Distributed Control and Optimization for Communication and Power Systems

We are at the cusp of a historic transformation of both communication system and electricity system. This creates challenges as well as opportunities for the study of networked systems. Problems of these systems typically involve a huge number of end points that require intelligent coordination in a distributed manner. In this thesis, we develop models, theories, and scalable distributed optimization and control algorithms to overcome these challenges.

This thesis focuses on two specific areas: multi-path TCP (Transmission Control Protocol) and electricity distribution system operation and control. Multi-path TCP (MP-TCP) is a TCP extension that allows a single data stream to be split across multiple paths. MP-TCP has the potential to greatly improve reliability as well as efficiency of communication devices. We propose a fluid model for a large class of MP-TCP algorithms and identify design criteria that guarantee the existence, uniqueness, and stability of system equilibrium. We clarify how algorithm parameters impact TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation and demonstrate an inevitable tradeoff among these properties. We discuss the implications of these properties on the behavior of existing algorithms and motivate a new algorithm Balia (balanced linked adaptation) which generalizes existing algorithms and strikes a good balance among TCP-friendliness, responsiveness, and window oscillation. We have implemented Balia in the Linux kernel. We use our prototype to compare the new proposed algorithm Balia with existing MP-TCP algorithms.

Our second focus is on designing computationally efficient algorithms for electricity distribution system operation and control. First, we develop efficient algorithms for feeder reconfiguration in distribution networks. The feeder reconfiguration problem chooses the on/off status of the switches in a distribution network in order to minimize a certain cost such as power loss. It is a mixed integer nonlinear program and hence hard to solve. We propose a heuristic algorithm that is based on the recently developed convex relaxation of the optimal power flow problem. The algorithm is efficient and can successfully computes an optimal configuration on all networks that we have tested. Moreover we prove that the algorithm solves the feeder reconfiguration problem optimally under certain conditions. We also propose a more efficient algorithm and it incurs a loss in optimality of less than 3% on the test networks.

Second, we develop efficient distributed algorithms that solve the optimal power flow (OPF) problem on distribution networks. The OPF problem determines a network operating point that minimizes a certain objective such as generation cost or power loss. Traditionally OPF is solved in a centralized manner. With increasing penetration of volatile renewable energy resources in distribution systems, we need faster and distributed solutions for real-time feedback control. This is difficult because power flow equations are nonlinear and kirchhoff's law is global. We propose solutions for both balanced and unbalanced radial distribution networks. They exploit recent results that suggest solving for a globally optimal solution of OPF over a radial network through a second-order cone program (SOCP) or semi-definite program (SDP) relaxation. Our distributed algorithms are based on the alternating direction method of multiplier (ADMM), but unlike standard ADMM-based distributed OPF algorithms that require solving optimization subproblems using iterative methods, the proposed solutions exploit the problem structure that greatly reduce the computation time. Specifically, for balanced networks, our decomposition allows us to derive closed form solutions for these subproblems and it speeds up the convergence by 1000x times in simulations. For unbalanced networks, the subproblems reduce to either closed form solutions or eigenvalue problems whose size remains constant as the network scales up and computation time is reduced by 100x compared with iterative methods.

Paths Towards High Efficiency Silicon Photovoltaics

While photovoltaics hold much promise as a sustainable electricity source, continued cost reduction is necessary to continue the current growth in deployment. A promising path to continuing to reduce total system cost is by increasing device efficiency. This thesis explores several silicon-based photovoltaic technologies with the potential to reach high power conversion efficiencies. Silicon microwire arrays, formed by joining millions of micron diameter wires together, were developed as a low cost, low efficiency solar technology. The feasibility of transitioning this to a high efficiency technology was explored. In order to achieve high efficiency, high quality silicon material must be used. Lifetimes and diffusion lengths in these wires were measured and the action of various surface passivation treatments studied. While long lifetimes were not achieved, strong inversion at the silicon / hydrofluoric acid interface was measured, which is important for understanding a common measurement used in solar materials characterization.

Cryogenic deep reactive ion etching was then explored as a method for fabricating high quality wires and improved lifetimes were measured. As another way to reach high efficiency, growth of silicon-germanium alloy wires was explored as a substrate for a III-V on Si tandem device. Patterned arrays of wires with up to 12% germanium incorporation were grown. This alloy is more closely lattice matched to GaP than silicon and allows for improvements in III-V integration on silicon.

Heterojunctions of silicon are another promising path towards achieving high efficiency devices. The GaP/Si heterointerface and properties of GaP grown on silicon were studied. Additionally, a substrate removal process was developed which allows the formation of high quality free standing GaP films and has wide applications in the field of optics.

Finally, the effect of defects at the interface of the amorphous silicon heterojuction cell was studied. Excellent voltages, and thus efficiencies, are achievable with this system, but the voltage is very sensitive to growth conditions. We directly measured lateral transport lengths at the heterointerface on the order of tens to hundreds of microns, which allows carriers to travel towards any defects that are present and recombine. This measurement adds to the understanding of these types of high efficiency devices and may aid in future device design.

Privatização, desestruturação organizacional e da força de trabalho: o caso de uma empresa de energia

Este trabalho tem como objetivo caracterizar o processo de privatização, como parte do projeto da reestruturação produtiva e de reforma do Estado, no contexto da crise do setor energético brasileiro nos anos 90. Para isto, é tomado, como caso exemplar, uma empresa do setor elétrico, para investigação das implicações ocorridas para a organização e para os seus trabalhadores. Entende-se aqui que a reforma do setor elétrico é parte integrante de mudanças mais amplas, remetidas à reforma do Estado, a qual adotou como ideologia as políticas neoliberais a partir dos anos 1990 no Brasil. É neste contexto que entendemos a privatização das empresas de utilidade pública no Programa Nacional de Desestatização (PND). Tomamos para o estudo de caso uma empresa do setor elétrico, tendo em vista que a energia representa um insumo essencial para o desenvolvimento de um país. Foi a partir também do desenvolvimento das formas de energia que ocorreram as revoluções industriais e, com isso, o desenvolvimento do capitalismo industrial. Além de revisão teórica e bibliográfica, o estudo contou com pesquisa documental dos relatórios anuais, do planejamento estratégico e da pesquisa de clima organizacional realizados pela empresa investigada. Contribuiu, para a análise, ainda, o processo de observação da autora como participante do cotidiano organizacional, na medida em que é trabalhadora e assistente social da empresa. A pesquisa revela que o período de sete anos em que a empresa permaneceu incluída no PND, acarretou a sua des/reestruturação tanto para a identidade empresarial da empresa quanto para os seus recursos humanos. Diante, da reestruturação, a empresa elaborou seu Planejamento Estratégico, buscando, segundo os padrões empresariais vigentes, ser referência mundial, ter excelência empresarial e rentabilidade. Ao mesmo tempo, estabeleceu abstratamente a valorização das pessoas, a transparência, a ética e a responsabilidade sócio-ambiental. Porém, ao analisar o seu Planejamento Estratégico e a pesquisa de Clima Organizacional, constatamos as contradições existentes na empresa. Entre as contradições, verificamos ser a gestão de recursos humanos, o principal desafio a ser superado nesse processo de reestruturação.

Políticas de provisão de serviços de utilidade pública na Ilha Grande: o fornecimento de energia elétrica na Vila Dois Rios

Esta dissertação é apresenta como tema central o fornecimento de energia elétrica em áreas protegidas como é caso da Ilha Grande , distrito de Angra dos Reis e situada no litoral sul do Estado do Rio de Janeiro. Os diferentes usos de energia elétrica estão relacionados às diferentes funções da ilha ao longo de cinco séculos de ocupação em que destaca-se a função de segurança pública com o complexo presidiário, a função de proteção ambiental com as categorias da APA , PARQUE, RESERVA BIOLÓGICA e com a função mais recente que é de atrativo turístico.

Charge and spin transport in graphene devices

170 p.

Detecção e classificação de VTCDs em sistemas de distribuição de energia elétrica usando redes neurais artificiais.

O objetivo deste trabalho é conhecer e compreender melhor os imprevistos no fornecimento de energia elétrica, quando ocorrem as variações de tensão de curta duração (VTCD). O banco de dados necessário para os diagnósticos das faltas foi obtido através de simulações de um modelo de alimentador radial através do software PSCAD/EMTDC. Este trabalho utiliza um Phase-Locked Loop (PLL) com o intuito de detectar VTCDs e realizar a estimativa automática da frequência, do ângulo de fase e da amplitude das tensões e correntes da rede elétrica. Nesta pesquisa, desenvolveram-se duas redes neurais artificiais: uma para identificar e outra para localizar as VTCDs ocorridas no sistema de distribuição de energia elétrica. A técnica aqui proposta aplica-se a alimentadores trifásicos com cargas desequilibradas, que podem possuir ramais laterais trifásicos, bifásicos e monofásicos. No desenvolvimento da mesma, considera-se que há disponibilidade de medições de tensões e correntes no nó inicial do alimentador e também em alguns pontos esparsos ao longo do alimentador de distribuição. Os desempenhos das arquiteturas das redes neurais foram satisfatórios e demonstram a viabilidade das RNAs na obtenção das generalizações que habilitam o sistema para realizar a classificação de curtos-circuitos.

Estudo dos resíduos eletroeletrônicos de uma prestadora de services do setor naval, com vistas ao gerenciamento ambiental.

Esta pesquisa usou o estudo de caso para analisar os resíduos eletroeletrônicos gerados em uma Empresa prestadora de serviços atuante no setor naval. Após breve reflexão sobre a relação homem-natureza, apresenta-se o conceito de resíduos sólidos e suas classificações, introduzindo-se dados que embasam o impacto dos eletroeletrônicos na geração de resíduos no Brasil. Em seguida, discorre-se sobre a evolução da eletricidade e da eletrônica até os dias atuais, passando-se a comentar os aspectos e impactos da produção e descarte dos dispositivos eletroeletrônicos, que utilizam algumas substâncias tóxicas em sua manufatura. Destacam-se alguns caminhos alternativos para os resíduos eletroeletrônicos como o reuso, o reaproveitamento e a reciclagem que abriram caminhos para novos negócios. O estudo se volta para uma abordagem da legislação ambiental, mencionando aspectos da legislação dos Estados Unidos e da Europa, além de discorrer sobre fatos relevantes do ordenamento jurídico ambiental brasileiro, com ênfase na Política Nacional de Resíduos Sólidos. Esta Seção se encerra com um breve resumo do alinhamento do setor naval à legislação ambiental, através do uso das normas ISO da série 14.000. Prossegue-se com a descrição da Empresa onde se realizou o estudo de caso, apresentando-se um resumo acerca de sua trajetória, estrutura de funcionamento e a situação da gestão ambiental. Em seguida, é descrita a metodologia usada para o desenvolvimento do estudo de caso, detalhando-se os tipos de pesquisa e procedimentos utilizados para a caracterização dos resíduos eletroeletrônicos, bem como as ferramentas de gestão usadas para sua análise. Discorre-se, então, sobre o estudo de caso realizado na Empresa, com a apresentação das ações e pesquisas realizadas acerca de seus processos de geração e descarte de resíduos eletroeletrônicos. Os dados obtidos neste estudo foram analisados à luz do conhecimento ambiental e gestor e, com o auxílio de algumas ferramentas de gestão, foram selecionados os resíduos eletroeletrônicos mais impactantes e os com possibilidade de serem gerenciados pela Empresa. Encerrando o trabalho, as conclusões sobre o estudo e as sugestões para a melhoria do gerenciamento dos resíduos eletroeletrônicos são disponibilizadas para uso da Empresa, propondo-se também a implementação de um sistema de gerenciamento integrado para todos os resíduos nela gerados.

Análise das estimativas de emissão de metano por aterros sanitários em projetos de MDL no Brasil.

Para a maioria dos municípios brasileiros, a instalação de um aterro sanitário é um desafio, sendo uma das dificuldades o custo elevado. Existem algumas formas de mitigar estes custos e uma delas é através do mercado de emissões. Com planejamento prévio suficiente, é possível queimar o metano gerado através da degradação do resíduo, podendo resultar em benefícios para o aterro tanto através do aproveitamento (geração de energia ou venda direta) quanto recebimento de algum tipo de certificado de emissões negociável. Incluído neste planejamento prévio suficiente está a realização da estimativa ex-ante de emissão de metano para saber previamente qual será o aproveitamento mais indicado e a eventual receita oriunda da queima. Quando analisados os projetos de MDL feitos em aterros sanitários, pode ser notado que estas estimativas são muitas vezes mal feitas, gerando valores estimados muito acima do realmente observado durante a operação. Este erro acarreta uma perda de credibilidade deste tipo de projeto, já que o número esperado é raramente alcançado. Existem alguns fatores que contribuem para esta discrepância de valores, sendo problemas operacionais (como exemplo podem ser citados deficiência no sistema de captura do biogás e problemas na captação e recirculação de lixiviado) e de modelagem (utilização de valores de entrada experimentais obtidos sob situações muito diferentes das encontradas nos aterros brasileiros, por exemplo) os possíveis principais vilões. Este trabalho visa apresentar e discutir os principais problemas na realização de estimativas prévias de emissão de metano em aterros sanitários utilizando projetos brasileiros de MDL registrados e que estejam atualmente emitindo créditos de carbono como base para analisar a qualidade das estimativas feitas atualmente. Além disto, busca-se também entrevistar profissionais da área para tentar obter diferentes pontos de vista sobre esta questão. Fica claro que os valores estimados, de um modo geral, são entre 40 e 50% superiores aos observados. Metade dos especialistas aponta problemas operacionais diversos como os principais contribuintes desta diferença, mas problemas na modelagem parecem influenciar decisivamente na realização das estimativas. A utilização de valores de entrada no modelo precisa ser criteriosamente analisada e devem ser utilizados números obtidos através de pesquisas que representem a realidade do aterro em questão.

Frame-level features conveying phonetic information for language and speaker recognition

150 p.

Modificación del sistema energético de la unidad móvil de donantes de osakidetza (CVTT)

[ES]Hoy en día los vehículos usados en la extracción de sangre utilizan un motor de combustión interna, no solamente para sus desplazamientos, sino también para generar electricidad con la que poder utilizar todos los aparatos del interior. Como consecuencia, el autobús es una fuente importante de ruidos y contaminación, ya que el motor diesel está funcionando durante las largas paradas en las que se realiza dicha actividad. El objetivo del proyecto es diseñar un sistema innovador basado en pilas de combustible que sirva para alimentar todos los equipos y dispositivos, evitando el ruido, las vibraciones y los gases contaminantes. Para ello y en primer lugar, será necesario estimar el consumo total del autobús. Tras esto, también se tomarán una serie de decisiones con el fin de mejorar la eficiencia energética del autobús. Finalmente, se hará un diseño del sistema energético, el cual debe incluir una pila de combustible, junto con todos sus sistemas asociados, y todas las especificaciones.

Estudio del proceso de valorización energética de los residuos sólidos urbanos en una planta de incineración.

[ES]El objetivo de este Trabajo Fin de Grado consiste en estudiar el proceso desarrollado en la planta de incineración de residuos sólidos urbanos de Zabalgarbi (Bizkaia). La planta consiste en un ciclo combinado basado en una turbina de gas de 43 MW y una turbina de vapor de 56,5 MW. La importancia de su diseño recae en la adaptación de la tecnología de ciclo combinado de gas a la tecnología propia de una planta de valorización energética de residuos municipales. Es decir, se trata de un diseño innovador, del que surge un nuevo proceso industrial que permite dar solución a la problemática generada por los residuos producidos a la vez que se genera energía eléctrica. Gracias a este diseño, se consigue una mejora cualitativa y cuantitativa del rendimiento de la planta, ya que se obtiene energía eléctrica en dos etapas, además de un mejor aprovechamiento de los recursos. La tecnología utilizada para la incineración es el horno-caldera de parrilla deslizante. En este trabajo se analizarán los procesos integrados en la planta y se realizará el estudio energético de los equipos más significativos. Una vez realizada esta parte, se considerarán ciertas mejoras a incorporar en la instalación. Además, se desarrollará la metodología seguida para la realización del estudio así como la planificación y el presupuesto.

Gasificación de biomasa con astillas de madera.

[ES]Este proyecto tiene como objetivo generar energía eléctrica y térmica para un conjunto de viviendas aisladas, sin acceso a la red eléctrica, con una potencia requerida de 12KW. Se pretende plantear una solución que satisfaga las necesidades básicas de auto-abastecimiento de una forma económicamente rentable. Para comenzar, por un lado de cara al objetivo 20/20/20 se realizará un acercamiento a la utilización de las energías renovables como fuente de energía, disminuyendo así el impacto ambiental. Por otro lado, se plantearán diferentes alternativas para la generación de energía eléctrica y térmica, finalmente haciendo hincapié en el estudio de una planta de gasificación de biomasa mediante astillas de madera. De modo que, a lo largo de este documento se analizarán los principios y fundamentos necesarios para el diseño de una planta de generación eléctrica mediante gasificación de biomasa. Para ello se estudiarán los diferentes modelos de gasificadores existentes, el desarrollo del proceso de gasificación con sus respectivas etapas y la limpieza y adaptación del gas obtenido antes de introducirlo en el MACI. Se realizará una descripción de la planta junto al dimensionamiento tanto del almacenamiento de la materia prima como el de los equipos a instalar. Finalmente, para valorar si se trata de un proyecto viable. Se realizará el estudio económico analizando el presupuesto y análisis de rentabilidad. Asimismo, se plantearán los diferentes riesgos a los que puede exponerse una instalación como esta.

Addressing students' difficulties with Faraday's law: A guided problem solving approach

In traditional teaching, the fundamental concepts of electromagnetic induction are usually quickly analyzed, spending most of the time solving problems in a more or less rote manner. However, physics education research has shown that the fundamental concepts of the electromagnetic induction theory are barely understood by students. This article proposes an interactive teaching sequence introducing the topic of electromagnetic induction. The sequence has been designed based on contributions from physics education research. Particular attention is paid to the relationship between experimental findings (macroscopic level) and theoretical interpretation (microscopic level). An example of the activities that have been designed will also be presented, describing the implementation context and the corresponding findings. Since implementing the sequence, a considerable number of students have a more satisfactory grasp of the electromagnetic induction explicative model. However, difficulties are manifested in aspects that require a multilevel explanation, referring to deep structures where the system description is better defined.

Proyecto de un parque eólico para la alimentación de las bombas de la central hidráulica de Belesar (Lugo).

[ES]El proyecto consiste en el estudio de las necesidades energéticas de las bombas de una central hidráulica y la construcción de un parque eólico para satisfacer dichas necesidades. Para ello será necesario llevar a cabo un estudio del área y así encontrar el lugar más adecuado para ubicar los aerogeneradores, teniendo en cuenta la frecuencia, velocidad y dirección de los vientos predominantes del lugar. Después habrá que estudiar el mercado y elegir el aerogenerador adecuado para las condiciones del lugar y del viento, atendiendo también a otras cuestiones de relevancia. Se estudiará, además, la posibilidad de inyectar un posible exceso de electricidad a la red general. Una vez hecho esto, habrá que calcular el coste del proyecto.