Resolução do problema do escalonamento da produção de energia eléctrica usando programação lógica por restrições

A operação dos Mercados de Energia Eléctrica passa, actualmente, por uma profunda reestruturação, com o principal foco nas transacções do sistema de transmissão entre os diferentes agentes. Tendo isso em conta, o serviço de transmissão neste novo esquema de funcionamento do Mercado de Energia Eléctrica deve ser provido de máxima eficiência económica, atendendo sempre às restrições de segurança do sistema. Com esta reorganização do sector eléctrico da última década surgiu também a necessidade de rever os modelos tradicionais de optimização económica do Sistema Eléctrico de Energia, como por exemplo o despacho e prédespacho (unit commitment). A reestruturação e liberalização dos mercados de energia eléctrica trouxeram novas restrições a alguns dos problemas tradicionais associados aos Sistemas Eléctricos de Energia. Um desses problemas é o Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica, que no contexto actual, implica quase sempre negociação entre os diferentes agentes do mercado e consequentemente reescalonamento. A maioria dos métodos usados para a resolução do problema não permitem reformular o prédespacho, algo para que a Programação Lógica por Restrições é extremamente adequada. O trabalho desenvolvido nesta dissertação visa criar uma aplicação computacional com base na Programação Lógica por Restrições, através da plataforma ECLiPSe, para resolver o problema do Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica dos grupos térmicos, demonstrando assim a versatilidade e flexibilidade deste tipo de programação aplicada a problema combinatoriais deste género.

Energy resource management in smart grids considering an Intensive use of electric vehicles

The introduction of electricity markets and integration of Distributed Generation (DG) have been influencing the power system’s structure change. Recently, the smart grid concept has been introduced, to guarantee a more efficient operation of the power system using the advantages of this new paradigm. Basically, a smart grid is a structure that integrates different players, considering constant communication between them to improve power system operation and management. One of the players revealing a big importance in this context is the Virtual Power Player (VPP). In the transportation sector the Electric Vehicle (EV) is arising as an alternative to conventional vehicles propel by fossil fuels. The power system can benefit from this massive introduction of EVs, taking advantage on EVs’ ability to connect to the electric network to charge, and on the future expectation of EVs ability to discharge to the network using the Vehicle-to-Grid (V2G) capacity. This thesis proposes alternative strategies to control these two EV modes with the objective of enhancing the management of the power system. Moreover, power system must ensure the trips of EVs that will be connected to the electric network. The EV user specifies a certain amount of energy that will be necessary to charge, in order to ensure the distance to travel. The introduction of EVs in the power system turns the Energy Resource Management (ERM) under a smart grid environment, into a complex problem that can take several minutes or hours to reach the optimal solution. Adequate optimization techniques are required to accommodate this kind of complexity while solving the ERM problem in a reasonable execution time. This thesis presents a tool that solves the ERM considering the intensive use of EVs in the smart grid context. The objective is to obtain the minimum cost of ERM considering: the operation cost of DG, the cost of the energy acquired to external suppliers, the EV users payments and remuneration and penalty costs. This tool is directed to VPPs that manage specific network areas, where a high penetration level of EVs is expected to be connected in these areas. The ERM is solved using two methodologies: the adaptation of a deterministic technique proposed in a previous work, and the adaptation of the Simulated Annealing (SA) technique. With the purpose of improving the SA performance for this case, three heuristics are additionally proposed, taking advantage on the particularities and specificities of an ERM with these characteristics. A set of case studies are presented in this thesis, considering a 32 bus distribution network and up to 3000 EVs. The first case study solves the scheduling without considering EVs, to be used as a reference case for comparisons with the proposed approaches. The second case study evaluates the complexity of the ERM with the integration of EVs. The third case study evaluates the performance of scheduling with different control modes for EVs. These control modes, combined with the proposed SA approach and with the developed heuristics, aim at improving the quality of the ERM, while reducing drastically its execution time. The proposed control modes are: uncoordinated charging, smart charging and V2G capability. The fourth and final case study presents the ERM approach applied to consecutive days.

Power Producers Trading Electricity in Both Pool and Forward Markets

The electricity industry throughout the world, which has long been dominated by vertically integrated utilities, has experienced major changes. Deregulation, unbundling, wholesale and retail wheeling, and real-time pricing were abstract concepts a few years ago. Today market forces drive the price of electricity and reduce the net cost through increased competition. As power markets continue to evolve, there is a growing need for advanced modeling approaches. This article addresses the challenge of maximizing the profit (or return) of power producers through the optimization of their share of customers. Power producers have fixed production marginal costs and decide the quantity of energy to sell in both day-ahead markets and a set of target clients, by negotiating bilateral contracts involving a three-rate tariff. Producers sell energy by considering the prices of a reference week and five different types of clients with specific load profiles. They analyze several tariffs and determine the best share of customers, i.e., the share that maximizes profit. © 2014 IEEE.

Power producers trading electricity in both pool and forward markets

The electricity industry throughout the world, which has long been dominated by vertically integrated utilities, has experienced major changes. Deregulation, unbundling, wholesale and retail wheeling, and real-time pricing were abstract concepts a few years ago. Today market forces drive the price of electricity and reduce the net cost through increased competition. As power markets continue to evolve, there is a growing need for advanced modeling approaches. This article addresses the challenge of maximizing the profit (or return) of power producers through the optimization of their share of customers. Power producers have fixed production marginal costs and decide the quantity of energy to sell in both day-ahead markets and a set of target clients, by negotiating bilateral contracts involving a three-rate tariff. Producers sell energy by considering the prices of a reference week and five different types of clients with specific load profiles. They analyze several tariffs and determine the best share of customers, i.e., the share that maximizes profit. © 2014 IEEE.

Application of fractional order concepts in the study of electrical potential

The Maxwell equations, expressing the fundamental laws of electricity and magnetism, only involve the integer-order calculus. However, several effects present in electromagnetism, motivated recently an analysis under the fractional calculus (FC) perspective. In fact, this mathematical concept allows a deeper insight into many phenomena that classical models overlook. On the other hand, genetic algorithms (GA) are an important tool to solve optimization problems that occur in engineering. In this work we use FC and GA to implement the electrical potential of fractional order. The performance of the GA scheme and the convergence of the resulting approximations are analyzed.

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.

Electric vehicles as a mean to reduce, energy, emissions and electricity costs

Electric vehicles (EVs) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), which obtain their fuel from the grid by charging a battery, are set to be introduced into the mass market and expected to contribute to oil consumption reduction. This research is concerned with studying the potential impacts on the electric utilities of large-scale adoption of plug-in electric vehicles from the perspective of electricity demand, fossil fuels use, CO2 emissions and energy costs. Simulations were applied to the Portuguese case study in order to analyze what would be the optimal recharge profile and EV penetration in an energy-oriented, an emissions-oriented and a cost-oriented objective. The objectives considered were: The leveling of load profiles, minimization of daily emissions and minimization of daily wholesale costs. Almost all solutions point to an off-peak recharge and a 50% reduction in daily wholesale costs can be verified from a peak recharge scenario to an off-peak recharge for a 2 million EVs in 2020. A 15% improvement in the daily total wholesale costs can be verified in the costs minimization objective when compared with the off-peak scenario result.

Integração da análise energética na gestão Industrial de uma refinaria de açúcar

Mestrado em Engenharia Química - Optimização Energética na Industria Química

Estudo e parametrização das principais proteções elétricas de geradores e transformadores de grupo de uma central hidroelétrica

Nesta dissertação, é realizado o estudo e parametrização dos relés de proteção para geradores e transformadores de grupo de uma central hidroelétrica. É efetuada, também, uma breve abordagem à manutenção e ensaio dos respetivos relés. No fornecimento de Energia Elétrica aos seus consumidores, deve-se ter em consideração todo o funcionamento do Sistema Elétrico de Energia (SEE). Como os SEE são projetados para gerar energia elétrica para responder à carga, é necessário garantir que este assegure o fornecimento de energia elétrica com elevados padrões de qualidade e continuidade de serviço. Assim, as proteções revelam, um papel fulcral na garantia da continuidade de serviço. As proteções são constituídas por equipamentos de proteção nomeadamente, relés de proteção, que são dispositivos cuja função é retirar de serviço os equipamentos em defeito, permitindo que o restante sistema elétrico seja alimentado. Os sistemas de proteção são, assim, de extrema importância, já que têm como função, assegurar, garantir e eliminar anomalias evitando danos nos equipamentos e nos utilizadores/consumidores.

O papel da engenharia na gestão de ativos de uma unidade industrial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Manutenção

Estudo da Viabilidade Técnico-Económica de umm Sistema de Cogeração para um Complexo de Piscinas Interiores

A presente dissertação centrou-se no estudo técnico-económico de dois cenários futuros para a continuação de fornecimento de energia térmica a um complexo de piscinas existente na região do vale do Tâmega. Neste momento a central de cogeração existente excedeu a sua licença de utilização e necessita de ser substituída. Os dois cenários em estudo são a compra de uma nova caldeira, a gás natural, para suprir as necessidades térmicas da caldeira existente a fuelóleo, ou o uso de um sistema de cogeração compacto que poderá estar disponível numa empresa do grupo. No primeiro cenário o investimento envolvido é cerca de 456 640 € sem proveitos de outra ordem para além dos requisitos térmicos, mas no segundo cenário os resultados são bem diferentes, mesmo que tenha de ser realizado o investimento de 1 000 000 € na instalação. Para este cenário foi efetuado um levantamento da legislação nacional no que toca à cogeração, recolheram-se dados do edifício como: horas de funcionamento, número de utentes, consumos de energia elétrica, térmica, água, temperatura da água das piscinas, temperatura do ar da nave, assim como as principais características da instalação de cogeração compacta. Com esta informação realizou-se o balanço de massa e energia e criou-se um modelo da nova instalação em software de modelação processual (Aspen Plus® da AspenTech). Os rendimentos térmico e elétrico obtidos da nova central de cogeração compacta foram, respetivamente, de 38,1% e 39,8%, com uma percentagem de perdas de 12,5% o que determinou um rendimento global de 78%. A avaliação da poupança de energia primária para esta instalação de cogeração compacta foi de 19,6 % o que permitiu concluir que é de elevada eficiência. O modelo criado permitiu compreender as necessidades energéticas, determinar alguns custos associados ao processo e simular o funcionamento da unidade com diferentes temperaturas de ar ambiente (cenários de verão e inverno com temperaturas médias de 20ºC e 5ºC). Os resultados revelaram uma diminuição de 1,14 €/h no custo da electricidade e um aumento do consumo de gás natural de 62,47 €/h durante o período mais frio no inverno devido ao aumento das perdas provocadas pela diminuição da temperatura exterior. Com esta nova unidade de cogeração compacta a poupança total anual pode ser, em média, de 267 780 € admitindo um valor para a manutenção de 97 698 €/ano. Se assim for, o projeto apresenta um retorno do investimento ao fim de 5 anos, com um VAL de 1 030 430 € e uma taxa interna de rentabilidade (TIR) de 14% (positiva, se se considerar a taxa de atualização do investimento de 3% para 15 anos de vida). Apesar do custo inicial ser elevado, os parâmetros económicos mostram que o projeto tem viabilidade económica e dará lucro durante cerca de 9 anos.

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.

Adaptive Learning in Games: Defining Profiles of Competitor Players

Artificial Intelligence has been applied to dynamic games for many years. The ultimate goal is creating responses in virtual entities that display human-like reasoning in the definition of their behaviors. However, virtual entities that can be mistaken for real persons are yet very far from being fully achieved. This paper presents an adaptive learning based methodology for the definition of players’ profiles, with the purpose of supporting decisions of virtual entities. The proposed methodology is based on reinforcement learning algorithms, which are responsible for choosing, along the time, with the gathering of experience, the most appropriate from a set of different learning approaches. These learning approaches have very distinct natures, from mathematical to artificial intelligence and data analysis methodologies, so that the methodology is prepared for very distinct situations. This way it is equipped with a variety of tools that individually can be useful for each encountered situation. The proposed methodology is tested firstly on two simpler computer versus human player games: the rock-paper-scissors game, and a penalty-shootout simulation. Finally, the methodology is applied to the definition of action profiles of electricity market players; players that compete in a dynamic game-wise environment, in which the main goal is the achievement of the highest possible profits in the market.

Data Extraction Tool to Analyse, Transform and Store Real Data from Electricity Markets

The study of electricity markets operation has been gaining an increasing importance in the last years, as result of the new challenges that the restructuring process produced. Currently, lots of information concerning electricity markets is available, as market operators provide, after a period of confidentiality, data regarding market proposals and transactions. These data can be used as source of knowledge to define realistic scenarios, which are essential for understanding and forecast electricity markets behavior. The development of tools able to extract, transform, store and dynamically update data, is of great importance to go a step further into the comprehension of electricity markets and of the behaviour of the involved entities. In this paper an adaptable tool capable of downloading, parsing and storing data from market operators’ websites is presented, assuring constant updating and reliability of the stored data.

Automatic Electricity Markets Data Extraction for Realistic Multi-agent Simulations

Electricity markets worldwide suffered profound transformations. The privatization of previously nationally owned systems; the deregulation of privately owned systems that were regulated; and the strong interconnection of national systems, are some examples of such transformations [1, 2]. In general, competitive environments, as is the case of electricity markets, require good decision-support tools to assist players in their decisions. Relevant research is being undertaken in this field, namely concerning player modeling and simulation, strategic bidding and decision-support.