Algebraic-graph method for identification of islanding in power system grids

In this paper, a new algebraic-graph method for identification of islanding in power system grids is proposed. The proposed method identifies all the possible cases of islanding, due to the loss of a equipment, by means of a factorization of the bus-branch incidence matrix. The main features of this new method include: (i) simple implementation, (ii) high speed, (iii) real-time adaptability, (iv) identification of all islanding cases and (v) identification of the buses that compose each island in case of island formation. The method was successfully tested on large-scale systems such as the reduced south Brazilian system (45 buses/72 branches) and the south-southeast Brazilian system (810 buses/1340 branches). (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Método multigrid algébrico: reutilização das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solução de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretização de equações diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fenômenos físicos conduz à busca de técnicas numéricas escaláveis. Métodos multigrid são classificados como algoritmos escaláveis.Um estimador de erros deve estar associado à solução numérica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avaliação da solução obtida pelo processo de aproximação. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutilização das estruturas matriciais hierárquicas de operadores de transferência e restrição dos métodos multigrid algébricos para acelerar o tempo de solução dos sistemas lineares associados à equação do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementação das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou não constantes, os regimes de pequena ou grande advecção e pela proposta de utilização das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e à condição inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos códigos do método de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programação PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementação dos métodos multigrid algébricos com reutilização considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutilização das estruturas hierárquicas, os métodos multigrid com reutilização com parâmetro fixo e automática são propostos, e esses conceitos são estendidos para os métodos iterativos não-estacionários tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados numéricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solução numérica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solução numérica similar à uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os métodos com reutilização são mais rápidos que os métodos que não empregam o processo de reutilização de estruturas. Além disso, a eficiência dos métodos com reutilização também pode ser observada na solução do problema auxiliar, o qual é necessário para obtenção das estimativas residuais para o regime de grande advecção. Esses resultados englobam tanto os métodos multigrid algébricos do tipo SA quanto os métodos pré-condicionados por métodos multigrid algébrico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advecção, malhas estruturadas e não estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e domínios com diferentes escalas.

A different algebraic analysis of the ZUC stream cipher

Existing algebraic analyses of the ZUC cipher indicate that the cipher should be secure against algebraic attacks. In this paper, we present an alternative algebraic analysis method for the ZUC stream cipher, where a combiner is used to represent the nonlinear function and to derive equations representing the cipher. Using this approach, the initial states of ZUC can be recovered from 2^97 observed words of keystream, with a complexity of 2^282 operations. This method is more successful when applied to a modified version of ZUC, where the number of output words per clock is increased. If the cipher outputs 120 bits of keystream per clock, the attack can succeed with 219 observed keystream bits and 2^47 operations. Therefore, the security of ZUC against algebraic attack could be significantly reduced if its throughput was to be increased for efficiency.

Algebraic analysis of the SSS stream cipher

Both the SSS and SOBER-t32 stream cipher designs use a single word-based shift register and a nonlinear filter function to produce keystream. In this paper we show that the algebraic attack method previously applied to SOBER-t32 is prevented from succeeding on SSS by the use of the key dependent substitution box (SBox) in the nonlinear filter of SSS. Additional assumptions and modifications to the SSS cipher in an attempt to enable algebraic analysis result in other difficulties that also render the algebraic attack infeasible. Based on these results, we conclude that a well chosen key-dependent substitution box used in the nonlinear filter of the stream cipher provides resistance against such algebraic attacks.

Implicit and multigrid procedures for steady-state computations with upwind algorithms

A computational study for the convergence acceleration of Euler and Navier-Stokes computations with upwind schemes has been conducted in a unified framework. It involves the flux-vector splitting algorithms due to Steger-Warming and Van Leer, the flux-difference splitting algorithms due to Roe and Osher and the hybrid algorithms, AUSM (Advection Upstream Splitting Method) and HUS (Hybrid Upwind Splitting). Implicit time integration with line Gauss-Seidel relaxation and multigrid are among the procedures which have been systematically investigated on an individual as well as cumulative basis. The upwind schemes have been tested in various implicit-explicit operator combinations such that the optimal among them can be determined based on extensive computations for two-dimensional flows in subsonic, transonic, supersonic and hypersonic flow regimes. In this study, the performance of these implicit time-integration procedures has been systematically compared with those corresponding to a multigrid accelerated explicit Runge-Kutta method. It has been demonstrated that a multigrid method employed in conjunction with an implicit time-integration scheme yields distinctly superior convergence as compared to those associated with either of the acceleration procedures provided that effective smoothers, which have been identified in this investigation, are prescribed in the implicit operator.

The algebraic structure behind the derivative nonlinear Schrödinger equation

The Kaup-Newell (KN) hierarchy contains the derivative nonlinear Schrödinger equation (DNLSE) amongst others interesting and important nonlinear integrable equations. In this paper, a general higher grading affine algebraic construction of integrable hierarchies is proposed and the KN hierarchy is established in terms of an Ŝℓ2Kac-Moody algebra and principal gradation. In this form, our spectral problem is linear in the spectral parameter. The positive and negative flows are derived, showing that some interesting physical models arise from the same algebraic structure. For instance, the DNLSE is obtained as the second positive, while the Mikhailov model as the first negative flows. The equivalence between the latter and the massive Thirring model is also explicitly demonstrated. The algebraic dressing method is employed to construct soliton solutions in a systematic manner for all members of the hierarchy. Finally, the equivalence of the spectral problem introduced in this paper with the usual one, which is quadratic in the spectral parameter, is achieved by setting a particular automorphism of the affine algebra, which maps the homogeneous into principal gradation. © 2013 IOP Publishing Ltd.

Finite-Elemente-Mehrgitter von Molekülen

Im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie wurden Orbitalfunktionale wie z.B. B3LYP entwickelt. Diese lassen sich mit der „optimized effective potential“ – Methode selbstkonsistent auswerten. Während sie früher nur im 1D-Fall genau berechnet werden konnte, entwickelten Kümmel und Perdew eine Methode, bei der das OEP-Problem unter Verwendung einer Differentialgleichung selbstkonsistent gelöst werden kann. In dieser Arbeit wird ein Finite-Elemente-Mehrgitter-Verfahren verwendet, um die entstehenden Gleichungen zu lösen und damit Energien, Dichten und Ionisationsenergien für Atome und zweiatomige Moleküle zu berechnen. Als Orbitalfunktional wird dabei der „exakte Austausch“ verwendet; das Programm ist aber leicht auf jedes beliebige Funktional erweiterbar. Für das Be-Atom ließ sich mit 8.Ordnung –FEM die Gesamtenergien etwa um 2 Größenordnungen genauer berechnen als der Finite-Differenzen-Code von Makmal et al. Für die Eigenwerte und die Eigenschaften der Atome N und Ne wurde die Genauigkeit anderer numerischer Methoden erreicht. Die Rechenzeit wuchs erwartungsgemäß linear mit der Punktzahl. Trotz recht langsamer scf-Konvergenz wurden für das Molekül LiH Genauigkeiten wie bei FD und bei HF um 2-3 Größenordnungen bessere als mit Basismethoden erzielt. Damit zeigt sich, dass auf diese Weise benchmark-Rechnungen durchgeführt werden können. Diese dürften wegen der schnellen Konvergenz über der Punktzahl und dem geringen Zeitaufwand auch auf schwerere Systeme ausweitbar sein.

Supersymmetry of Affine Toda Models as Fermionic Symmetry Flows of the Extended mKdV Hierarchy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Um modelo de turbulência baseado no conceito de vórtice

O fenômeno da turbulência está presente na maioria dos escoamentos observados na indústria e na natureza. Muitas são as considerações a respeito das dificuldades relacionadas à caracterização dos escoamentos turbulentos. Uma das muitas questões trata do procedimento de análise do problema através da descrição estatística dos campos por grandezas “médias”, o que leva ao problema de fechamento e à modelagem do tensor de Reynolds, normalmente com modelos baseados no conceito de viscosidade turbulenta. Os modelos de turbulência já existentes apresentam algumas deficiências na previsão do escoamento, além de outras limitações, o que justifica a busca por novas abordagens para o tratamento da turbulência. Neste trabalho, o problema de fechamento é tratado segundo a modelagem turbulenta baseada no conceito de viscosidade turbulenta. Um novo modelo de turbulência é proposto, que admite a existência de vórtices imersos no escoamento e aplica conceitos e definições relacionados à identificação de vórtices, com o uso do critério de identificação Q , que caracteriza a região do escoamento ocupada pelo vórtice. Propõe-se a investigação da aplicabilidade do critério Q em conjunto com o modelo k − ε , para o desenvolvimento de um novo modelo de turbulência chamado k − ε −Q . Validou-se a aplicabilidade do modelo através de um código numérico computacional para tratamento de escoamentos turbulentos. A solução numérica foi obtida através da discretização do domínio fluido, utilizando o método de volumes finitos e o método multigrid foi utilizado para resolver o sistema linear resultante. Como verificação, foi utilizado este modelo de turbulência para simular o escoamento em uma cavidade quadrada com tampa deslizante e o escoamento turbulento sobre um degrau. Os resultados obtidos foram confrontados com dados experimentais e demonstraram que o modelo aqui proposto se apresenta mais eficiente que o clássico modelo k − ε , no tratamento da turbulência nesses dois problemas clássicos.

The alpha method for solving differential algebraic inequality (DAI) systems

This paper describes an algorithm for ``direct numerical integration'' of the initial value Differential-Algebraic Inequalities (DAI) in a time stepping fashion using a sequential quadratic programming (SQP) method solver for detecting and satisfying active path constraints at each time step. The activation of a path constraint generally increases the condition number of the active discretized differential algebraic equation's (DAE) Jacobian and this difficulty is addressed by a regularization property of the alpha method. The algorithm is locally stable when index 1 and index 2 active path constraints and bounds are active. Subject to available regularization it is seen to be stable for active index 3 active path constraints in the numerical examples. For the high index active path constraints, the algorithm uses a user-selectable parameter to perturb the smaller singular values of the Jacobian with a view to reducing the condition number so that the simulation can proceed. The algorithm can be used as a relatively cheaper estimation tool for trajectory and control planning and in the context of model predictive control solutions. It can also be used to generate initial guess values of optimization variables used as input to inequality path constrained dynamic optimization problems. The method is illustrated with examples from space vehicle trajectory and robot path planning.

AN ALGEBRAIC METHOD TO ESTIMATE GENERAL TYPE OF PHASES OF STRUCTURE FACTORS

The algebraic formulas of 1.5 and 2.5 rank are given for four space groups P2(1), Pn, Pna2(1), P2(1)2(1)2(1). It is better that the results of applying them to estimating general type of phases for four correspondent crystal structures. And a method of transforming algebraic formulas from 1.5(2.5) rank is proposed.

THE ALGEBRAIC-METHOD ESTIMATING +/-PI/2 TYPE OF PHASES OF STRUCTURE FACTORS

The algebraic formulas of 1.5 and 2.5 rank which can be applied to estimating +/- pi/2 type of phases for P2(1)2(1)2(1) space group were derived using the method of structure factor algebra. Both types of the formulas are satisfactory for two known crystal structures in estimating their +/- pi/2 type of phases.