Algoritmos evolutivos na determinação das máximas injeções nodais em redes de energia elétrica

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica - Ramo de Energia

Application-specific modified particle swarm optimization for energy resource scheduling considering vehicle-to-grid

This paper presents a modified Particle Swarm Optimization (PSO) methodology to solve the problem of energy resources management with high penetration of distributed generation and Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G). The objective of the day-ahead scheduling problem in this work is to minimize operation costs, namely energy costs, regarding he management of these resources in the smart grid context. The modifications applied to the PSO aimed to improve its adequacy to solve the mentioned problem. The proposed Application Specific Modified Particle Swarm Optimization (ASMPSO) includes an intelligent mechanism to adjust velocity limits during the search process, as well as self-parameterization of PSO parameters making it more user-independent. It presents better robustness and convergence characteristics compared with the tested PSO variants as well as better constraint handling. This enables its use for addressing real world large-scale problems in much shorter times than the deterministic methods, providing system operators with adequate decision support and achieving efficient resource scheduling, even when a significant number of alternative scenarios should be considered. The paper includes two realistic case studies with different penetration of gridable vehicles (1000 and 2000). The proposed methodology is about 2600 times faster than Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) reference technique, reducing the time required from 25 h to 36 s for the scenario with 2000 vehicles, with about one percent of difference in the objective function cost value.

Day-ahead Resource Scheduling Including Demand Response for Electric Vehicles

The energy resource scheduling is becoming increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and massive gridable vehicle (V2G) use is envisaged. This paper presents a methodology for day-ahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and V2G. The main focus is the comparison of different EV management approaches in the day-ahead energy resources management, namely uncontrolled charging, smart charging, V2G and Demand Response (DR) programs i n the V2G approach. Three different DR programs are designed and tested (trip reduce, shifting reduce and reduce+shifting). Othe r important contribution of the paper is the comparison between deterministic and computational intelligence techniques to reduce the execution time. The proposed scheduling is solved with a modified particle swarm optimization. Mixed integer non-linear programming is also used for comparison purposes. Full ac power flow calculation is included to allow taking into account the network constraints. A case study with a 33-bus distribution network and 2000 V2G resources is used to illustrate the performance of the proposed method.

Maximizing the Social Welfare of Virtual Power Players Operation in Case of Excessive Wind Power

The integration of growing amounts of distributed generation in power systems, namely at distribution networks level, has been fostered by energy policies in several countries around the world, including in Europe. This intensive integration of distributed, non-dispatchable, and natural sources based generation (including wind power) has caused several changes in the operation and planning of power systems and of electricity markets. Sometimes the available non-dispatchable generation is higher than the demand. This generation must be used; otherwise it is wasted if not stored or used to supply additional demand. New policies and market rules, as well as new players, are needed in order to competitively integrate all the resources. The methodology proposed in this paper aims at the maximization of the social welfare in a distribution network operated by a virtual power player that aggregates and manages the available energy resources. When facing a situation of excessive non-dispatchable generation, including wind power, real time pricing is applied in order to induce the increase of consumption so that wind curtailment is minimized. This method is especially useful when actual and day-ahead resources forecast differ significantly. The distribution network characteristics and concerns are addressed by including the network constraints in the optimization model. The proposed methodology has been implemented in GAMS optimization tool and its application is illustrated in this paper using a real 937-bus distribution network with 20.310 consumers and 548 distributed generators, some of them non-dispatchable and with must take contracts. The implemented scenario corresponds to a real day in Portuguese power system.

Defining Electricity Tariffs Using the Knowledge About the Consumers Profiles in ELECON Project

The increasing importance of the integration of distributed generation and demand response in the power systems operation and planning, namely at lower voltage levels of distribution networks and in the competitive environment of electricity markets, leads us to the concept of smart grids. In both traditional and smart grid operation, non-technical losses are a great economic concern, which can be addressed. In this context, the ELECON project addresses the use of demand response contributions to the identification of non-technical losses. The present paper proposes a methodology to be used by Virtual Power Players (VPPs), which are entities able to aggregate distributed small-size resources, aiming to define the best electricity tariffs for several, clusters of consumers. A case study based on real consumption data demonstrates the application of the proposed methodology.

Intelligent Micro Grid Management using a Multi-Agent approach

Recent changes in electricity markets (EMs) have been potentiating the globalization of distributed generation. With distributed generation the number of players acting in the EMs and connected to the main grid has grown, increasing the market complexity. Multi-agent simulation arises as an interesting way of analysing players’ behaviour and interactions, namely coalitions of players, as well as their effects on the market. MASCEM was developed to allow studying the market operation of several different players and MASGriP is being developed to allow the simulation of the micro and smart grid concepts in very different scenarios This paper presents a methodology based on artificial intelligence techniques (AI) for the management of a micro grid. The use of fuzzy logic is proposed for the analysis of the agent consumption elasticity, while a case based reasoning, used to predict agents’ reaction to price changes, is an interesting tool for the micro grid operator.

Reactive power management strategies in future smart grids

The reactive power management in distribution network with large penetration of distributed energy resources is an important task in future power systems. The control of reactive power allows the inclusion of more distributed recourses and a more efficient operation of distributed network. Currently, the reactive power is only controlled in large power plants and in high and very high voltage substations. In this paper, several reactive power control strategies considering a smart grids paradigm are proposed. In this context, the management of distributed energy resources and of the distribution network by an aggregator, namely Virtual Power Player (VPP), is proposed and implemented in a MAS simulation tool. The proposed methods have been computationally implemented and tested using a 32-bus distribution network with intensive use of distributed resources, mainly the distributed generation based on renewable resources. Results concerning the evaluation of the reactive power management algorithms are also presented and compared.

Application-Specific Modified Particle Swarm Optimization for energy resource scheduling considering vehicle-to-grid

This paper presents a modified Particle Swarm Optimization (PSO) methodology to solve the problem of energy resources management with high penetration of distributed generation and Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G). The objective of the day-ahead scheduling problem in this work is to minimize operation costs, namely energy costs, regarding the management of these resources in the smart grid context. The modifications applied to the PSO aimed to improve its adequacy to solve the mentioned problem. The proposed Application Specific Modified Particle Swarm Optimization (ASMPSO) includes an intelligent mechanism to adjust velocity limits during the search process, as well as self-parameterization of PSO parameters making it more user-independent. It presents better robustness and convergence characteristics compared with the tested PSO variants as well as better constraint handling. This enables its use for addressing real world large-scale problems in much shorter times than the deterministic methods, providing system operators with adequate decision support and achieving efficient resource scheduling, even when a significant number of alternative scenarios should be considered. The paper includes two realistic case studies with different penetration of gridable vehicles (1000 and 2000). The proposed methodology is about 2600 times faster than Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) reference technique, reducing the time required from 25 h to 36 s for the scenario with 2000 vehicles, with about one percent of difference in the objective function cost value.

Load Control Timescales Simulation in a Multi-Agent Smart Grid Platform

Environmental concerns and the shortage in the fossil fuel reserves have been potentiating the growth and globalization of distributed generation. Another resource that has been increasing its importance is the demand response, which is used to change consumers’ consumption profile, helping to reduce peak demand. Aiming to support small players’ participation in demand response events, the Curtailment Service Provider emerged. This player works as an aggregator for demand response events. The control of small and medium players which act in smart grid and micro grid environments is enhanced with a multi-agent system with artificial intelligence techniques – the MASGriP (Multi-Agent Smart Grid Platform). Using strategic behaviours in each player, this system simulates the profile of real players by using software agents. This paper shows the importance of modeling these behaviours for studying this type of scenarios. A case study with three examples shows the differences between each player and the best behaviour in order to achieve the higher profit in each situation.

Smart meters as a tool for energy efficiency

Gradually smart grids and smart meters are closer to the home consumers. Several countries has developed studies focused in the impacts arising from the introduction of these technologies and one of the main advantages are related to energy efficiency, observed through the awareness of the population on behalf of a more efficient consumption. These benefits are felt directly by consumers through the savings on electricity bills and also by the concessionaires through the minimization of losses in transmission and distribution, system stability, smaller loading during peak hours, among others. In this article two projects that demonstrate the potential energy savings through smart meters and smart grids are presented. The first performed in Korea, focusing on the installation of smart meters and the impact of use of user interfaces. The second performed in Portugal, focusing on the control of loads in a residence with distributed generation.

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.

Energy Resource Management under the Influence of the Weekend Transition Considering an Intensive use of Electric Vehicles

Energy resource scheduling is becoming increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and of massive electric vehicle is envisaged. The present paper proposes a methodology for day-ahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and Vehicle-to-Grid (V2G). This method considers that the energy resources are managed by a Virtual Power Player (VPP) which established contracts with their owners. It takes into account these contracts, the users' requirements subjected to the VPP, and several discharge price steps. The full AC power flow calculation included in the model takes into account network constraints. The influence of the successive day requirements on the day-ahead optimal solution is discussed and considered in the proposed model. A case study with a 33-bus distribution network and V2G is used to illustrate the good performance of the proposed method.

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.

Gestão de Recursos Energéticos para Apoio à Operação dos Virtual Power Players

A liberalização dos mercados de energia elétrica e a crescente integração dos recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição, nomeadamente as unidades de produção distribuída, os sistemas de controlo de cargas através dos programas de demand response, os sistemas de armazenamento e os veículos elétricos, representaram uma evolução no paradigma de operação e gestão dos sistemas elétricos. Este novo paradigma de operação impõe o desenvolvimento de novas metodologias de gestão e controlo que permitam a integração de todas as novas tecnologias de forma eficiente e sustentável. O principal contributo deste trabalho reside no desenvolvimento de metodologias para a gestão de recursos energéticos no contexto de redes inteligentes, que contemplam três horizontes temporais distintos (24 horas, 1 hora e 5 minutos). As metodologias consideram os escalonamentos anteriores assim como as previsões atualizadas de forma a melhorar o desempenho total do sistema e consequentemente aumentar a rentabilidade dos agentes agregadores. As metodologias propostas foram integradas numa ferramenta de simulação, que servirá de apoio à decisão de uma entidade agregadora designada por virtual power player. Ao nível das metodologias desenvolvidas são propostos três algoritmos de gestão distintos, nomeadamente para a segunda (1 hora) e terceira fase (5 minutos) da ferramenta de gestão, diferenciados pela influência que os períodos antecedentes e seguintes têm no período em escalonamento. Outro aspeto relevante apresentado neste documento é o teste e a validação dos modelos propostos numa plataforma de simulação comercial. Para além das metodologias propostas, a aplicação permitiu validar os modelos dos equipamentos considerados, nomeadamente, ao nível das redes de distribuição e dos recursos energéticos distribuidos. Nesta dissertação são apresentados três casos de estudos, cada um com diferentes cenários referentes a cenários de operação futuros. Estes casos de estudos são importantes para verificar a viabilidade da implementação das metodologias e algoritmos propostos. Adicionalmente são apresentadas comparações das metodologias propostas relativamente aos resultados obtidos, complexidade de gestão em ambiente de simulação para as diferentes fases da ferramenta proposta e os benefícios e inconvenientes no uso da ferramenta proposta.

Produção Sustentável em BT- Análise de Características de Contadores Inteligentes

A crescente necessidade de reduzir a dependência energética e a emissão de gases de efeito de estufa levou à adoção de uma série de políticas a nível europeu com vista a aumentar a eficiência energética e nível de controlo de equipamentos, reduzir o consumo e aumentar a percentagem de energia produzida a partir de fontes renováveis. Estas medidas levaram ao desenvolvimento de duas situações críticas para o setor elétrico: a substituição das cargas lineares tradicionais, pouco eficientes, por cargas não-lineares mais eficientes e o aparecimento da produção distribuída de energia a partir de fontes renováveis. Embora apresentem vantagens bem documentadas, ambas as situações podem afetar negativamente a qualidade de energia elétrica na rede de distribuição, principalmente na rede de baixa tensão onde é feita a ligação com a maior parte dos clientes e onde se encontram as cargas não-lineares e a ligação às fontes de energia descentralizadas. Isto significa que a monitorização da qualidade de energia tem, atualmente, uma importância acrescida devido aos custos relacionados com perdas inerentes à falta de qualidade de energia elétrica na rede e à necessidade de verificar que determinados parâmetros relacionados com a qualidade de energia elétrica se encontram dentro dos limites previstos nas normas e nos contratos com clientes de forma a evitar disputas ou reclamações. Neste sentido, a rede de distribuição tem vindo a sofrer alterações a nível das subestações e dos postos de transformação que visam aumentar a visibilidade da qualidade de energia na rede em tempo real. No entanto, estas medidas só permitem monitorizar a qualidade de energia até aos postos de transformação de média para baixa tensão, não revelando o estado real da qualidade de energia nos pontos de entrega ao cliente. A monitorização nestes pontos é feita periodicamente e não em tempo real, ficando aquém do necessário para assegurar a deteção correta de problemas de qualidade de energia no lado do consumidor. De facto, a metodologia de monitorização utilizada atualmente envolve o envio de técnicos ao local onde surgiu uma reclamação ou a um ponto de medição previsto para instalar um analisador de energia que permanece na instalação durante um determinado período de tempo. Este tipo de monitorização à posteriori impossibilita desde logo a deteção do problema de qualidade de energia que levou à reclamação, caso não se trate de um problema contínuo. Na melhor situação, o aparelho poderá detetar uma réplica do evento, mas a larga percentagem anomalias ficam fora deste processo por serem extemporâneas. De facto, para detetar o evento que deu origem ao problema é necessário monitorizar permanentemente a qualidade de energia. No entanto este método de monitorização implica a instalação permanente de equipamentos e não é viável do ponto de vista das empresas de distribuição de energia já que os equipamentos têm custos demasiado elevados e implicam a necessidade de espaços maiores nos pontos de entrega para conter os equipamentos e o contador elétrico. Uma alternativa possível que pode tornar viável a monitorização permanente da qualidade de energia consiste na introdução de uma funcionalidade de monitorização nos contadores de energia de determinados pontos da rede de distribuição. Os contadores são obrigatórios em todas as instalações ligadas à rede, para efeitos de faturação. Tradicionalmente estes contadores são eletromecânicos e recentemente começaram a ser substituídos por contadores inteligentes (smart meters), de natureza eletrónica, que para além de fazer a contagem de energia permitem a recolha de informação sobre outros parâmetros e aplicação de uma serie de funcionalidades pelo operador de rede de distribuição devido às suas capacidades de comunicação. A reutilização deste equipamento com finalidade de analisar a qualidade da energia junto dos pontos de entrega surge assim como uma forma privilegiada dado que se trata essencialmente de explorar algumas das suas características adicionais. Este trabalho tem como objetivo analisar a possibilidade descrita de monitorizar a qualidade de energia elétrica de forma permanente no ponto de entrega ao cliente através da utilização do contador elétrico do mesmo e elaborar um conjunto de requisitos para o contador tendo em conta a normalização aplicável, as características dos equipamentos utilizados atualmente pelo operador de rede e as necessidades do sistema elétrico relativamente à monitorização de qualidade de energia.