Distributed energy resources scheduling considering real-time resources forecast

Energy resource scheduling is becoming increasingly important, such as the use of more distributed generators and electric vehicles connected to the distribution network. This paper proposes a methodology to be used by Virtual Power Players (VPPs), regarding the energy resource scheduling in smart grids and considering day-ahead, hour-ahead and realtime time horizons. This method considers that energy resources are managed by a VPP which establishes contracts with their owners. The full AC power flow calculation included in the model takes into account network constraints. In this paper, distribution function errors are used to simulate variations between time horizons, and to measure the performance of the proposed methodology. A 33-bus distribution network with large number of distributed resources is used.

A Communication and Resources Management Scheme to Support the Smart Grid Integration of Multiplayers Access to Resources Information

The increasing and intensive integration of distributed energy resources into distribution systems requires adequate methodologies to ensure a secure operation according to the smart grid paradigm. In this context, SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) systems are an essential infrastructure. This paper presents a conceptual design of a communication and resources management scheme based on an intelligent SCADA with a decentralized, flexible, and intelligent approach, adaptive to the context (context awareness). The methodology is used to support the energy resource management considering all the involved costs, power flows, and electricity prices leading to the network reconfiguration. The methodology also addresses the definition of the information access permissions of each player to each resource. The paper includes a 33-bus network used in a case study that considers an intensive use of distributed energy resources in five distinct implemented operation contexts.

Dynamic Approach and Testbed for Small and Medium Players Simulation in Smart Grid Environments

The Smart Grid environment allows the integration of resources of small and medium players through the use of Demand Response programs. Despite the clear advantages for the grid, the integration of consumers must be carefully done. This paper proposes a system which simulates small and medium players. The system is essential to produce tests and studies about the active participation of small and medium players in the Smart Grid environment. When comparing to similar systems, the advantages comprise the capability to deal with three types of loads – virtual, contextual and real. It can have several loads optimization modules and it can run in real time. The use of modules and the dynamic configuration of the player results in a system which can represent different players in an easy and independent way. This paper describes the system and all its capabilities.

A New Heuristic Providing an Effective Initial Solution for a Simulated Annealing approach to Energy Resource Scheduling in Smart Grids

An intensive use of dispersed energy resources is expected for future power systems, including distributed generation, especially based on renewable sources, and electric vehicles. The system operation methods and tool must be adapted to the increased complexity, especially the optimal resource scheduling problem. Therefore, the use of metaheuristics is required to obtain good solutions in a reasonable amount of time. This paper proposes two new heuristics, called naive electric vehicles charge and discharge allocation and generation tournament based on cost, developed to obtain an initial solution to be used in the energy resource scheduling methodology based on simulated annealing previously developed by the authors. The case study considers two scenarios with 1000 and 2000 electric vehicles connected in a distribution network. The proposed heuristics are compared with a deterministic approach and presenting a very small error concerning the objective function with a low execution time for the scenario with 2000 vehicles.

Convergence of Smart Grid ICT architectures for the last mile

The evolution of the electrical grid into a smart grid, allowing user production, storage and exchange of energy, remote control of appliances, and in general optimizations over how the energy is managed and consumed, is also an evolution into a complex Information and Communication Technology (ICT) system. With the goal of promoting an integrated and interoperable smart grid, a number of organizations all over the world started uncoordinated standardization activities, which caused the emergence of a large number of incompatible architectures and standards. There are now new standardization activities which have the goal of organizing existing standards and produce best practices to choose the right approach(es) to be employed in specific smart grid designs. This paper follows the lead of NIST and ETSI/CEN/CENELEC approaches in trying to provide taxonomy of existing solutions; our contribution reviews and relates current ICT state-of-the-art, with the objective of forecasting future trends based on the orientation of current efforts and on relationships between them. The resulting taxonomy provides guidelines for further studies of the architectures, and highlights how the standards in the last mile of the smart grid are converging to common solutions to improve ICT infrastructure interoperability.

Distributed Sensing of Fluid Dynamic Phenomena with the XDense Sensor Grid Network

IEEE International Conference on Cyber Physical Systems, Networks and Applications (CPSNA'15), Hong Kong, China.

XDense: A Dense Grid Sensor Network for Distributed Feature Extraction

XXXIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC 2015). 15 to 19, May, 2015, III Workshop de Comunicação em Sistemas Embarcados Críticos. Vitória, Brasil.

XDense: A Dense Grid Sensor Network for Distributed Feature Extraction

XXXIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC 2015), III Workshop de Comunicação em Sistemas Embarcados Críticos. Vitória, Brasil.

Cost allocation model for distribution networks considering high penetration of distributed energy resources

The high penetration of distributed energy resources (DER) in distribution networks and the competitive environment of electricity markets impose the use of new approaches in several domains. The network cost allocation, traditionally used in transmission networks, should be adapted and used in the distribution networks considering the specifications of the connected resources. The main goal is to develop a fairer methodology trying to distribute the distribution network use costs to all players which are using the network in each period. In this paper, a model considering different type of costs (fixed, losses, and congestion costs) is proposed comprising the use of a large set of DER, namely distributed generation (DG), demand response (DR) of direct load control type, energy storage systems (ESS), and electric vehicles with capability of discharging energy to the network, which is known as vehicle-to-grid (V2G). The proposed model includes three distinct phases of operation. The first phase of the model consists in an economic dispatch based on an AC optimal power flow (AC-OPF); in the second phase Kirschen's and Bialek's tracing algorithms are used and compared to evaluate the impact of each resource in the network. Finally, the MW-mile method is used in the third phase of the proposed model. A distribution network of 33 buses with large penetration of DER is used to illustrate the application of the proposed model.

Viabilidade Técnica e Económica das Diferentes Tecnologias de Microprodução

Sabendo que as energias de origem fóssil não são inesgotáveis e que afetam a qualidade do ambiente, nos últimos anos, o interesse pelas energias renováveis mereceu a atenção de ambientalistas e de governantes. Para diminuir a importação de energia, o próprio governo de Portugal incentivou, através de medidas legislativas diversas, a instalação de sistemas alternativos de produção elétrica. Face à pertinência desta matéria, a dissertação, Viabilidade Técnica e Económica das Diferentes Tecnologias de Microprodução, aborda o aproveitamento de energias renováveis através de tecnologias de Microprodução ligadas à rede elétrica. Nesta dissertação, numa primeira fase, apresentam-se os sistemas de microprodução existentes no mercado, descrevem-se os componentes que os constituem e destacam-se os aspetos legislativos aplicáveis. Numa segunda fase, com o objetivo de suportar a elaboração de uma ferramenta informática para apoio na escolha de equipamentos de microprodução, procede-se à análise financeira de tecnologias de microprodução, indicando os modelos matemáticos necessários. Um dos objetivos da dissertação, consiste na construção de uma ferramenta informática de cálculo e na sua aplicação a dois estudos de caso. Esse programa informático foi elaborado em Excel e é capaz de fornecer uma estimativa da produção de energia anual e da avaliação da viabilidade técnico-económica de cada tecnologia e pretende apoiar a decisão do investidor em tecnologias de microprodução. Tendo sido realizados dois estudos de caso - um edifício habitacional unifamiliar e um edifício Industrial – foi possível verificar o funcionamento da aplicação e a sua utilidade na determinação da solução mais vantajosa na escolha de uma tecnologia de microprodução, uma vez que, introduzidos os dados adequados, são gerados os cálculos que permitem fornecer uma visão de conjunto, possibilitando a comparação das diferentes propostas.

A eficiência energética nas redes de telecomunicações e tecnologias de informação e comunicação

A presente tese pretende fazer uma abordagem ao crescimento dos consumos de energia elétrica, que se tem verificado, nos últimos anos, no setor das telecomunicações e das tecnologias de informação; devido ao constante crescimento das redes, dos equipamentos a ela ligados e do tráfego que nelas transita. Num contexto de globalização da economia, no qual, as redes de telecomunicações e de energia elétrica são dois dos maiores contribuintes, a presente tese procura encontrar enquadramentos e soluções para um dos maiores desafios que a humanidade enfrenta atualmente, e que em parte, é consequente dessa globalização: encontrar novas fontes e formas de utilização da energia, -particularmente da energia elétrica - para que a humanidade continue a usufruir, de uma forma sustentável, dos benefícios que a mesma proporciona. Na primeira parte, procura-se fazer uma abordagem que utiliza fontes de informação e conhecimento, do mercado global, nomeadamente, entidades reguladoras e normalizadoras, operadores, fornecedores de tecnologias e consumidores, que abrangessem os três maiores mercados mundiais – União Europeia, Estados Unidos da América e Ásia-Pacífico. Considerou-se fundamental fazê-lo, por se tratar de uma dissertação no âmbito de um Mestrado com o selo de garantia EUR-ACE. Ao longo da dissertação analisou-se a temática da eficiência energética nas redes de telecomunicações e das tecnologias de informação e comunicação, um tema cada vez mais pertinente, já que o número de pessoas com ligações à Internet, já supera os 3 mil milhões, e as redes passaram a ser o meio por onde são transmitidos, a cada segundo, terabytes de sinais de voz, dados e vídeo. Procurou-se encontrar as linhas de orientação que estão a ser traçadas, para otimizar os consumos energéticos, de um complexo sistema convergente de redes e serviços, formado por entidades reguladoras e normalizadoras, operadores, fornecedores de tecnologias e consumidores, onde nem sempre as fronteiras estão perfeitamente definidas. Perante a constatação da realidade exposta, analisou-se as políticas energéticas desenvolvidas nos últimos anos, pelos vários players do mercado das telecomunicações, das tecnologias de informação e dos sistemas elétricos de energia bem como algumas métricas e objetivos comumente aceites. viii São analisados os contributos das partes interessadas, para o desenvolvimento de políticas energéticas eficazes, por forma a permitirem uma implementação, que considere o funcionamento dos equipamentos como um todo, e não de uma forma isolada como tradicionalmente o assunto era abordado. As especificidades na forma como funcionam as redes de telecomunicações e respetivos equipamentos, são expostas sobre várias óticas, comprovando-se que a temática da eficiência energética é uma das áreas mais difíceis lidar, de todas as consideradas nas políticas energéticas. Demonstrou-se que muitos dos equipamentos não estão otimizados em termos de gestão de energia, procurou-se evidenciar as consequências dessa realidade, uma vez que os equipamentos referidos, têm a necessidade de estar permanentemente a ser alimentados pela rede de energia elétrica, para garantir as funções para que foram projetados. Da pesquisa efetuada e descrita ao longo da dissertação, constatamos o empenho de toda a comunidade científica, operadores e agências de energia e de telecomunicações, em resolver o problema, já que há a consciencialização de que o ritmo de crescimento da rede e equipamentos terminais, é superior ao registado na melhoria da eficiência energética dos vários componentes e equipamentos terminais. Na segunda parte do relatório da tese, procurou-se testar a aplicabilidade das normas e recomendações dos organismos que tutelam a atividade a nível global - algumas publicadas nos últimos 2 anos - a um caso prático. Um edifício hospitalar de média dimensão. Foi elaborada uma aplicação informática, que suportada numa metodologia padronizada, seja capaz de fazer a avaliação da eficiência energética dos equipamentos serviços de telecomunicações de informação e comunicação em funcionamento do hospital. Por dificuldades de disponibilidade dos responsáveis do edifício, os resultados ficaram aquém do esperado. Conseguiu-se desenhar a aplicação, inventariar-se apenas parte dos equipamentos. Demonstrou-se que, a forma como alguns equipamentos estão a ser utilizados, não cumprem regras de utilização racional e eficiente. Procurou-se sensibilizar alguns dos responsáveis, para a necessidade de alterar comportamentos e prosseguir o processo de inventariação, por forma, a que o trabalho iniciado atinja os objetivos propostos.

Análise da Qualidade de Energia em Instalações Eléctricas com MiniProdução

Com a alteração da legislação energética em Portugal, nomeadamente a implementação da legislação de Micro e Minigeração, a produção distribuída cresceu de forma exponencial na rede elétrica nacional, diminuindo por um lado as perdas no transporte e distribuição, e por outro aumentando a complexidade na gestão do trânsito de potência ao Distribuidor. No entanto a motivação desta dissertação prende-se com o facto de que as centrais de produção distribuída, em particular as de tecnologia fotovoltaica, pela sua dimensão, serem instaladas nos pontos de consumo, em paralelo com a instalação elétrica de utilização do cliente e como tal, têm sido verificadas diversas anomalias no funcionamento e exploração das mesmas, por influência da má qualidade de energia resultante das más condições de funcionamento e exploração em que se encontram as instalações de consumo. A presente dissertação pretende apresentar uma descrição das anomalias mais frequentes verificadas nas centrais fotovoltaicas de minigeração com origem na qualidade da energia que transita das instalações elétricas de consumo ligadas ao mesmo ponto de interligação com a rede elétrica nacional. Como base de fundamento, foram demonstradas através de três casos práticos reais, algumas das mais frequentes e prejudiciais anomalias descritas na presente dissertação. Foram escolhidos 3 casos reais com diferentes tipos de instalação de consumo sendo que um deles não apresenta qualquer anomalia de forma a comprovar o bom funcionamento em condições normais de ambas as instalações. Foram encontradas e demonstradas várias soluções paras os diferentes tipos de anomalias, no entanto esta dissertação vai permitir não só a resolução deste tipo de anomalias em centrais fotovoltaicas em exploração e já com prejuízos avultados mas também introduzir em futuras instalações a análise da qualidade da energia nas instalações de consumo em fase preliminar de estudo de implementação de centrais fotovoltaicas de minigeração e de autoconsumo, precavendo futuros problemas de rentabilidade técnico-económica. Este estudo, irá certamente servir de motor de impulsão para a preocupação com a Qualidade da Energia essencialmente dentro das instalações elétricas de consumo sensibilizando os seus gestores energéticos. Poderá ainda impulsionar a reformulação do Regulamento de Qualidade de Serviço para exigências ainda mais apertadas de forma a incorporar algumas das anomalias aqui descritas, sendo por isso um elemento de alerta para todos os “Players” do Sistema Elétrico Nacional tendo como limite a melhoria continua da Segurança e da Qualidade da energia na rede elétrica beneficiando da sensibilização de todos os intervenientes.

PV systems linked to the grid: parameter identification with a heuristic procedure

This paper focuses on a PV system linked to the electric grid by power electronic converters, identification of the five parameters modeling for photovoltaic systems and the assessment of the shading effect. Normally, the technical information for photovoltaic panels is too restricted to identify the five parameters. An undemanding heuristic method is used to find the five parameters for photovoltaic systems, requiring only the open circuit, maximum power, and short circuit data. The I–V and the P–V curves for a monocrystalline, polycrystalline and amorphous photovoltaic systems are computed from the parameters identification and validated by comparison with experimental ones. Also, the I–V and the P–V curves under the effect of partial shading are obtained from those parameters. The modeling for the converters emulates the association of a DC–DC boost with a two-level power inverter in order to follow the performance of a testing commercial inverter employed on an experimental system.

Historic and potential technology transition paths of grid battery storage: Co-evolution of energy grid, electric mobility and batteries

Scarcity of fuels, changes in environmental policy and in society increased the interest in generating electric energy from renewable energy sources (RES) for a sustainable energy supply in the future. The main problem of RES as solar and wind energy, which represent a main pillar of this transition, is that they cannot supply constant power output. This results inter alia in an increased demand of backup technologies as batteries to assure electricity system safety. The diffusion of energy storage technologies is highly dependent on the energy system and transport transition pathways which might lead to a replacement or reconfiguration of embedded socio-technical practices and regimes (by creating new standards or dominant designs, changing regulations, infrastructure and user patterns). The success of this technology is dependent on hardly predictable future technical advances, actor preferences, development of competing technologies and designs, diverging interests of actors, future cost efficiencies, environmental performance, the evolution of market demand and design and evolution of our society.

Multifunctional converter to interface renewable energy sources and electric vehicles with the power grid in smart grids context

This paper proposes a multifunctional converter to interface renewable energy sources (e.g., solar photovoltaic panels) and electric vehicles (EVs) with the power grid in smart grids context. This multifunctional converter allows deliver energy from the solar photovoltaic panels to an EV or to the power grid, and exchange energy in bidirectional mode between the EV and the power grid. Using this multifunctional converter are not required multiple conversion stages, as occurs with the traditional solutions, where are necessary two power converters to integrate the solar photovoltaic system in the power grid and also two power converters to integrate an off-board EV battery charger in the power grid (dc-dc and dc-ac power converters in both cases). Taking into account that the energy provided (or delivered) from the power grid in each moment is function of the EV operation mode and also of the energy produced from the solar photovoltaic system, it is possible to define operation strategies and control algorithms in order to increase the energy efficiency of the global system and to improve the power quality of the electrical system. The proposed multifunctional converter allows the operation in four distinct cases: (a) Transfer of energy from the solar photovoltaic system to the power grid; (b) Transfer of energy from the solar photovoltaic system and from the EV to the power grid; (c) Transfer of energy from the solar photovoltaic system to the EV or to the power grid; (d) Transfer of energy between the EV and the power grid. Along the paper are described the system architecture and the control algorithms, and are also presented some computational simulation results for the four aforementioned cases. It is also presented a comparative analysis between the traditional and the proposed solution in terms of operation efficiency and estimated cost of implementation.