Virtual power players demand response programs management based on locational marginal prices

Power systems have been suffering huge changes mainly due to the substantial increase of distributed generation and to the operation in competitive environments. Virtual power players can aggregate a diversity of players, namely generators and consumers, and a diversity of energy resources, including electricity generation based on several technologies, storage and demand response. Resource management gains an increasing relevance in this competitive context, while demand side active role provides managers with increased demand elasticity. This makes demand response use more interesting and flexible, giving rise to a wide range of new opportunities.This paper proposes a methodology for managing demand response programs in the scope of virtual power players. The proposed method is based on the calculation of locational marginal prices (LMP). The evaluation of the impact of using demand response specific programs on the LMP value supports the manager decision concerning demand response use. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated in this paper using a 32 bus network with intensive use of distributed generation.

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.

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.

Energy resource scheduling in a real distribution network managed by several virtual power players

Smart Grids (SGs) appeared as the new paradigm for power system management and operation, being designed to integrate large amounts of distributed energy resources. This new paradigm requires a more efficient Energy Resource Management (ERM) and, simultaneously, makes this a more complex problem, due to the intensive use of distributed energy resources (DER), such as distributed generation, active consumers with demand response contracts, and storage units. This paper presents a methodology to address the energy resource scheduling, considering an intensive use of distributed generation and demand response contracts. A case study of a 30 kV real distribution network, including a substation with 6 feeders and 937 buses, is used to demonstrate the effectiveness of the proposed methodology. This network is managed by six virtual power players (VPP) with capability to manage the DER and the distribution network.

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.

Optimal dispatch with reactive power compensation by Genetic Algorithm

This paper presents a Unit Commitment model with reactive power compensation that has been solved by Genetic Algorithm (GA) optimization techniques. The GA has been developed a computational tools programmed/coded in MATLAB. The main objective is to find the best generations scheduling whose active power losses are minimal and the reactive power to be compensated, subjected to the power system technical constraints. Those are: full AC power flow equations, active and reactive power generation constraints. All constraints that have been represented in the objective function are weighted with a penalty factors. The IEEE 14-bus system has been used as test case to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. Results and conclusions are dully drawn.

Controlador Boundary-Scan

A crescente complexidade dos sistemas electrónicos associada a um desenvolvimento nas tecnologias de encapsulamento levou à miniaturização dos circuitos integrados, provocando dificuldades e limitações no diagnóstico e detecção de falhas, diminuindo drasticamente a aplicabilidade dos equipamentos ICT. Como forma de lidar com este problema surgiu a infra-estrutura Boundary Scan descrita na norma IEEE1149.1 “Test Access Port and Boundary-Scan Architecture”, aprovada em 1990. Sendo esta solução tecnicamente viável e interessante economicamente para o diagnóstico de defeitos, efectua também outras aplicações. O SVF surgiu do desejo de incutir e fazer com que os fornecedores independentes incluíssem a norma IEEE 1149.1, é desenvolvido num formato ASCII, com o objectivo de enviar sinais, aguardar pela sua resposta, segundo a máscara de dados baseada na norma IEEE1149.1. Actualmente a incorporação do Boundary Scan nos circuitos integrados está em grande expansão e consequentemente usufrui de uma forte implementação no mercado. Neste contexto o objectivo da dissertação é o desenvolvimento de um controlador boundary scan que implemente uma interface com o PC e possibilite o controlo e monitorização da aplicação de teste ao PCB. A arquitectura do controlador desenvolvido contém um módulo de Memória de entrada, um Controlador TAP e uma Memória de saída. A implementação do controlador foi feita através da utilização de uma FPGA, é um dispositivo lógico reconfiguráveis constituído por blocos lógicos e por uma rede de interligações, ambos configuráveis, que permitem ao utilizador implementar as mais variadas funções digitais. A utilização de uma FPGA tem a vantagem de permitir a versatilidade do controlador, facilidade na alteração do seu código e possibilidade de inserir mais controladores dentro da FPGA. Foi desenvolvido o protocolo de comunicação e sincronização entre os vários módulos, permitindo o controlo e monitorização dos estímulos enviados e recebidos ao PCB, executados automaticamente através do software do Controlador TAP e de acordo com a norma IEEE 1149.1. A solução proposta foi validada por simulação utilizando o simulador da Xilinx. Foram analisados todos os sinais que constituem o controlador e verificado o correcto funcionamento de todos os seus módulos. Esta solução executa todas as sequências pretendidas e necessárias (envio de estímulos) à realização dos testes ao PCB. Recebe e armazena os dados obtidos, enviando-os posteriormente para a memória de saída. A execução do trabalho permitiu concluir que os projectos de componentes electrónicos tenderão a ser descritos num nível de abstracção mais elevado, recorrendo cada vez mais ao uso de linguagens de hardware, no qual o VHDL é uma excelente ferramenta de programação. O controlador desenvolvido será uma ferramenta bastante útil e versátil para o teste de PCBs e outras funcionalidades disponibilizadas pelas infra-estruturas BS.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Definition of Distribution Network Tariffs Considering Distribution Generation and Demand Response

The use of distribution networks in the current scenario of high penetration of Distributed Generation (DG) is a problem of great importance. In the competitive environment of electricity markets and smart grids, Demand Response (DR) is also gaining notable impact with several benefits for the whole system. The work presented in this paper comprises a methodology able to define the cost allocation in distribution networks considering large integration of DG and DR resources. The proposed methodology is divided into three phases and it is based on an AC Optimal Power Flow (OPF) including the determination of topological distribution factors, and consequent application of the MW-mile method. The application of the proposed tariffs definition methodology is illustrated in a distribution network with 33 buses, 66 DG units, and 32 consumers with DR capacity.

Load Profiling Tool to Support Smart Grid Operation Scenarios

This paper presents the characterization of high voltage (HV) electric power consumers based on a data clustering approach. The typical load profiles (TLP) are obtained selecting the best partition of a power consumption database among a pool of data partitions produced by several clustering algorithms. The choice of the best partition is supported using several cluster validity indices. The proposed data-mining (DM) based methodology, that includes all steps presented in the process of knowledge discovery in databases (KDD), presents an automatic data treatment application in order to preprocess the initial database in an automatic way, allowing time saving and better accuracy during this phase. These methods are intended to be used in a smart grid environment to extract useful knowledge about customers’ consumption behavior. To validate our approach, a case study with a real database of 185 HV consumers was used.

Analysis of Consumption Data to Detect Commercial Losses Using Performance Evaluation Methods in a Smart Grid

Electric power networks, namely distribution networks, have been suffering several changes during the last years due to changes in the power systems operation, towards the implementation of smart grids. Several approaches to the operation of the resources have been introduced, as the case of demand response, making use of the new capabilities of the smart grids. In the initial levels of the smart grids implementation reduced amounts of data are generated, namely consumption data. The methodology proposed in the present paper makes use of demand response consumers’ performance evaluation methods to determine the expected consumption for a given consumer. Then, potential commercial losses are identified using monthly historic consumption data. Real consumption data is used in the case study to demonstrate the application of the proposed method.

Domestic Consumption Simulation and Management Using a Continuous Consumption Management and Optimization Algorithm

The recent changes concerning the consumers’ active participation in the efficient management of load devices for one’s own interest and for the interest of the network operator, namely in the context of demand response, leads to the need for improved algorithms and tools. A continuous consumption optimization algorithm has been improved in order to better manage the shifted demand. It has been done in a simulation and user-interaction tool capable of being integrated in a multi-agent smart grid simulator already developed, and also capable of integrating several optimization algorithms to manage real and simulated loads. The case study of this paper enhances the advantages of the proposed algorithm and the benefits of using the developed simulation and user interaction tool.

Ferramenta Inteligente de Recolha de Dados

À medida que são feitas modificações nas legislações em vigor em relação às energias renováveis, de forma a incentivar o uso destas, surge a necessidade de sincronização do consumo da instalação com a sua própria produção. As empresas líderes de mercado já possuem soluções que permitem a recolha de dados das instalações fotovoltaicas para posterior monitorização e disponibilização ao cliente. Contudo, estas soluções possuem pontos negativos tais como o preço e limitações na potência instalada permitida. Neste contexto, este documento apresenta a descrição de uma solução que serve como uma alternativa muito mais barata às soluções apresentadas pelas principais marcas mundiais no âmbito desta área, além de ser a única solução disponível desenvolvida em território nacional. Como prova da funcionalidade da solução, são descritos e apresentados diferentes tipos de testes, que simulam a interação de um utilizador com a solução desenvolvida, levados a cabo em instalações solares fotovoltaicas reais, sendo os seus resultados analisados e evidenciando a facilidade de utilização desta solução.

Avaliação dos mecanismos de concorrência na API do Java 8

As plataformas com múltiplos núcleos tornaram a programação paralela/concorrente num tópico de interesse geral. Diversos modelos de programação têm vindo a ser propostos, facilitando aos programadores a identificação de regiões de código potencialmente paralelizáveis, deixando ao sistema operativo a tarefa de as escalonar dinamicamente em tempo de execução, explorando o maior grau possível de paralelismo. O Java não foge a esta tendência, disponibilizando ao programador um número crescente de bibliotecas de mecanismos de sincronização e paralelização de código. Neste contexto, esta tese apresenta e discute um conjunto de resultados obtidos através de testes intensivos à eficiência de algoritmos de ordenação implementados com recurso aos mecanismos de concorrência da API do Java 8 (Threads, Threadpools, ExecutorService, CountdownLach, ExecutorCompletionService e ForkJoinPools) em sistemas com um número de núcleos variável. Para cada um dos mecanismos, são apresentadas conclusões sobre o seu funcionamento e discutidos os cenários em que o seu uso pode ser rentabilizado de modo a serem obtidos melhores tempos de execução.