Reinforcement Learning solution for Unit Commitment Problem through pursuit method

Unit commitment is an optimization task in electric power generation control sector. It involves scheduling the ON/OFF status of the generating units to meet the load demand with minimum generation cost satisfying the different constraints existing in the system. Numerical solutions developed are limited for small systems and heuristic methodologies find difficulty in handling stochastic cost functions associated with practical systems. This paper models Unit Commitment as a multi stage decision task and Reinforcement Learning solution is formulated through one efficient exploration strategy: Pursuit method. The correctness and efficiency of the developed solutions are verified for standard test systems

Entwicklung eines Windleistungprognosemodells zur Verbesserung der Kraftwerkseinsatzplanung

Die Maßnahmen zur Förderung der Windenergie in Deutschland haben wichtige Anstöße zur technologischen Weiterentwicklung geliefert und die Grundlagen für den enormen Anlagenzubau geschaffen. Die installierte Windleistung hat heute eine beachtliche Größenordnung erreicht und ein weiteres Wachstum in ähnlichen Dimensionen ist auch für die nächsten Jahre zu erwarten. Die aus Wind erzeugte elektrische Leistung deckt bereits heute in einigen Netzbereichen die Netzlast zu Schwachlastzeiten. Dies zeigt, dass die Windenergie ein nicht mehr zu vernachlässigender Faktor in der elektrischen Energieversorgung geworden ist. Im Rahmen der Kraftwerkseinsatzplanung sind Betrag und Verlauf der Windleistung des folgenden Tages mittlerweile zu wichtigen und zugleich schwierig zu bestimmenden Variablen geworden. Starke Schwankungen und falsche Prognosen der Windstromeinspeisung verursachen zusätzlichen Bedarf an Regel- und Ausgleichsleistung durch die Systemführung. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prognosemodell liefert die zu erwartenden Windleistungen an 16 repräsentativen Windparks bzw. Gruppen von Windparks für bis zu 48 Stunden im Voraus. Aufgrund von prognostizierten Wetterdaten des deutschen Wetterdienstes (DWD) werden die Leistungen der einzelnen Windparks mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzen (KNN) berechnet. Diese Methode hat gegenüber physikalischen Verfahren den Vorteil, dass der komplexe Zusammenhang zwischen Wettergeschehen und Windparkleistung nicht aufwendig analysiert und detailliert mathematisch beschrieben werden muss, sondern anhand von Daten aus der Vergangenheit von den KNN gelernt wird. Das Prognosemodell besteht aus zwei Modulen. Mit dem ersten wird, basierend auf den meteorologischen Vorhersagen des DWD, eine Prognose für den Folgetag erstellt. Das zweite Modul bezieht die online gemessenen Leistungsdaten der repräsentativen Windparks mit ein, um die ursprüngliche Folgetagsprognose zu verbessern und eine sehr genaue Kurzzeitprognose für die nächsten drei bis sechs Stunden zu berechnen. Mit den Ergebnissen der Prognosemodule für die repräsentativen Standorte wird dann über ein Transformationsmodell, dem so genannten Online-Modell, die Gesamteinspeisung in einem größeren Gebiet berechnet. Das Prognoseverfahren hat seine besonderen Vorzüge in der Genauigkeit, den geringen Rechenzeiten und den niedrigen Betriebskosten, da durch die Verwendung des bereits implementierten Online-Modells nur eine geringe Anzahl von Vorhersage- und Messstandorten benötigt wird. Das hier vorgestellte Prognosemodell wurde ursprünglich für die E.ON-Netz GmbH entwickelt und optimiert und ist dort seit Juli 2001 im Einsatz. Es lässt sich jedoch auch leicht an andere Gebiete anpassen. Benötigt werden dazu nur die Messdaten der Leistung ausgewählter repräsentativer Windparks sowie die dazu gehörenden Wettervorhersagen, um die KNN entsprechend zu trainieren.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Entwicklung und Anwendung einer Kraftwerks- und Speichereinsatzoptimierung für die Untersuchung von Energieversorgungsszenarien mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

In dieser Arbeit wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Einsatzoptimierungsmodell für Kraftwerke und Speicher aufgebaut und für die Untersuchung der Energieversorgung Deutschlands im Jahre 2050 gemäß den Leitstudie-Szenarien 2050 A und 2050 C ([Nitsch und Andere, 2012]) verwendet, in denen erneuerbare Energien einen Anteil von über 85 % an der Stromerzeugung haben und die Wind- und Solarenergie starke Schwankungen der durch steuerbare Kraftwerke und Speicher zu deckenden residualen Stromnachfrage (Residuallast) verursachen. In Szenario 2050 A sind 67 TWh Wasserstoff, die elektrolytisch aus erneuerbarem Strom zu erzeugen sind, für den Verkehr vorgesehen. In Szenario 2050 C ist kein Wasserstoff für den Verkehr vorgesehen und die effizientere Elektromobilität hat einen Anteil von 100% am Individualverkehr. Daher wird weniger erneuerbarer Strom zur Erreichung desselben erneuerbaren Anteils im Verkehrssektor benötigt. Da desweiteren Elektrofahrzeuge Lastmanagementpotentiale bieten, weisen die Residuallasten der Szenarien eine unterschiedliche zeitliche Charakteristik und Jahressumme auf. Der Schwerpunkt der Betrachtung lag auf der Ermittlung der Auslastung und Fahrweise des in den Szenarien unterstellten ’Kraftwerks’-parks bestehend aus Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken, die mit Wärmespeichern, elektrischen Heizstäben und Gas-Backupkesseln ausgestattet sind, Stromspeichern und Wärmepumpen, die durch Wärmespeicher zum Lastmanagment eingesetzt werden können. Der Fahrplan dieser Komponenten wurde auf minimale variable Gesamtkosten der Strom- und Wärmeerzeugung über einen Planungshorizont von jeweils vier Tagen hin optimiert. Das Optimierungsproblem wurde mit dem linearen Branch-and-Cut-Solver der software CPLEX gelöst. Mittels sogenannter rollierender Planung wurde durch Zusammensetzen der Planungsergebnisse für überlappende Planungsperioden der Kraftwerks- und Speichereinsatz für die kompletten Szenariojahre erhalten. Es wurde gezeigt, dass der KWK-Anteil an der Wärmelastdeckung gering ist. Dies wurde begründet durch die zeitliche Struktur der Stromresiduallast, die wärmeseitige Dimensionierung der Anlagen und die Tatsache, dass nur eine kurzfristige Speicherung von Wärme vorgesehen war. Die wärmeseitige Dimensionierung der KWK stellte eine Begrenzung des Deckungsanteils dar, da im Winter bei hoher Stromresiduallast nur wenig freie Leistung zur Beladung der Speicher zur Verfügung stand. In den Berechnungen für das Szenario 2050 A und C lag der mittlere Deckungsanteil der KWK an der Wärmenachfrage von ca. 100 TWh_th bei 40 bzw. 60 %, obwohl die Auslegung der KWK einen theoretischen Anteil von über 97 % an der Wärmelastdeckung erlaubt hätte, gäbe es die Beschränkungen durch die Stromseite nicht. Desweiteren wurde die CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher und des Lastmanagements mit Wärmepumpen untersucht. In Szenario 2050 A ergab sich keine signifikante CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher, in Szenario 2050 C hingegen ergab sich eine geringe aber signifikante CO2-Einsparung in Höhe von 1,6 % der Gesamtemissionen der Stromerzeugung und KWK-gebundenen Wärmeversorgung. Das Lastmanagement mit Wärmepumpen vermied Emissionen von 110 Tausend Tonnen CO2 (0,4 % der Gesamtemissionen) in Szenario A und 213 Tausend Tonnen in Szenario C (0,8 % der Gesamtemissionen). Es wurden darüber hinaus Betrachtungen zur Konkurrenz zwischen solarthermischer Nahwärme und KWK bei Einspeisung in dieselben Wärmenetze vorgenommen. Eine weitere Einschränkung der KWK-Erzeugung durch den Einspeisevorrang der Solarthermie wurde festgestellt. Ferner wurde eine untere Grenze von 6,5 bzw. 8,8 TWh_th für die in den Szenarien mindestens benötigte Wasserstoff-Speicherkapazität ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das technisch-ökonomische Potential von Langzeitwärmespeichern für eine bessere Integration von KWK ins System zu ermitteln bzw. generell nach geeigneteren Wärmesektorszenarien zu suchen, da deutlich wurde, dass für die öffentliche Wärmeversorgung die KWK in Kombination mit Kurzzeitwärmespeicherung, Gaskesseln und elektrischen Heizern keine sehr effektive CO2 -Reduktion in den Szenarien erreicht. Es sollte dabei z.B. untersucht werden, ob ein multivalentes System aus KWK, Wärmespeichern und Wärmepumpen eine ökonomisch darstellbare Alternative sein könnte und im Anschluss eine Betrachtung der optimalen Anteile von KWK, Wärmepumpen und Solarthermie im Wärmemarkt vorgenommen werden.

Balancing Economic Development with Environmental Conservation: Challenges Facing the North and South

This paper critically explores how development policies tend to ignore pressing environmental concerns. In the first section development in the North and South and the Bhopal disaster will be juxtaposed to show how development without environmental governance can be deadly. The article then turns to the way in which the Sri Lankan government’s Moragahakanda Development Project strives for economic development without concern for the environment. It will be contended in this article that governments and big companies in the North and South have tended to carelessly use scarce resources for development.

Optimal Methodology for Synchronized Scheduling of Parallel Station Assembly with Air Transportation

We present an optimal methodology for synchronized scheduling of production assembly with air transportation to achieve accurate delivery with minimized cost in consumer electronics supply chain (CESC). This problem was motivated by a major PC manufacturer in consumer electronics industry, where it is required to schedule the delivery requirements to meet the customer needs in different parts of South East Asia. The overall problem is decomposed into two sub-problems which consist of an air transportation allocation problem and an assembly scheduling problem. The air transportation allocation problem is formulated as a Linear Programming Problem with earliness tardiness penalties for job orders. For the assembly scheduling problem, it is basically required to sequence the job orders on the assembly stations to minimize their waiting times before they are shipped by flights to their destinations. Hence the second sub-problem is modelled as a scheduling problem with earliness penalties. The earliness penalties are assumed to be independent of the job orders.

Planning and Scheduling Decisions in Supply Chains with Multiple Supply Modes: An Integrated Approach

We address the problem of jointly determining shipment planning and scheduling decisions with the presence of multiple shipment modes. We consider long lead time, less expensive sea shipment mode, and short lead time but expensive air shipment modes. Existing research on multiple shipment modes largely address the short term scheduling decisions only. Motivated by an industrial problem where planning decisions are independent of the scheduling decisions, we investigate the benefits of integrating the two sets of decisions. We develop sequence of mathematical models to address the planning and scheduling decisions. Preliminary computational results indicate improved performance of the integrated approach over some of the existing policies used in real-life situations.

Effects of memory load on visual search

Resumen tomado de la publicaci??n

A Gain Scheduling Model Predictive Controller for Blood Glucose Control in Type 1 Diabetes

This paper presents a control strategy for blood glucose(BG) level regulation in type 1 diabetic patients. To design the controller, model-based predictive control scheme has been applied to a newly developed diabetic patient model. The controller is provided with a feedforward loop to improve meal compensation, a gain-scheduling scheme to account for different BG levels, and an asymmetric cost function to reduce hypoglycemic risk. A simulation environment that has been approved for testing of artificial pancreas control algorithms has been used to test the controller. The simulation results show a good controller performance in fasting conditions and meal disturbance rejection, and robustness against model–patient mismatch and errors in meal estimation

Reductions in insecticide use from adoption of Bt cotton in South Africa: impacts on economic performance and toxic load to the environment

The study reported presents the findings relating to commercial growing of genetically-modified Bt cotton in South Africa by a large sample of smallholder farmers over three seasons (1998/99, 1999/2000, 2000/01) following adoption. The analysis presents constructs and compares groupwise differences for key variables in Bt v. non-Bt technology and uses regressions to further analyse the production and profit impacts of Bt adoption. Analysis of the distribution of benefits between farmers due to the technology is also presented. In parallel with these socio-economic measures, the toxic loads being presented to the environment following the introduction of Bt cotton are monitored in terms of insecticide active ingredient (ai) and the Biocide Index. The latter adjusts ai to allow for differing persistence and toxicity of insecticides. Results show substantial and significant financial benefits to smallholder cotton growers of adopting Bt cotton over three seasons in terms of increased yields, lower insecticide spray costs and higher gross margins. This includes one particularly wet, poor growing season. In addition, those with the smaller holdings appeared to benefit proportionately more from the technology (in terms of higher gross margins) than those with larger holdings. Analysis using the Gini-coefficient suggests that the Bt technology has helped to reduce inequality amongst smallholder cotton growers in Makhathini compared to what may have been the position if they had grown conventional cotton. However, while Bt growers applied lower amounts of insecticide and had lower Biocide Indices (per ha) than growers of non-Bt cotton, some of this advantage was due to a reduction in non-bollworm insecticide. Indeed, the Biocide Index for all farmers in the population actually increased with the introduction of Bt cotton. The results indicate the complexity of such studies on the socio-economic and environmental impacts of GM varieties in the developing world.

Hydrochemical variations and contaminant load in the Rio Tinto (Spain) during flood events

The aim of this work is to study the hydrochemical variations during flood events in the Rio Tinto, SW Spain. Three separate rainfall/flood events were monitored in October 2004 following the dry season. In general, concentrations markedly increased following the first event (Fe from 99 to 1130 mg/L; Q(max) = 0.78 m(3)/s) while dissolved loads peaked in the second event (Fe = 7.5 kg/s, Cu = 0.83 kg/s, Zn = 0.82 kg/s; Q(max) = 77 m(3)/s) and discharge in the third event (Q(max) = 127 m(3)/s). This pattern reflects a progressive depletion of metals and sulphate stored in the dry summer as soluble evaporitic salt minerals and concentrated pore fluids, with dilution by freshwater becoming increasingly dominant as the month progressed. Variations in relative concentrations were attributed to oxyhydroxysulphate Fe precipitation, to relative changes in the sources of acid mine drainage (e.g. salt minerals, mine tunnels, spoil heaps etc.) and to differences in the rainfall distributions along the catchment. The contaminant load carried by the river during October 2004 was enormous, totalling some 770 t of Fe, 420 t of Al, 100 t of Cu, 100 t of Zn and 71 t of Mn. This represents the largest recorded example of this flush-out process in an acid mine drainage setting. Approximately 1000 times more water and 1408 200 times more dissolved elements were carried by the river during October 2004 than during the dry, low-flow conditions of September 2004, highlighting the key role of flood Events in the annual pollutant transport budget of semi-arid and and systems and the need to monitor these events in detail in order to accurately quantify pollutant transport. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Uncertainties in annual riverine phosphorus load estimation: Impact of load estimation methodology, sampling frequency, baseflow index and catchment population density

Models developed to identify the rates and origins of nutrient export from land to stream require an accurate assessment of the nutrient load present in the water body in order to calibrate model parameters and structure. These data are rarely available at a representative scale and in an appropriate chemical form except in research catchments. Observational errors associated with nutrient load estimates based on these data lead to a high degree of uncertainty in modelling and nutrient budgeting studies. Here, daily paired instantaneous P and flow data for 17 UK research catchments covering a total of 39 water years (WY) have been used to explore the nature and extent of the observational error associated with nutrient flux estimates based on partial fractions and infrequent sampling. The daily records were artificially decimated to create 7 stratified sampling records, 7 weekly records, and 30 monthly records from each WY and catchment. These were used to evaluate the impact of sampling frequency on load estimate uncertainty. The analysis underlines the high uncertainty of load estimates based on monthly data and individual P fractions rather than total P. Catchments with a high baseflow index and/or low population density were found to return a lower RMSE on load estimates when sampled infrequently than those with a tow baseflow index and high population density. Catchment size was not shown to be important, though a limitation of this study is that daily records may fail to capture the full range of P export behaviour in smaller catchments with flashy hydrographs, leading to an underestimate of uncertainty in Load estimates for such catchments. Further analysis of sub-daily records is needed to investigate this fully. Here, recommendations are given on load estimation methodologies for different catchment types sampled at different frequencies, and the ways in which this analysis can be used to identify observational error and uncertainty for model calibration and nutrient budgeting studies. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.