking frame based parameters. The inter-frame correlations are modelled by an autoregressive structure which provides an underlying time frame dependency and can improve time-frequency resolution. The system’s performance has been evaluated using objective and subjective tests and the proposed methodology has led to improved results.

Transactions and schema evolution in a persistent object-oriented programming system

Applications are subject of a continuous evolution process with a profound impact on their underlining data model, hence requiring frequent updates in the applications' class structure and database structure as well. This twofold problem, schema evolution and instance adaptation, usually known as database evolution, is addressed in this thesis. Additionally, we address concurrency and error recovery problems with a novel meta-model and its aspect-oriented implementation. Modern object-oriented databases provide features that help programmers deal with object persistence, as well as all related problems such as database evolution, concurrency and error handling. In most systems there are transparent mechanisms to address these problems, nonetheless the database evolution problem still requires some human intervention, which consumes much of programmers' and database administrators' work effort. Earlier research works have demonstrated that aspect-oriented programming (AOP) techniques enable the development of flexible and pluggable systems. In these earlier works, the schema evolution and the instance adaptation problems were addressed as database management concerns. However, none of this research was focused on orthogonal persistent systems. We argue that AOP techniques are well suited to address these problems in orthogonal persistent systems. Regarding the concurrency and error recovery, earlier research showed that only syntactic obliviousness between the base program and aspects is possible. Our meta-model and framework follow an aspect-oriented approach focused on the object-oriented orthogonal persistent context. The proposed meta-model is characterized by its simplicity in order to achieve efficient and transparent database evolution mechanisms. Our meta-model supports multiple versions of a class structure by applying a class versioning strategy. Thus, enabling bidirectional application compatibility among versions of each class structure. That is to say, the database structure can be updated because earlier applications continue to work, as well as later applications that have only known the updated class structure. The specific characteristics of orthogonal persistent systems, as well as a metadata enrichment strategy within the application's source code, complete the inception of the meta-model and have motivated our research work. To test the feasibility of the approach, a prototype was developed. Our prototype is a framework that mediates the interaction between applications and the database, providing them with orthogonal persistence mechanisms. These mechanisms are introduced into applications as an {\it aspect} in the aspect-oriented sense. Objects do not require the extension of any super class, the implementation of an interface nor contain a particular annotation. Parametric type classes are also correctly handled by our framework. However, classes that belong to the programming environment must not be handled as versionable due to restrictions imposed by the Java Virtual Machine. Regarding concurrency support, the framework provides the applications with a multithreaded environment which supports database transactions and error recovery. The framework keeps applications oblivious to the database evolution problem, as well as persistence. Programmers can update the applications' class structure because the framework will produce a new version for it at the database metadata layer. Using our XML based pointcut/advice constructs, the framework's instance adaptation mechanism is extended, hence keeping the framework also oblivious to this problem. The potential developing gains provided by the prototype were benchmarked. In our case study, the results confirm that mechanisms' transparency has positive repercussions on the programmer's productivity, simplifying the entire evolution process at application and database levels. The meta-model itself also was benchmarked in terms of complexity and agility. Compared with other meta-models, it requires less meta-object modifications in each schema evolution step. Other types of tests were carried out in order to validate prototype and meta-model robustness. In order to perform these tests, we used an OO7 small size database due to its data model complexity. Since the developed prototype offers some features that were not observed in other known systems, performance benchmarks were not possible. However, the developed benchmark is now available to perform future performance comparisons with equivalent systems. In order to test our approach in a real world scenario, we developed a proof-of-concept application. This application was developed without any persistence mechanisms. Using our framework and minor changes applied to the application's source code, we added these mechanisms. Furthermore, we tested the application in a schema evolution scenario. This real world experience using our framework showed that applications remains oblivious to persistence and database evolution. In this case study, our framework proved to be a useful tool for programmers and database administrators. Performance issues and the single Java Virtual Machine concurrent model are the major limitations found in the framework.

The dark side of DEMMON: what is behind the scene in engineering large-scale wireless sensor networks

Most research work on WSNs has focused on protocols or on specific applications. There is a clear lack of easy/ready-to-use WSN technologies and tools for planning, implementing, testing and commissioning WSN systems in an integrated fashion. While there exists a plethora of papers about network planning and deployment methodologies, to the best of our knowledge none of them helps the designer to match coverage requirements with network performance evaluation. In this paper we aim at filling this gap by presenting an unified toolset, i.e., a framework able to provide a global picture of the system, from the network deployment planning to system test and validation. This toolset has been designed to back up the EMMON WSN system architecture for large-scale, dense, real-time embedded monitoring. It includes network deployment planning, worst-case analysis and dimensioning, protocol simulation and automatic remote programming and hardware testing tools. This toolset has been paramount to validate the system architecture through DEMMON1, the first EMMON demonstrator, i.e., a 300+ node test-bed, which is, to the best of our knowledge, the largest single-site WSN test-bed in Europe to date.

Localizing objects in large-scale cyber- physical systems

We use the term Cyber-Physical Systems to refer to large-scale distributed sensor systems. Locating the geographic coordinates of objects of interest is an important problemin such systems. We present a new distributed approach to localize objects and events of interest in time complexity independent of number of nodes.

Middleware for Large-scale Distributed Systems

Nos últimos anos o aumento exponencial da utilização de dispositivos móveis e serviços disponibilizados na “Cloud” levou a que a forma como os sistemas são desenhados e implementados mudasse, numa perspectiva de tentar alcançar requisitos que até então não eram essenciais. Analisando esta evolução, com o enorme aumento dos dispositivos móveis, como os “smartphones” e “tablets” fez com que o desenho e implementação de sistemas distribuidos fossem ainda mais importantes nesta área, na tentativa de promover sistemas e aplicações que fossem mais flexíveis, robutos, escaláveis e acima de tudo interoperáveis. A menor capacidade de processamento ou armazenamento destes dispositivos tornou essencial o aparecimento e crescimento de tecnologias que prometem solucionar muitos dos problemas identificados. O aparecimento do conceito de Middleware visa solucionar estas lacunas nos sistemas distribuidos mais evoluídos, promovendo uma solução a nível de organização e desenho da arquitetura dos sistemas, ao memo tempo que fornece comunicações extremamente rápidas, seguras e de confiança. Uma arquitetura baseada em Middleware visa dotar os sistemas de um canal de comunicação que fornece uma forte interoperabilidade, escalabilidade, e segurança na troca de mensagens, entre outras vantagens. Nesta tese vários tipos e exemplos de sistemas distribuídos e são descritos e analisados, assim como uma descrição em detalhe de três protocolos (XMPP, AMQP e DDS) de comunicação, sendo dois deles (XMPP e AMQP) utilzados em projecto reais que serão descritos ao longo desta tese. O principal objetivo da escrita desta tese é demonstrar o estudo e o levantamento do estado da arte relativamente ao conceito de Middleware aplicado a sistemas distribuídos de larga escala, provando que a utilização de um Middleware pode facilitar e agilizar o desenho e desenvolvimento de um sistema distribuído e traz enormes vantagens num futuro próximo.