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.

Desenvolvimento de um robô com pernas inspirado no Alfaiate

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, integrada no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica, mais concretamente no desenvolvimento de um robô que apresente caraterísticas de locomoção similares ao inseto Alfaiate, modificando para este efeito um robô hexápode já existente. Inicialmente efetuou-se um estudo sobre a biologia do Alfaiate e dos vários tipos de padrões de locomoção adotados pelos animais. De seguida foi realizado um estudo sobre alguns robôs já existentes inspirados neste inseto. Após a realização desta fase de estudo, foram implementadas modificações ao robô hexápode, de forma a este conseguir apoiar-se e movimentar-se sobre a superfície da água. Para tal foram utilizados apoios em esferovite para as pernas, servomotores para a atuação e um sensor de IRPD para orientar o robô na sua trajetória. Em termos de controlo da estabilidade do corpo utilizou-se um giroscópio para permitir ao robô manter o seu corpo horizontal durante a locomoção em águas agitadas. Este trabalho termina com a realização de testes a diferentes padrões de locomoção, de forma a validar o que apresenta a melhor resposta em termos de velocidade.

Environmental/Regatta Buoy: Telemetry and Configuration

A monitorização ambiental é essencial para a tomada de decisões tanto na ciência como na indústria. Em particular, uma vez que a água é essencial à vida e a superfície da Terra é composta principalmente por água, a monitorização do clima e dos parâmetros relacionados com a água em ecossistemas sensíveis, tais como oceanos, lagoas, rios e lagos, é de extrema importância. Um dos métodos mais comuns para monitorar a água é implantar bóias. O presente trabalho está integrado num projeto mais amplo, com o objetivo de projectar e desenvolver uma bóia autónoma para a investigação científica com dois modos de funcionamento: (i) monitorização ambiental ; e (ii) baliza ativa de regata. Assim, a bóia tem duas aplicações principais: a coleta e armazenamento de dados e a assistência a regatas de veleiros autónomos. O projeto arrancou há dois anos com um grupo de quatro estudantes internacionais. Eles projetaram e construíram a estrutura física, compraram e montaram o sistema de ancoragem da bóia e escolherem a maioria dos componentes electrónicos para o sistema geral de controlo e medição. Este ano, durante o primeiro semestre, dois estudantes belgas - Jeroen Vervenne e Hendrick Verschelde – trabalharam nos subsistemas de recolha e armazenamento de dados (unidade de controlo escrava) e de telemetria e configuração (unidade de controlo mestre) assim como definiram o protocolo de comunicação da aplicação. O trabalho desta tese continua o desenvolvimento do subsistema de telemetria e configuração. Este subsistema _e responsável pela configuração do modo de funcionamento e dos sensores assim como pela comunicação com a estacão de base (controlo ambiental), barcos (baliza ativa de regata) e com o subsistema de recolha e armazenamento de dados. O desenvolvimento do subsistema de recolha e armazenamento de dados, que coleta e armazena num cartão SD os dados dos sensores selecionados, prossegue com outro estudante belga - Mathias van Flieberge. O objetivo desta tese é, por um lado, implementar o subsistema de telemetria e de configuração na unidade de controle mestre e, por outro lado, refinar e implementar, conjuntamente com Mathias van Flieberge, o protocolo de nível de aplicação projetado. Em particular, a unidade de controlo mestre deve processar e atribuir prioridades às mensagens recebidas da estacão base, solicitar dados à unidade de controlo escrava e difundir mensagens com informação de posição e condições de vento e água no modo de regata. Enquanto que a comunicação entre a unidade de controlo mestre e a estacão base e a unidade de controlo mestre e os barcos é sem fios, a unidade de controlo mestre e a unidade de controlo escrava comunicam através de uma ligação série. A bóia tem atualmente duas limitações: (i) a carga máxima é de 40 kg; e (ii) apenas pode ser utilizada em rios ou próximo da costa dada à limitação de distância imposta pela técnica de comunicação sem fios escolhida.

Distributed energy resource short-term scheduling using signaled particle swarm optimization

Distributed Energy Resources (DER) scheduling in smart grids presents a new challenge to system operators. The increase of new resources, such as storage systems and demand response programs, results in additional computational efforts for optimization problems. On the other hand, since natural resources, such as wind and sun, can only be precisely forecasted with small anticipation, short-term scheduling is especially relevant requiring a very good performance on large dimension problems. Traditional techniques such as Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) do not cope well with large scale problems. This type of problems can be appropriately addressed by metaheuristics approaches. This paper proposes a new methodology called Signaled Particle Swarm Optimization (SiPSO) to address the energy resources management problem in the scope of smart grids, with intensive use of DER. The proposed methodology’s performance is illustrated by a case study with 99 distributed generators, 208 loads, and 27 storage units. The results are compared with those obtained in other methodologies, namely MINLP, Genetic Algorithm, original Particle Swarm Optimization (PSO), Evolutionary PSO, and New PSO. SiPSO performance is superior to the other tested PSO variants, demonstrating its adequacy to solve large dimension problems which require a decision in a short period of time.

O uso do smartphone na avaliação do risco de queda associado ao envelhecimento

Introdução: O declínio do equilíbrio, da força dos membros inferiores e o medo de cair são fatores de risco de queda associados ao envelhecimento e a sua avaliação pode ser realizada pelo teste One Leg Standing (OLS), Sit to Stand (STS) e pela Falls Eficacy Scale (FES), respetivamente. As aplicações para smartphone constituem uma alternativa para a avaliação dos fatores de risco de queda no envelhecimento. Objetivo: Analisar a capacidade de uma aplicação para smartphone na avaliação dos testes STS, OLS e FES. Metodologia: Realizou-se um estudo analítico numa amostra de 27 voluntários com idade ≥ 60 anos. Realizaram-se os testes STS, OLS e a FES (versão iconográfica, apresentada no smartphone). Os dados foram recolhidos simultaneamente por um smartphone e pelo Qualisys Motion Capture Systems associado a uma plataforma de forças. Foi utilizado o r de Pearson ou Spearman para analisar as possíveis correlações. Resultados: No STS obteve-se uma correlação muito forte (rp=0.97) no número de repetições de ciclos Sit Stand Sit (SLS) e forte na duração média do SLS (rp=0.85) e das subfases Sit to Stand (rp=0.69) e Stand to Sit (rp=0.778), com p<0.001. As medidas de inclinação do tronco apresentaram correlações fortes, com exceção do ângulo inicial (p≥0.05). No OLS, verificou-se uma correlação moderada entre o deslocamento do centro de pressão peak to peak médio-lateral (rs=0.45; p=0.017) e antero-posterior (rs=0.39; p=0.046), root mean square médio-lateral (rs=0.39; p=0.046) e antero-posterior (rs=0.46; p=0.017) e área do estatocinesiograma (rs=0.45; p=0.018). Na FES obteve-se uma correlação moderada em três categorias: ‘tomar banho/duche’ (rs=0.49; p=0.010), ‘deitar/levantar da cama (rs=0.43; p=0.024) e ‘chegar aos armários’ (rs=0.38; p=0.050). Conclusão: A aplicação para smartphone parece avaliar corretamente os ciclos e a variação da inclinação do tronco no STS, porém parece necessitar de ser reajustada na FES e na velocidade do deslocamento do centro de pressão, no OLS.

Banco de ensaios para micro geração eólica

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Edifícios altos – problemas associados e análise estrutural de um caso prático

Com a presente dissertação pretende-se analisar alguns dos problemas associados aos edifícios altos, na fase de projeto, bem como compilar um conjunto de informações e conhecimentos científicos sobre a área abordada. São descritas algumas soluções de sistemas estruturais possíveis de idealizar para edifícios altos. Posteriormente, tendo por base um projeto de estruturas de um edifício com 25 pisos localizado em Luanda, capital de Angola, o objetivo consistiu em analisar estática e dinamicamente o seu comportamento quando solicitado fundamentalmente pelas ações do vento e dos sismos. A análise estrutural foi realizada com recurso a dois softwares de cálculo automático, nomeadamente, o Cypecad e o Robot Structural Analysis Professional e pelos métodos preconizados no Regulamento de Segurança e Ações para estruturas de edifícios e pontes e o Eurocódigo 8 – “Projeto de estruturas para resistência aos sismos”. Aborda-se a temática do faseamento construtivo, assunto que revela algumas limitações dos programas de cálculo utilizados, sendo descrito um método simplificado para prever os seus efeitos em termos de dimensionamento final. Os resultados obtidos permitiram avaliar o bom comportamento da estrutura no que respeita ao cumprimento dos estados limites últimos e de serviço. Conclui-se que o sistema estrutural adotado no modelo em estudo se encontra bem dimensionado relativamente ao colapso e à limitação de danos.

Aparato para experimentação remota do lançamento de projéteis

Num sistema de ensino cada vez mais exigente, a experimentação assume um papel fundamental na aquisição e validação do conhecimento. No ensino da Física, a necessidade de compreender a influência do meio num dado conceito teórico leva a que a experimentação tenha um carácter obrigatório. Neste contexto, surgem três cenários capazes de suportar a aprendizagem dos conceitos teóricos adquiridos. A simulação que faz uso da velocidade e capacidades de cálculo do computador para obter o resultado de uma experiência, a experimentação tradicional em laboratório, na qual o aluno executa, presencialmente, a sua experiência e por último a experimentação remota, que permite a execução de uma experiência real sem a presença física do aluno. Esta dissertação apresenta o projeto de um aparato para experimentação remota do “Lançamento de projéteis”. De forma a providenciar um meio de ensino de Física mais flexível, o aparato desenvolvido permite, aos alunos, a determinação da aceleração da gravidade e o estudo da dependência do movimento de um projétil num conjunto de parâmetros. Este aparato, operado remotamente, é acedido via web, onde primeiramente é reservado um intervalo de tempo. O conjunto de parâmetros (“Bola”, “Altura de lançamento” e “Ângulo de lançamento”) da máquina permite suportar vários cenários de ensino da Física, com diferentes complexidades.

Towards Active Course Marks for Autonomous Sailing Competitions

This paper describes the environmental monitoring / regatta beacon buoy under development at the Laboratory of Autonomous Systems (LSA) of the Polytechnic Institute of Porto. On the one hand, environmentalmonitoring of open water bodies in real or deferred time is essential to assess and make sensible decisions and, on the other hand, the broadcast in real time of position, water and wind related parameters allows autonomous boats to optimise their regatta performance. This proposal, rather than restraining the boats autonomy, fosters the development of intelligent behaviour by allowing the boats to focus on regatta strategy and tactics. The Nautical and Telemetric Application (NAUTA) buoy is a dual mode reconfigurable system that includes communications, control, data logging, sensing, storage and power subsystems. In environmental monitoring mode, the buoy gathers and stores data from several underwater and above water sensors and, in regatta mode, the buoy becomes an active course mark for the autonomous sailing boats in the vicinity. During a race, the buoy broadcasts its position, together with the wind and the water current local conditions, allowing autonomous boats to navigate towards and round the mark successfully. This project started with the specification of the requirements of the dual mode operation, followed by the design and building of the buoy structure. The research is currently focussed on the development of the modular, reconfigurable, open source-based control system. The NAUTA buoy is innovative, extensible and optimises the on board platform 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.

Previsão do Diagrama de Carga de Subestações da REN utilizando Redes Neuronais

A presente dissertação apresenta o estudo de previsão do diagrama de carga de subestações da Rede Elétrica Nacional (REN) utilizando redes neuronais, com o intuito de verificar a viabilidade do método utilizado, em estudos futuros. Atualmente, a energia elétrica é um bem essencial e desempenha um papel fundamental, tanto a nível económico do país, como a nível de conforto e satisfação individual. Com o desenvolvimento do setor elétrico e o aumento dos produtores torna-se importante a realização da previsão de diagramas de carga, contribuindo para a eficiência das empresas. Esta dissertação tem como objetivo a utilização do modelo das redes neuronais artificiais (RNA) para criar uma rede capaz de realizar a previsão de diagramas de carga, com a finalidade de oferecer a possibilidade de redução de custos e gastos, e a melhoria de qualidade e fiabilidade. Ao longo do trabalho são utilizados dados da carga (em MW), obtidos da REN, da subestação da Prelada e dados como a temperatura, humidade, vento e luminosidade, entre outros. Os dados foram devidamente tratados com a ajuda do software Excel. Com o software MATLAB são realizados treinos com redes neuronais, através da ferramenta Neural Network Fitting Tool, com o objetivo de obter uma rede que forneça os melhores resultados e posteriormente utiliza-la na previsão de novos dados. No processo de previsão, utilizando dados reais das subestações da Prelada e Ermesinde referentes a Março de 2015, comprova-se que com a utilização de RNA é possível obter dados de previsão credíveis, apesar de não ser uma previsão exata. Deste modo, no que diz respeito à previsão de diagramas de carga, as RNA são um bom método a utilizar, uma vez que fornecem, à parte interessada, uma boa previsão do consumo e comportamento das cargas elétricas. Com a finalização deste estudo os resultados obtidos são no mínimo satisfatórios. Consegue-se alcançar através das RNA resultados próximos aos valores que eram esperados, embora não exatamente iguais devido à existência de uma margem de erro na aprendizagem da rede neuronal.

Gestão de Energia Renovável para Sistemas Insulares - Projeto para Ilha de Santiago – Cabo Verde

A opção pela elaboração do presente projeto decorre da importância que as energias renováveis já têm, e poderão vir a assumir, no contexto do desenvolvimento económico das ilhas de Cabo Verde. O projeto foi elaborado com base nas necessidades reais do país, identificadas por estudos realizados por entidades especializadas na área, e visa desbravar vias para um possível e desejável alargamento da utilização de energias renováveis no país. O projeto é direccionado para a produção de energia visando complementar o abastecimento através da rede pública, que é gerida por uma empresa estatal, a ELECTRA. Pressupõe que toda a energia produzida é adquirida por esta empresa como, aliás, legalmente está estabelecido. Na elaboração do projeto teve-se em conta o impacto ambiental do mesmo, incluindo os seus efeitos no plano financeiro. O projeto assenta num diagnóstico relativamente aprofundado do setor de produção de energia elétrica e caracteriza o setor tal como se apresenta actualmente. Foi direccionado essencialmente para a ilha de Santiago, a maior do país, que congrega cerca de 56 % da população. Procedeu-se, em particular, a uma análise detalhada dos parques eólicos e solares existentes no país. O projeto avalia com relativa profundidade a evolução recente da procura de energia elétrica, e o potencial das energias renováveis, com ênfase nas energias eólica e solar, as mais relevantes para o país, pelo menos no futuro próximo. O sistema tarifário foi, igualmente, objecto de discussão no decurso da elaboração do projeto. Finalmente, a elaboração do projeto conduziu-nos ao estudo das orientações estratégicas, objetivos e políticas governamentais para a área da produção de energia elétrica. No plano financeiro, foram considerados três cenários baseados no grau de utilização da radiação solar (fotovoltaica) ou aproveitamento dos ventos (eólica). Para cada cenário foram avaliadas alternativas, que consistem basicamente na utilização de diferentes preços de venda, num leque que se situa em níveis comparáveis aos que actualmente são praticados.

Longshore Transport Estimation on Ofir Beach in Northwest Portugal: Sand-Tracer Experiment

This work aims to shed some light on longshore sediment transport (LST) in the highly energetic northwest coast of Portugal. Data achieved through a sand-tracer experiment are compared with data obtained from the original and the new re-evaluated longshore sediment transport formulas (USACE Waterways Experiment Station’s Coastal Engineering and Research Center, Kamphuis, and Bayram bulk formulas) to assess their performance. The field experiment with dyed sand was held at Ofir Beach during one tidal cycle under medium wave-energy conditions. Local hydrodynamic conditions and beach topography were recorded. The tracer was driven southward in response to the local swell and wind- and wave-induced currents (Hsb=0.75mHsb=0.75m, Tp=11.5sTp=11.5s, θb=8−12°θb=8−12°). The LST was estimated by using a linear sediment transport flux approach. The obtained value (2.3×10−3m3⋅s−12.3×10−3m3⋅s−1) approached the estimation provided by the original Bayram formula (2.5×10−3m3⋅s−12.5×10−3m3⋅s−1). The other formulas overestimated the transport, but the estimations resulting from the new re-evaluated formulas also yield approximate results. Therefore, the results of this work indicated that the Bayram formula may give satisfactory results for predicting the longshore sediment transport on Ofir Beach.

Projeto de estruturas do edifício administrativo de um polo logístico em Viana-Angola

O objetivo deste trabalho consiste em efetuar o dimensionamento estrutural de um edifício em betão armado, contemplando as diferentes fases, desde a conceção inicial, com a definição do modelo estrutural e escolha criteriosa dos elementos e soluções constituintes, até à fase final de dimensionamento, considerando para além das cargas gravíticas, a ação do vento e a ação sísmica. No âmbito deste trabalho considerou-se o dimensionamento de elementos estruturais nomeadamente, sapatas, paredes, pilares, vigas e lajes, com a verificação de segurança à flexão simples, flexão composta, esforço transverso e punçoamento, consoante a necessidade de cada elemento. Para tal, foi desenvolvido uma folha de cálculo automático (Macro) que permite a verificação da capacidade resistente de secções, à flexão simples e ao esforço transverso, quer em elementos com ou sem armadura de esforço transverso. Os esforços atuantes que estiveram na origem das verificações estruturais foram calculados com base na aplicação de um programa tridimensional de elementos finitos, nomeadamente o programa de cálculo ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS. Os Critérios Gerais de Dimensionamento considerados, com base na regulamentação em vigor em Portugal – RSA, REBAP e Eurocódigos, bem como as Hipóteses de Cálculo consideradas na verificação aos estados limites últimos dos elementos estruturais são detalhadamente enunciados ao longo do trabalho. Os desenhos de elementos estruturais dimensionados, bem como os desenhos de dimensionamento do edifício encontram-se em Anexo.

Real-time energy resources scheduling considering short-term and very short-term wind forecast

This paper proposes an energy resources management methodology based on three distinct time horizons: day-ahead scheduling, hour-ahead scheduling, and real-time scheduling. In each scheduling process it is necessary the update of generation and consumption operation and of the storage and electric vehicles storage status. Besides the new operation condition, it is important more accurate forecast values of wind generation and of consumption using results of in short-term and very short-term methods. A case study considering a distribution network with intensive use of distributed generation and electric vehicles is presented.