Simulation and Evaluation of High-Voltage Power Systems for Civil Aircraft

A status report of the modelling and simulation work that is being undertaken as part of the TIMES (Totally Integrated More Electric Systems) project is presented. Dynamic power quality simulations have been used to asses the performance of the electrical system of a EMA based actuation system for an Airbus A330 size aircraft, for both low voltage 115 V, and high voltage 230 V three-phase AC systems. The high voltage system is shown to have benefits in terms of power quality and reduced size and weight of equipment.

Online two-section PV array fault diagnosis with optimized voltage sensor locations

Photovoltaic (PV) stations have been widely built in the world to utilize solar energy directly. In order to reduce the capital and operational costs, early fault diagnosis is playing an increasingly important role by enabling the long effective operation of PV arrays. This paper analyzes the terminal characteristics of faulty PV strings and arrays, and it develops a PV array fault diagnosis technique. The terminal current-voltage curve of a faulty PV array is divided into two sections, i.e., high-voltage and low-voltage fault diagnosis sections. The corresponding working points of healthy string modules and of healthy and faulty modules in an unhealthy string are then analyzed for each section. By probing into different working points, a faulty PV module can be located. The fault information is of critical importance for the maximum power point tracking and the array dynamical reconfiguration. Furthermore, the string current sensors can be eliminated, and the number of voltage sensors can be reduced by optimizing voltage sensor locations. Typical fault scenarios including monostring, multistring, and a partial shadow for a 1.6-kW 3 $times$ 3 PV array are presented and experimentally tested to confirm the effectiveness of the proposed fault diagnosis method.

Instrument transformers with Digital outputting high voltage power networks

In recent years, energy modernization has focused on smart engineering advancements. This entails designing complicated software and hardware for variable-voltage digital substations. A digital substation consists of electrical and auxiliary devices, control and monitoring devices, computers, and control software. Intelligent measurement systems use digital instrument transformers and IEC 61850-compliant information exchange protocols in digital substations. Digital instrument transformers used for real-time high-voltage measurements should combine advanced digital, measuring, information, and communication technologies. Digital instrument transformers should be cheap, small, light, and fire- and explosion-safe. These smaller and lighter transformers allow long-distance transmission of an optical signal that gauges direct or alternating current. Cost-prohibitive optical converters are a problem. To improve the tool's accuracy, amorphous alloys are used in the magnetic circuits and compensating feedback. Large-scale voltage converters can be made cheaper by using resistive, capacitive, or hybrid voltage dividers. In known electronic voltage transformers, the voltage divider output is generally on the low-voltage side, facilitating power supply organization. Combining current and voltage transformers reduces equipment size, installation, and maintenance costs. These two gadgets cost less together than individually. To increase commercial power metering accuracy, current and voltage converters should be included into digital instrument transformers so that simultaneous analogue-to-digital samples are obtained. Multichannel ADC microcircuits with synchronous conversion start allow natural parallel sample drawing. Digital instrument transformers are created adaptable to substation operating circumstances and environmental variables, especially ambient temperature. An embedded microprocessor auto-diagnoses and auto-calibrates the proposed digital instrument transformer.

Multi-commutation in spectrometry

We review recent developments in manifold components and the introduction of light-emitting-diode technology in spectroscopic detection in order to evaluate the tremendous possibilities offered by multi-commutation for infield and in-situ measurements, based on the use of multi-pumping and low-voltage, portable batteries, which make possible a dramatic reduction in size, weight and power requirements of spectrometric devices. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Advantages of graded-channel SOI nMOSFETs for application as source-follower analog buffer

In this work the performance of graded-channel (CC) SOI MOSFETs operating as source-follower buffers is presented. The experimental analysis is performed by comparing the gain and linearity of buffers implemented with CC and standard SOI MOS devices considering the same mask dimensions. It is shown that by using CC devices, buffer gain very close to the theoretical limit can be achieved, with improved linearity, while for standard devices the gain departs from the theoretical value depending on the inversion level imposed by the bias current and input voltage. Two-dimensional numerical simulations were performed in order to confirm some hypotheses proposed to explain the gain behavior observed in the experimental data. By using numerical simulations the channel length has been varied, showing that the gain of buffers implemented with CC devices remains close to the theoretical limit even when short-channel devices are adopted. It has also been shown that the length of a source-follower buffer using CC devices can be reduced by a factor of 5, in comparison with a standard Sol MOSFET, without gain loss or linearity degradation. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Harmonic distortion analysis of double gate graded-channel MOSFETs operating in saturation

In this work we present an analysis of harmonic distortion (HD) in graded-channel (GC) gate-all-a round (GAA) devices operating in saturation region for analog applications. The study has been performed through device characterization and two-dimensional process and device simulations. The overall study has been done on the total and third order HDs. When applied in the saturation regime as an amplifier, the GC outperforms conventional GAA transistors presenting simultaneously higher transconductance, lower drain output conductance and more than 15 dB improved linearity. The influence of channel length reduction on the H D is also analyzed. Although slight linearity degradation is observed in both the conventional and the GC devices when reducing the channel length, the HD presented by the GC transistor is significantly lower than the one showed by conventional device for any Studied channel length. This allows AC input signal amplitude up to 20 times higher than the conventional GAA for a same specified distortion level. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Electrical burns: A retrospective analysis across a 5-year period

This study aims to review the experience, at an institution, with patients who suffered electrical burns and study the peculiar characteristics of this type of burn as well as its complications and epidemiological aspects. The study includes medical records of patients with electrical burns who were admitted to the Burn Unit of Hospital das Clinicas in Sao Paulo, Brazil, from November 2001 to October 2006. They were classified into four categories: high voltage (>= 1000 V), low voltage (<1000 V), `flash burn` (in which there is no electrical current flow through the body of the patient) and burns caused by lightning. The complications were more severe and common in the high-voltage group, while longer hospital stays and more complex surgical procedures due to the greater depth of burns were also observed in this group. High-voltage burns are mainly labour-/occupation-related. The majority of the patients were young men at the beginning of their professional lives. This factor generates an important socio-economic impact due to the high incidence of sequelae, resulting in amputations, rendering them unable to maintain their occupations. (C) 2009 Elsevier Ltd and ISBI. All rights reserved.

Impacto da integração dos veículos eléctricos nos edifícios multi-habitacionais, nas redes de distribuição de baixa tensão e no diagrama de carga nacional

Associado à escassez dos combustíveis fósseis e ao desejado controlo de emissões nocivas para a atmosfera, assistimos no mundo ao desenvolvimento do um novo paradigma — a mobilidade eléctrica. Apesar das variações de maior ou menor arbítrio político dos governos, do excelente ou débil desenvolvimento tecnológico, relacionados com os veículos eléctricos, estamos perante um caminho, no que diz respeito à mobilidade eléctrica, que já não deve ser encarado como uma moda mas como uma orientação para o futuro da mobilidade. Portugal tendo dado mostras que pretende estar na dianteira deste desafio, necessita equacionar e compreender em que condições existirá uma infra-estrutura nacional capaz de fazer o veículo eléctrico vingar. Assim, neste trabalho, analisa-se o impacto da mobilidade eléctrica em algumas dessas infra-estruturas, nomeadamente nos edifícios multi-habitacionais e redes de distribuição em baixa tensão. São criados neste âmbito, quatro perfis de carregamento dos EVs nomeadamente: nas horas de chegada a casa; nas horas de vazio com início programado pelo condutor; nas horas de vazio controlado por operador de rede (“Smart Grid”); e um cenário que contempla a utilização do V2G. Com a obrigação legal de nos novos edifícios serem instaladas tomadas para veículos eléctricos, é estudado, com os cenários anteriores a possibilidade de continuar a conceber as instalações eléctricas, sem alterar algumas das disposições legais, ao abrigo dos regulamentos existentes. É também estudado, com os cenários criados e com a previsão da venda de veículos eléctricos até 2020, o impacto deste novo consumo no diagrama de carga do Sistema Eléctrico Nacional. Mostra-se assim que a introdução de sistemas inteligentes de distribuição de energia [Smartgrid e vehicle to grid” (V2G)] deverá ser encarada como a solução que por excelência contribuirá para um aproveitamento das infra-estruturas existentes e simultaneamente um uso acessível para os veículos eléctricos.

Maximum penetration of microgeneration photovoltaic panels in distribution network

In smart grids context, the distributed generation units based in renewable resources, play an important rule. The photovoltaic solar units are a technology in evolution and their prices decrease significantly in recent years due to the high penetration of this technology in the low voltage and medium voltage networks supported by governmental policies and incentives. This paper proposes a methodology to determine the maximum penetration of photovoltaic units in a distribution network. The paper presents a case study, with four different scenarios, that considers a 32-bus medium voltage distribution network and the inclusion storage units.

Coordination between mid-term maintenance outage decisions and short-term security-constrained scheduling in smart distribution systems

Distribution systems are the first volunteers experiencing the benefits of smart grids. The smart grid concept impacts the internal legislation and standards in grid-connected and isolated distribution systems. Demand side management, the main feature of smart grids, acquires clear meaning in low voltage distribution systems. In these networks, various coordination procedures are required between domestic, commercial and industrial consumers, producers and the system operator. Obviously, the technical basis for bidirectional communication is the prerequisite of developing such a coordination procedure. The main coordination is required when the operator tries to dispatch the producers according to their own preferences without neglecting its inherent responsibility. Maintenance decisions are first determined by generating companies, and then the operator has to check and probably modify them for final approval. In this paper the generation scheduling from the viewpoint of a distribution system operator (DSO) is formulated. The traditional task of the DSO is securing network reliability and quality. The effectiveness of the proposed method is assessed by applying it to a 6-bus and 9-bus distribution system.

Controlo estratégico dos custos das atividades e recursos da Direção Comercial da Eletricidade dos Açores, S.A.

Dissertação de Mestrado, Ciências Económicas e Empresariais, 16 de Janeiro 2014, Universidade dos Açores.

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Algoritmo de controlo inteligente de microprodução para regulação de tensão em redes de baixa tensão

Com o constante desenvolvimento da sociedade, o consumo de energia elétrica tem aumentado gradualmente, por outro lado a preocupação com o meio ambiente e a necessidade de um desenvolvimento sustentável, faz com que a legislação atual favoreça a introdução de fontes de energia de origem renovável em detrimento de fontes de energia de origem fóssil. Cada vez mais têm surgido incentivos para a implementação de pequenos sistemas de produção em instalações de utilização, estes consumidores/produtores são denominados de prosumers, sendo este tipo de produtores ligados à rede elétrica de baixa tensão. Com a introdução deste tipo de produtores é necessário dotar a rede elétrica de meios que permitam ao operador da rede monitorizar e controlar em tempo real o estado da rede assim como destes novos produtores. No âmbito desta dissertação, foi desenvolvido um algoritmo de controlo inteligente de microprodução. Avaliando o consumo, a produção, entre outros parâmetros de gestão da rede, este algoritmo calculará um conjunto de set-points que deverão ser enviados para os microprodutores de modo a limitar a potência injetada na rede e assim controlar a tensão. Também foi realizado um estudo económico do impacto que as medidas propostas teriam do ponto de vista dos gestores da rede bem como do ponto de vista dos microprodutores.

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.

Estratégias de Comercialização de Potência como Medida de Eficiência Energética

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular “ Dissertação” do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o aumento crescente do número de consumidores de energia, é cada vez mais imperioso a adoção de medidas de racionalização e gestão dos consumos da energia elétrica. Existem diferentes tipos de dificuldades no planeamento e implementação de novas centrais produtoras de energia renovável, pelo que também por este motivo é cada vez mais importante adoção de medidas de gestão de consumos, quer ao nível dos clientes alimentados em média tensão como de baixa tensão. Desta forma será mais acessível a criação de padrões de eficiência energética elevados em toda a rede de distribuição de energia elétrica. Também a economia é afetada por uma fraca gestão dos consumos por parte dos clientes. Elevados desperdícios energéticos levam a que mais energia tenha que ser produzida, energia essa que contribui ainda mais para a elevada taxa de dependência energética em Portugal, e para o degradar da economia nacional. Coloca-se assim a necessidade de implementar planos e métodos que promovam a eficiência energética e a gestão racional de consumos de energia elétrica. Apresenta-se nesta dissertação várias propostas, algumas na forma de projetos já em execução, que visam sensibilizar o consumidor para a importância da utilização eficiente de energia e, ao mesmo tempo, disponibilizam as ferramentas tecnológicas adequadas para auxiliar a implementação dos métodos propostos. Embora os planos apresentados, sobejamente conhecidos, tenham imensa importância, a implementação nos vários consumidores de sistemas capazes de efetivamente reduzir consumos tem um papel fundamental. Equipamentos de gestão de consumos, que são apresentados nesta dissertação, permitem ao consumidor aceder diretamente ao seu consumo. Podem aceder não apenas ao consumo global da instalação mas também ao consumo específico por equipamento, permitindo perceber onde se verifica a situação mais desfavorável. Funcionalidades de programação de perfis tipo, com limitações de potência em vários períodos horários, bem como possibilidades de controlo remoto com recurso a aplicações para Smartphones permitem a redução de consumos ao nível da rede de distribuição e, desta forma, contribuir para a redução dos desperdícios e da dependência energética em Portugal. No âmbito do trabalho de dissertação é desenvolvida uma metodologia de comercialização de potência, que é apresentada nesta tese. Esta metodologia propõem que o consumidor, em função dos seus consumos, pague apenas a quantidade de potência que efetivamente necessita num certo período de tempo. Assim, o consumidor deixa de pagar uma tarifa mensal fixa associada á sua potência contratada, e passará a pagar um valor correspondente apenas à potência que efetivamente solicitou em todas as horas durante o mês. Nesta metodologia que é apresentada, o consumidor poderá também fazer uma análise do seu diagrama de cargas e simular uma alteração da sua tarifa, tarifa esta que varia entre tarifa simples, bi-horária semanal, bi-horária diária, tri-horária semanal ou tri-horária diária, de forma a perceber em qual destas pagará um menor valor pela mesma energia. De forma a que o consumidor possa perceber se haverá vantagem de uma alteração para uma potência contratada flexível, ou para uma outra tarifa associada á energia, tem ao seu dispor uma ferramenta, que em função dos seus consumos, permite retirar conclusões sobre o preço final a pagar na fatura, após cada tipo de alteração. Esta ferramenta foi validada com recurso a várias simulações, para diferentes perfis de consumidores. Desta forma, o utilizador fica a perceber que realmente pode poupar com uma potência contratada flexível, ao mesmo tempo que pode identificar-se com um perfil de simulação e, mais facilmente, perceber para que alteração tarifária pode usufruir de uma maior poupança.