[pt] A otimização topológica tem como objetivo encontrar a distribuição mais eficiente de material em um domínio especificado sem violar as restrições de projeto definidas pelo usuário. Quando aplicada a estruturas contínuas, a otimização topológica é geralmente realizada por meio de métodos de densidade, conhecidos na literatura técnica. Neste trabalho, daremos ênfase à aplicação de sua formulação discreta, na qual um determinado domínio é discretizado na forma de uma estrutura base, ou seja, uma distribuição espacial finita de nós conectados entre si por meio de barras de treliça. O método de estrutura base fornece uma aproximação para as estruturas de Michell, que são compostas por um número infinito de barras, por meio de um número reduzido de elementos de treliça. O problema de determinar a estrutura final com peso mínimo, para um único caso de carregamento, considerando um comportamento linear elástico do material e restrições de tensão, pode ser formulado como um problema de programação linear. O objetivo deste trabalho é fornecer uma implementação escalável para o problema de otimização de treliças com peso mínimo, considerando domínios com geometrias arbitrárias. O método remove os elementos que são desnecessários, partindo de uma treliça cujo grau de conectividade é definido pelo usuário, mantendo-se fixos os pontos nodais. Propomos uma implementação escalável do método de estrutura base, utilizando um algoritmo de pontos interiores eficiente e robusto, em um ambiente de computação paralela (envolvendo unidades de processamento gráfico ou GPUs). Os resultados apresentados, em estruturas bi e tridimensionais com milhões de barras, ilustram a viabilidade e a eficiência computacional da implementação proposta. / [en] Topology optimization aims to find the most efficient material distribution in a specified domain without violating user-defined design constraints. When applied to continuum structures, topology optimization is usually performed by means of the well-known density methods. In this work we focus on the application of its discrete formulation where a given domain is discretized into a ground structure, i.e., a finite spatial distribution of nodes connected using truss members. The ground structure method provides an approximation to optimal Michell-type structures, composed of an infinite number of members, by using a reduced number of truss members. The optimal least weight truss for a single load case, under linear elastic conditions, subjected to stress constraints can be posed as a linear programming problem. The aim of this work is to provide a scalable implementation for the optimization of least weight trusses embedded in any domain geometry. The method removes unnecessary members from a truss that has a user-defined degree of connectivity while keeping the nodal locations fixed. We discuss in detail the scalable implementation of the ground structure method using an efficient and robust interior point algorithm within a parallel computing environment (involving Graphics Processing Units or GPUs). The capabilities of the proposed implementation is illustrated by means of large scale applications on practical problems with millions of members in both 2D and 3D structures.

[pt] O objetivo desta monografia é investigar a aplicação de distintas metodologias de alocação de energia firme de usinas hidrelétricas através da teoria dos jogos de coalizão. Mostra-se que não existe uma maneira ótima, única, de se fazer esta repartição, mas existem critérios para verificar se uma metodologia de repartição específica apresenta algum aspecto inadequado. Um desses critérios é a justiça. Mostra-se que este critério equivale a pertencer ao chamado núcleo de um jogo cooperativo. O cálculo da energia firme será formulado como um problema de otimização linear e serão investigadas vantagens e desvantagens de distintos métodos de alocação (a benefícios marginais, geração média no período crítico, última adição e nucleolus). Em seguida será desenvolvida uma aplicação do esquema Aumann-Shapley (AS) à repartição da energia firme de usinas hidrelétricas. Demonstra-se que além de robusto em relação aos tamanhos dos recursos e eficiente computacionalmente, este método fornece para o problema do firme uma alocação pertencente ao núcleo e, portanto, atende à condição de justiça. A aplicação do esquema AS será apresentada para o Sistema Brasileiro e serão comparados os resultados obtidos por este método com outros esquemas de alocação adotados no Sistema Hidrelétrico Brasileiro. / [en] The objective of this work is to investigate the application of different methodologies of allocation of firm energy rights among hydro plants using a gametheoretic framework. It is shown that there is not an optimal and unique approach to make this allocation but there are criteria to verify if a given approach presents any inadequate aspect. One of these criteria is the justice, or fairness. It is shown that this criterion is equivalent to the condition of the core of a cooperative game. The calculation of the firm energy will be formulated as a linear program and advantages/disadvantages of different allocation methods (marginal allocation, average production on the dry period, incremental allocation and nucleolus) will be investigated. Next, an application of the Aumann-Shapley (AS) scheme to the problem of allocation of firm energy rights will be developed. It is shown that, besides being robust and computationally efficient, this scheme provides an allocation that belongs to the core of the game and therefore meets the condition of justice. The AS scheme will be applied to the Brazilian system (composed of about 100 hydro plants) and the results obtained will be compared with the allocation schemes currently adopted in the Brazilian system.

[pt] Nos últimos anos, o custo com energia elétrica tem aumentado de forma significativa para os consumidores no Brasil. Grandes consumidores, como indústrias e comércios, atualmente dispõem de alternativas para mitigar estes custos, como a otimização do contrato de demanda, a correção do baixo fator de potência, a utilização de geração própria, renovável ou não renovável, além da possibilidade de migrar para o mercado livre de energia elétrica, com diversas modalidades de contratos, preços e prazos. Já os consumidores residenciais, em função dos custos menores com as faturas de energia e da limitação técnica dos medidores, até agora dispunham de poucos mecanismos para atenuar seus custos. Entretanto, nos últimos anos tem sido cada vez mais comum a utilização de geração distribuída, principalmente com o uso de painéis fotovoltaicos por parte destes consumidores. Além disto, com a redução dos custos dos medidores inteligentes de energia elétrica, estes consumidores também podem monitorar seu consumo em tempo real, promovendo ações de aumento de eficiência energética para reduzir custos. Mais recentemente, foram criadas as bandeiras tarifárias, que propõem identificar as condições sistêmicas por cores verde, amarela e vermelha. As cores amarela e vermelha sinalizam aumentos de custos na produção de energia elétrica e, consequentemente, são repassados para o consumidor na forma de aumento de tarifa, promovendo resposta da demanda. Assim, há uma razão adicional para os consumidores monitorarem seu consumo. Não obstante, em 2018 foi adotada uma nova modalidade tarifária voltada para esta classe de consumidor chamada tarifa branca. Nesta modalidade, o consumidor possui diferentes valores de tarifas para diferentes períodos do dia. Assim, o consumidor que optar por esta modalidade pode reduzir o custo da sua fatura deslocando o consumo de horários de maior valor de tarifa para horários de menor valor de tarifa. Esta dissertação busca analisar em detalhes a viabilidade de um consumidor residencial migrar seu contrato para a chamada tarifa branca. Para isto, é proposto um modelo de otimização linear inteiro misto que busca desagregar o consumo de energia elétrica, medido de forma não invasiva, do consumidor para os diferentes eletrodomésticos da casa. Logo, o consumidor poderá decidir pela mudança contratual avaliando a perda de conforto que terá em mudar seus hábitos de consumo. A aplicação do modelo proposto é interessante não só por apresentar um diagnóstico mais detalhado do consumo de energia elétrica, mas também por identificar o funcionamento de eletrodomésticos como geladeira, ar condicionado e frigobar, que possuem diferentes estados de operação que dificilmente seriam capturados por uma simples inspeção destes eletrodomésticos. Para ilustrar o modelo proposto, nesta dissertação, dados de um consumidor real foram utilizados e a acurácia do modelo pôde ser comprovada com medições diretas de alguns eletrodomésticos. Desta forma, o consumidor tem a sua disposição uma ferramenta de apoio à decisão importante para monitorar o funcionamento dos eletrodomésticos e definir se deve migrar para a nova modalidade tarifária. / [en] In the last years, energy consumption has increased significantly for consumers in Brazil. Large consumers, such as industrial and commercial customers, are currently subject to cost-mitigation alternatives such as demand contract optimization, power factor reduction, self-generation, renewable or non-renewable generation, and the possibility of migrating to the free market of electric energy, with various modes of purchase, prices and deadlines. The consumer, in which the means of the upper costs with the fat means of the data of the meters, is in function of minor engines to reduce their costs. However, on a constant basis, with the use of photovoltaic panels, by these consumers. In addition, with the help of the costs of smart electric power meters, these profits are potentially higher, in real time, the ability to generate weaker sound profits for the cost image. More recently, they were created as tariff plates, which identify the systemic conditions by the green, yellow and red nuclei. The yellow and red samples are generated from the temperature of electric energy production and, consequently, are passed on to the consumer in the form of temperature increase. Thus, there is a large difference in consumption levels of your consumption. Nevertheless, in 2015 a new tariff modality was implemented for this class of energy consumption called the white tariff. In this mode, the buyer has different rate values for different periods of the day. Thus, consumers who have this option can reduce the cost of their invoice in relation to the consumption of schedules of higher tariff value for the hours of lower tariff value. This dissertation looks at the analysis on a feasibility of a residential ad migrating its contract to a so-called white tariff. To this end, it is necessary a linear model that makes the difference in consumption of electric energy, measured non-invasively, from consumer to the different units of household appliances of the house. Therefore, the consumer is also evaluated by contracting a service that improves their consumption capacity. The application of the model is more interesting, but no longer presents the power of electric power, but also has the same standard of electricity as the refrigerator, air conditioning and minibar, which have different states of operation that are hardly captured by a simple inspection of each appliance. To illustrate the proposed model, this dissertation, data from a real consumer were used and an accuracy of the model can be proven with the direct measurements of some home appliances. The way in which the consumer has a migration support tool for the operation of the equipment and defines whether to migrate to a new tariff modality.

[pt] Este trabalho apresenta um método de Monitoramento Não Intrusivo de Carga de Aparelhos elétricos (do inglês Non-Intrusive Appliance Load Monitoring – NIALM) supervisionado, usando técnicas de análise de estados estacionários, para desagregação do consumo elétrico residencial a partir de uma única medição, sem a necessidade de instalação de medidores individuais nos dispositivos. A metodologia proposta divide o problema em duas etapas. Inicialmente, há um pré-processamento para identificação e desagregação dos aparelhos que apresentam comportamento periódico, modelados a partir da estimação dos parâmetros da série de Fourier. Na etapa seguinte, os resultados obtidos são combinados a um modelo de otimização linear-inteiro misto para desagregação dos equipamentos não-periódicos, buscando minimizar a diferença entre a curva de carga total lida e a soma das curvas de carga desagregadas por dispositivo. Uma aplicação didática é realizada para validação do método proposto com dados reais e, por fim, é apresentada uma análise de viabilidade econômica da migração para a tarifa branca aplicada no Brasil. Os resultados mostram que, ao utilizar dessa metodologia, é possível que o usuário avalie se há ou não vantagem em deslocar parte do seu consumo de energia para fora do horário de ponta para obter benefício na sua fatura de energia elétrica. / [en] This work presents a supervised Non-Intrusive Appliance Load Monitoring (NILM) method, or energy disaggregation, for residential consumption, which aims to decompose the aggregate energy consumption data collected from a single measurement point into device-level consumption estimation using steady state analysis techniques with no need to install individual meters on appliances. The proposed methodology considers two steps to face the problem. Firstly, periodical appliances are modeled from the estimation of Fourier series parameters and extracted from the total power measured. Secondly, the results obtained are combined with a Mixed Integer Linear Programming proposed to disaggregate the remaining appliances, which minimize the difference between the total aggregated load and the sum of the estimated load curves per appliance. A study case is performed with a real case to validate the proposed method and indicates that the model can be useful for practical applications, such as helping evaluate the possibility of the consumers changing the modality of their tariff contract from the conventional tariff to the new Brazilian modality called white tariff.