Optimal scheduling of a renewable micro-grid in an isolated load area using mixed-integer linear programming

In the energy management of the isolated operation of small power system, the economic scheduling of the generation units is a crucial problem. Applying right timing can maximize the performance of the supply. The optimal operation of a wind turbine, a solar unit, a fuel cell and a storage battery is searched by a mixed-integer linear programming implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). A Virtual Power Producer (VPP) can optimal operate the generation units, assured the good functioning of equipment, including the maintenance, operation cost and the generation measurement and control. A central control at system allows a VPP to manage the optimal generation and their load control. The application of methodology to a real case study in Budapest Tech, demonstrates the effectiveness of this method to solve the optimal isolated dispatch of the DC micro-grid renewable energy park. The problem has been converged in 0.09 s and 30 iterations.

Increase of the delivered energy probability in DES using a fuzzy probabilistic modeling

The paper proposes a methodology to increase the probability of delivering power to any load point by identifying new investments in distribution energy systems. The proposed methodology is based on statistical failure and repair data of distribution components and it uses a fuzzy-probabilistic modeling for the components outage parameters. The fuzzy membership functions of the outage parameters of each component are based on statistical records. A mixed integer nonlinear programming optimization model is developed in order to identify the adequate investments in distribution energy system components which allow increasing the probability of delivering power to any customer in the distribution system at the minimum possible cost for the system operator. To illustrate the application of the proposed methodology, the paper includes a case study that considers a 180 bus distribution network.

Intelligent energy resource management considering vehicle-to-grid: A simulated annealing approach

This paper proposes a simulated annealing (SA) approach to address energy resources management from the point of view of a virtual power player (VPP) operating in a smart grid. Distributed generation, demand response, and gridable vehicles are intelligently managed on a multiperiod basis according to V2G user´s profiles and requirements. Apart from using the aggregated resources, the VPP can also purchase additional energy from a set of external suppliers. The paper includes a case study for a 33 bus distribution network with 66 generators, 32 loads, and 1000 gridable vehicles. The results of the SA approach are compared with a methodology based on mixed-integer nonlinear programming. A variation of this method, using ac load flow, is also used and the results are compared with the SA solution using network simulation. The proposed SA approach proved to be able to obtain good solutions in low execution times, providing VPPs with suitable decision support for the management of a large number of distributed resources.

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Planeamento de redes de distribuição de energia

O planeamento de redes de distribuição tem como objetivo assegurar a existência de capacidade nas redes para a fornecimento de energia elétrica com bons níveis de qualidade de serviço tendo em conta os fatores económicos associados. No âmbito do trabalho apresentado na presente dissertação, foi elaborado um modelo de planeamento que determina a configuração de rede resultante da minimização de custos associados a: 1) perdas por efeito de joule; 2) investimento em novos componentes; 3) energia não entregue. A incerteza associada ao valor do consumo de cada carga é modelada através de lógica difusa. O problema de otimização definido é resolvido pelo método de decomposição de benders que contempla dois trânsitos de potências ótimos (modelo DC e modelo AC) no problema mestre e escravo respectivamente para validação de restrições. Foram também definidos critérios de paragem do método de decomposição de benders. O modelo proposto classifica-se como programação não linear inteira mista e foi implementado na ferramenta de otimização General Algebraic Modeling System (GAMS). O modelo desenvolvido tem em conta todos componentes das redes para a otimização do planeamento, conforme podemos analisar nos casos de estudo implementados. Cada caso de estudo é definido pela variação da importância que cada uma das variáveis do problema toma, tendo em vista cobrir de alguma todos os cenários de operação expetáveis. Através destes casos de estudo verifica-se as várias configurações que a rede pode tomar, tendo em conta as importâncias atribuídas a cada uma das variáveis, bem como os respetivos custos associados a cada solução. Este trabalho oferece um considerável contributo no âmbito do planeamento de redes de distribuição, pois comporta diferentes variáveis para a execução do mesmo. É também um modelo bastante robusto não perdendo o ‘norte’ no encontro de solução para redes de grande dimensão, com maior número de componentes.

Mixed integer non linear programming and artificial neural network based approach to ancillary services dispatch in competitive electricity markets

Ancillary services represent a good business opportunity that must be considered by market players. This paper presents a new methodology for ancillary services market dispatch. The method considers the bids submitted to the market and includes a market clearing mechanism based on deterministic optimization. An Artificial Neural Network is used for day-ahead prediction of Regulation Down, regulation-up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve requirements. Two test cases based on California Independent System Operator data concerning dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve services are included in this paper to illustrate the application of the proposed method: (1) dispatch considering simple bids; (2) dispatch considering complex bids.

A Java expression evaluator for nonlinear programming

Finding the optimal value for a problem is usual in many areas of knowledge where in many cases it is needed to solve Nonlinear Optimization Problems. For some of those problems it is not possible to determine the expression for its objective function and/or its constraints, they are the result of experimental procedures, might be non-smooth, among other reasons. To solve such problems it was implemented an API contained methods to solve both constrained and unconstrained problems. This API was developed to be used either locally on the computer where the application is being executed or remotely on a server. To obtain the maximum flexibility both from the programmers’ and users’ points of view, problems can be defined as a Java class (because this API was developed in Java) or as a simple text input that is sent to the API. For this last one to be possible it was also implemented on the API an expression evaluator. One of the drawbacks of this expression evaluator is that it is slower than the Java native code. In this paper it is presented a solution that combines both options: the problem can be expressed at run-time as a string of chars that are converted to Java code, compiled and loaded dynamically. To wide the target audience of the API, this new expression evaluator is also compatible with the AMPL format.

A filter inexact-restoration method for nonlinear programming

A new iterative algorithm based on the inexact-restoration (IR) approach combined with the filter strategy to solve nonlinear constrained optimization problems is presented. The high level algorithm is suggested by Gonzaga et al. (SIAM J. Optim. 14:646–669, 2003) but not yet implement—the internal algorithms are not proposed. The filter, a new concept introduced by Fletcher and Leyffer (Math. Program. Ser. A 91:239–269, 2002), replaces the merit function avoiding the penalty parameter estimation and the difficulties related to the nondifferentiability. In the IR approach two independent phases are performed in each iteration, the feasibility and the optimality phases. The line search filter is combined with the first one phase to generate a “more feasible” point, and then it is used in the optimality phase to reach an “optimal” point. Numerical experiences with a collection of AMPL problems and a performance comparison with IPOPT are provided.

ANN-Based LMP forecasting in a distribution network with large penetration of DG

In recent years, power systems have experienced many changes in their paradigm. The introduction of new players in the management of distributed generation leads to the decentralization of control and decision-making, so that each player is able to play in the market environment. In the new context, it will be very relevant that aggregator players allow midsize, small and micro players to act in a competitive environment. In order to achieve their objectives, virtual power players and single players are required to optimize their energy resource management process. To achieve this, it is essential to have financial resources capable of providing access to appropriate decision support tools. As small players have difficulties in having access to such tools, it is necessary that these players can benefit from alternative methodologies to support their decisions. This paper presents a methodology, based on Artificial Neural Networks (ANN), and intended to support smaller players. In this case the present methodology uses a training set that is created using energy resource scheduling solutions obtained using a mixed-integer linear programming (MIP) approach as the reference optimization methodology. The trained network is used to obtain locational marginal prices in a distribution network. The main goal of the paper is to verify the accuracy of the ANN based approach. Moreover, the use of a single ANN is compared with the use of two or more ANN to forecast the locational marginal price.

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.

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.

Distributed energy resources management with cyber-physical SCADA in the context of future smart grids

In the energy management of a small power system, the scheduling of the generation units is a crucial problem for which adequate methodologies can maximize the performance of the energy supply. This paper proposes an innovative methodology for distributed energy resources management. The optimal operation of distributed generation, demand response and storage resources 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 paper deals with a vision for the grids of the future, focusing on conceptual and operational aspects of electrical grids characterized by an intensive penetration of DG, in the scope of competitive environments and using artificial intelligence methodologies to attain the envisaged goals. These concepts are implemented in a computational framework which includes both grid and market simulation.

Modelo de otimização do espaço livre de armazenagem num silo de cereais

Este trabalho baseia-se num caso de estudo real de planeamento de operações de armazenagem num silo rural de cereais, e enquadra-se nos problemas de planeamento e programação de armazéns. Os programadores deparam-se diariamente com o problema de arranjar a melhor solução de transferência entre células de armazenagem, tentando maximizar o número de células vazias, por forma a ter maior capacidade para receber novos lotes, respeitando as restrições de receção e expedição, e as restrições de capacidade das linhas de transporte. Foi desenvolvido um modelo matemático de programação linear inteira mista e uma aplicação em Excel, com recurso ao VBA, para a sua implementação. Esta implementação abrangeu todo o processo relativo à atividade em causa, isto é, vai desde a recolha de dados, seu tratamento e análise, até à solução final de distribuição dos vários produtos pelas várias células. Os resultados obtidos mostram que o modelo otimiza o número de células vazias, tendo em conta os produtos que estão armazenados mais os que estão para ser rececionados e expedidos, em tempo computacional inferior a 60 segundos, constituindo, assim, uma importante mais valia para a empresa em causa.

Escalonamento de geradores térmicos com integração de produção eólica: uma abordagem baseada em programação inteira mista

A alta e crescente participação da energia eólica na matriz da produção traz grandes desafios aos operadores do sistema na gestão da rede e planeamento da produção. A incerteza associada à produção eólica condiciona os processos de escalonamento e despacho económico dos geradores térmicos, uma vez que a produção eólica efetiva pode ser muito diferente da produção prevista. O presente trabalho propõe duas metodologias de otimização do escalonamento de geradores térmicos baseadas em Programação Inteira Mista. Pretende-se encontrar soluções de escalonamento que minimizem as influências negativas da integração de energia eólica no sistema elétrico. Inicialmente o problema de escalonamento de geradores é formulado sem considerar a integração da energia eólica. Posteriormente foi considerada a penetração da energia eólica no sistema elétrico. No primeiro modelo proposto, o problema é formulado como um problema de otimização estocástico. Nesta formulação todos os cenários de produção eólica são levados em consideração no processo de otimização. No segundo modelo, o problema é formulado como um problema de otimização determinística. Nesta formulação, o escalonamento é feito para cada cenário de produção eólica e no fim determina-se a melhor solução por meio de indicadores de avaliação. Foram feitas simulações para diferentes níveis de reserva girante e os resultados obtidos mostraram que a alta participação da energia eólica na matriz da produção põe em causa a segurança e garantia de produção devido às características volátil e intermitente da produção eólica e para manter os mesmos níveis de segurança é preciso dispor no sistema de capacidade reserva girante suficiente capaz de compensar os erros de previsão.

Evaluation of the Electric Vehicle Impact in the Power Demand Curve in a Smart Grid Environment

Smart grids with an intensive penetration of distributed energy resources will play an important role in future power system scenarios. The intermittent nature of renewable energy sources brings new challenges, requiring an efficient management of those sources. Additional storage resources can be beneficially used to address this problem; the massive use of electric vehicles, particularly of vehicle-to-grid (usually referred as gridable vehicles or V2G), becomes a very relevant issue. This paper addresses the impact of Electric Vehicles (EVs) in system operation costs and in power demand curve for a distribution network with large penetration of Distributed Generation (DG) units. An efficient management methodology for EVs charging and discharging is proposed, considering a multi-objective optimization problem. The main goals of the proposed methodology are: to minimize the system operation costs and to minimize the difference between the minimum and maximum system demand (leveling the power demand curve). The proposed methodology perform the day-ahead scheduling of distributed energy resources in a distribution network with high penetration of DG and a large number of electric vehicles. It is used a 32-bus distribution network in the case study section considering different scenarios of EVs penetration to analyze their impact in the network and in the other energy resources management.