[pt] Para combater as alterações climáticas, os sistemas energéticos modernos estão a passar por uma transição baseada na descarbonização, envolvendo uma vasta implantação de fontes de energia renováveis e a electrificação das sociedades. Para que esta transição seja bem sucedida, vários desafios associados à produção de energia renovável precisam de ser abordados nas operações do sistema energético. Esses desafios decorrem da alta variabilidade de produção, juntamente com previsibilidade e controlabilidade limitadas, levando a necessidades de flexibilidade nas operações do sistema de energia. O fluxo de potência ideal (OPF) e o comprometimento da unidade (UC) estão entre as ferramentas computacionais mais importantes para os operadores do sistema determinarem o estado do sistema de potência. Este cálculo é realizado para otimizar diversas decisões na rede, para despachar os componentes da rede e para reconfigurá-los. Além disso, o cálculo é utilizado para precificar os serviços prestados por geradores de grande escala e, progressivamente, por entidades descentralizadas como famílias e pequenas empresas que, além de consumirem, também geram e armazenam energia, e assim, têm um papel no equilíbrio energético através de sua flexibilidade. Várias simplificações são feitas no OPF e no UC para lidar com a carga computacional dos modelos, que tende a ser elevada para sistemas realistas. A imprecisão do modelo devido à simplificação das equações de fluxo de potência ou ao ignorar a estocasticidade, está causando cada vez mais altos custos para as operações do sistema, à medida que a situação real se desvia da previsão, implicando ações dispendiosas por parte dos operadores do sistema em tempo real. Esta tese centra-se nos desafios das operações dos sistemas de energia modernos, tais como gestão coordenada de congestionamento e tensão, programação de energia e reservas, bem como cálculo de preços. Em primeiro lugar, a tese constrói métodos e algoritmos para melhorar a capacidade computacional e a precisão do modelo para problemas de UC e OPF com restrita de rede e corrente alternada (AC) através do desenvolvimento de uma aproximação melhorada das leis físicas que governam os fluxos de potência. Em segundo lugar, aplica estes métodos e algoritmos ao problema de coordenação entre múltiplos Operadores de Redes de Distribuição (DSO) e Operadores de Redes de Transmissão (TSO), introduzindo novas técnicas de optimização descentralizada para gerir problemas de congestionamento e tensão, bem como abordar aspectos de troca de informação de rede. Por fim, a tese propõe novos mecanismos de precificação, abordando endogenamente as decisões operacionais não convexas de energia e programação de reservas para o planejamento do dia seguinte, considerando a estocasticidade da geração de energia renovável. Os benefícios computacionais e de precisão são ilustrados em estudos de caso, empregando diversas métricas desenvolvidas. / [en] To counter climate change, modern power systems are undergoing a decarbonisation-based transition involving vast deployment of renewable energy sources and electrification of societies. For this transition to succeed, various challenges associated with renewable power production need to be addressed in power system operations. These challenges stem from high output variability along with limited predictability and controllability, leading to flexibility needs in power system operations. Optimal power flow (OPF) and unit commitment (UC) are amongst the most important computational tools for system operators to determine the state of the power system. This computation is performed to optimise various decisions on the grid, to dispatch the components in the network, and to reconfigure them. Additionally, the computation is used to price the services provided by large scale generators and, progressively, by decentralised entities such as households and small enterprises which, apart from consuming, also generate and store power, and thus, have a role in energy balancing through their flexibility. Various simplifications are made in OPF and UC to tackle the computational burden of the models, which tends to be high for realistic systems. Model inaccuracy due to simplification of power flow equations or ignoring stochasticity, is increasingly causing high costs for system operations, as the real situation deviates from the forecast implying costly actions by system operators in real-time. This thesis focuses on challenges in modern power system operations, such as coordinated congestion and voltage management, energy and reserve scheduling as well as price computation. Firstly, the thesis constructs methods and algorithms to enhance computational capability and model accuracy for Alternating Current (AC) Network-Constrained UC and OPF problems through devising an improved approximation of the physical laws governing power flows. Secondly, it applies these methods and algorithms to the coordination problem amongst multiple Distribution System Operators (DSO) and Transmission System Operators (TSO), introducing novel decentralised optimisation techniques for managing congestion and voltage problems as well as addressing network information exchange aspects. Finally, the thesis proposes new pricing mechanisms, endogenously tackling the non-convex operational decisions for energy and reserve scheduling for day-ahead planning, considering stochasticity of renewable energy generation. Computational and accuracy benefits are illustrated in case studies by employing various metrics developed.

Este trabalho propõe estudos de casos em sistemas de energia elétrica por meio do Fluxo de Potência Ótimo (FPO) e da Análise de Sensibilidade em diferentes cenários de operação. Para isso, foram obtidos dados teóricos, a partir de levantamento bibliográfico, que explicitaram os conceitos de otimização aplicados ao sistema estático de energia elétrica. A pesquisa fundamentou-se metodologicamente no método primal-dual barreira logarítmica e nas condições necessárias de primeira-ordem de Karush-Kuhn-Tucker (KKT) para o problema de FPO, e no teorema proposto por Fiacco (1976) para a Análise de Sensibilidade. Os sistemas de equações resultantes das condições de estacionaridade, da função Lagrangiana, foram resolvidos pelo método de Newton. Na implementação computacional foram usadas técnicas de esparsidade. Estudos de casos foram realizados nos sistemas 3, IEEE 14, 30, 118, 300 barras e no equivalente CESP 440 kV com 53 barras, em que foi verificada a eficiência das técnicas apresentadas. / This work proposes a study of cases in power systems by Optimal Power Flow (OPF) and Sensitivity Analysis in different operation scenarios. For this purpose, theoretical data were obtained, starting from a bibliographical review, which enlightened the optimization concepts applied to the static system of electrical energy. The research was methodologically based on the primal-dual logarithmic barrier method and in the first-order necessary Karush-Kuhn-Tucker conditions to the OPF problem and in the theorem proposed by Fiacco (1976) to the Sensitivity Analysis. The equation sets generated by the first-order necessary conditions of the Lagrangian function, were solved by Newton\'s method. In the computational implementation, sparsity techniques were used. Studies of cases were carried out in the 3, IEEE 14, 30, 118, 300 buses and in the equivalent CESP 440 kV 53 bus, where the efficiency of the presented techniques was verified.

Rede Ad hoc Veicular (VANET) é um subconjunto singular das redes ad hoc móveis (MANET), com o diferencial de que os nós são veículos providos de tecnologia própria de comunicação e que interagem para formar redes espontâneas, valendo-se de pouca ou nenhuma infraestrutura estabelecida previamente. VANETs admitem a integração de diferentes tecnologias sem fio na pretensão de mitigar adversidades, agregar segurança e eficiência ao tráfego. Na disseminação de dados, um salto único é suficiente para orientar os elementos ao alcance do sinal de rádio, e nós intermediários sustentam a comunicação aos demais, em encaminhamento multihop. Amparados em dispositivos embarcados, os veículos produzem registros, detectam sinais, trocam advertências e métricas. Avaliações dessas informações permitem ao condutor decisões ou reações antecipadas em situações adversas, a exemplo dos acidentes ou congestionamentos. Nesse contexto, a execução deste trabalho trata questões para elaborar estratégias adaptativas inteligentes de disseminação de dados, uma vez que as mesmas se consolidam como lastros da comunicação em VANET com condições adversas de operação. A abordagem proposta se utiliza de sistemas fuzzy para a detecção de congestionamento, com o propósito de agregar autonomia e adaptar a estratégia de disseminação às condições de tráfego identificadas. A convergência nos desenvolvimentos realizados se reflete na estratégia eFIRST, uma solução robusta para a detecção autônoma da condição atual de congestionamento que resguarda a disseminação adaptativa de alertas e abranda o problema da interrupção no tráfego. A abordagem se sustenta apenas na comunicação entre veículos e nos registros de identificação da vizinhança local, agregados em uma estratégia fuzzy e no ajuste adaptativo da potência do sinal de transmissão. Em conformidade com as tendências de condução e com os sistemas inteligentes, este desenvolvimento contribui com subsídios para ratificar a aproximação fuzzy como estratégia adaptativa às flutuações na densidade veicular, em diferentes cenários e regimes de tráfego. As avaliações comparativas do eFIRST respaldam concluir que a estratégia oportuniza o equilíbrio otimizado das perdas, colisões e cobertura, com superior alcance de propagação e redução dos congestionamentos. / Vehicular Ad hoc Network (VANET) is a unique subset of mobile ad hoc networks (MANET), with the difference that nodes are vehicles provided with their own communication technology and interact to form spontaneous networks, with little or no infrastructure previously established. VANETs support the integration of different wireless technologies in order to mitigate adversities, add security and efficiency to traffic. In the data dissemination, a single hop is sufficient to guide the elements within reach of the radio signal, and intermediary nodes support the communication with the others in multihop routing. Supported by embedded devices, vehicles produce records, detect signals, exchange warnings and metrics. Assessments of this information allow the driver to make decisions or react beforehand in adverse situations, such as accidents or traffic congestions. From the observations in this context, this work deals with questions to elaborate intelligent adaptive strategies in data dissemination, since they consolidate themselves as ballast communication in VANET with adverse operating conditions. The proposed approach uses fuzzy systems to detect traffic congestion, with the purpose of aggregating autonomy and adapting the dissemination strategy to the identified traffic conditions. The convergence in the developments performed is reflected in the eFIRST strategy, a robust solution for the autonomous detection of the current traffic congestion condition that protects the adaptive dissemination of alerts and reduces the problem of the interruption in the traffic. The approach is supported only by communication between vehicles and in local neighborhood identification records, aggregated in a fuzzy strategy and in the adaptive adjustment of transmission signal power. In accordance with the driving trends and with the intelligent systems, this development contributes with assistance for ratify the fuzzy approach as an adaptive strategy to fluctuations in vehicular density in different scenarios and traffic regimes. Comparative evaluations of eFIRST support the conclusion that the strategy favors the optimal balance of losses, collisions and coverage, with a greater range of propagation and reduction of congestion.

Este trabalho propõe estudos de casos em sistemas de energia elétrica por meio do Fluxo de Potência Ótimo (FPO) e da Análise de Sensibilidade em diferentes cenários de operação. Para isso, foram obtidos dados teóricos, a partir de levantamento bibliográfico, que explicitaram os conceitos de otimização aplicados ao sistema estático de energia elétrica. A pesquisa fundamentou-se metodologicamente no método primal-dual barreira logarítmica e nas condições necessárias de primeira-ordem de Karush-Kuhn-Tucker (KKT) para o problema de FPO, e no teorema proposto por Fiacco (1976) para a Análise de Sensibilidade. Os sistemas de equações resultantes das condições de estacionaridade, da função Lagrangiana, foram resolvidos pelo método de Newton. Na implementação computacional foram usadas técnicas de esparsidade. Estudos de casos foram realizados nos sistemas 3, IEEE 14, 30, 118, 300 barras e no equivalente CESP 440 kV com 53 barras, em que foi verificada a eficiência das técnicas apresentadas. / This work proposes a study of cases in power systems by Optimal Power Flow (OPF) and Sensitivity Analysis in different operation scenarios. For this purpose, theoretical data were obtained, starting from a bibliographical review, which enlightened the optimization concepts applied to the static system of electrical energy. The research was methodologically based on the primal-dual logarithmic barrier method and in the first-order necessary Karush-Kuhn-Tucker conditions to the OPF problem and in the theorem proposed by Fiacco (1976) to the Sensitivity Analysis. The equation sets generated by the first-order necessary conditions of the Lagrangian function, were solved by Newton\'s method. In the computational implementation, sparsity techniques were used. Studies of cases were carried out in the 3, IEEE 14, 30, 118, 300 buses and in the equivalent CESP 440 kV 53 bus, where the efficiency of the presented techniques was verified.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-04-13T13:50:42Z No. of bitstreams: 1 arquivo total.pdf: 2010347 bytes, checksum: 3a95a7a08d68f7438a013ab7bc0d2bc3 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-13T13:50:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivo total.pdf: 2010347 bytes, checksum: 3a95a7a08d68f7438a013ab7bc0d2bc3 (MD5) Previous issue date: 2015-12-04 / The thesis studies, in three chapters, on the provision of public goods in municipalities. The first chapter puts in competition two alternative specifications, one on the demand side and another on the supply side, to a set of 5285 municipalities data for 2010 in order to test the hypothesis that the relevance of the models that explain the behavior local government spending can depend on the size of the population of the jurisdictions. The econometric methodology uses a combination of Test J proposed by Davidson and MacKinnon (1981), with the threshold suggested by Hansen (2000), as a data screening method to test whether the response of local governments to their constituents is stable between small and large municipalities. Results show that the median voter model applies to smaller cities, with great population size ranging between 13604 and 13661 inhabitants, depending on the congestion function used. Nevertheless, it rejected in 2293 municipalities, for which the model-oriented supply fits better. In the second chapter, these alternative models of determination of public provision in order to measure the impact of the size of cities on the quality of public services applies - via analysis of advertising and rivalry of goods - in 5268 Brazilian municipalities based on the Theory of Clubs. For both models, the results point to the existence of spatial correlation between municipalities, suggesting that spending patterns in a given locality influence on the fiscal decisions of neighbors. Proves the hypothesis that the size of the clubs, and the cost of utilities differentiate the results of the provision of action, supporting the literature on the subject which argues that in smaller jurisdictions proximity of voters with its public officials exerts more pressure and control over their political acts, and that aggregate individual preferences have less heterogeneity and can represent the community as a whole. This result yields a larger congestion effect to the larger cities, which goes against the international literature. Finally, using a set of data that make up Brazilian localities Public Consortia Inter-municipal public services, the third chapter aims to establish empirical evidence for a phenomenon called by Oates (1988) as "zoo-effect." According to this effect, the lowest level of expenditure in smaller towns should not be explained by the smaller clusters, but simply by the fact that certain categories of spending - like a zoo - they need a minimum population size to be provided. Thus, the positive relationship between population size and local spending on public services does not take into account the fact that in the most populous cities, the basket of services offered is broader and more diverse, and for this reason, estimates of existing congestion tend to be overestimated. By spatial statistics confirmed the hypothesis of the zoo effect on municipalities, and that the more diversified the range of services expands the range of services in neighboring areas, which explains the interaction between the municipalities as a way to get better and higher level of public services to its citizens. Evidence shows that the intensity of the effect depends on the urban-rural gradient, with the biggest phenomenon in urban areas due to more substantial economies of scale in these locations. / A tese versa, em três capítulos, sobre a provisão de bens públicos nos municípios brasileiros. O primeiro capítulo coloca em competição duas especificações alternativas, uma do lado da demanda e outra do lado da oferta, para um conjunto de dados de 5285 municípios brasileiros para 2010, a fim de testar a hipótese de que a relevância dos modelos que explicam o comportamento das despesas públicas locais pode depender do tamanho da população das jurisdições. A metodologia econométrica usa a combinação do Teste J, proposto por Davidson e MacKinnon (1981), com o Threshold, sugerido por Hansen (2000), como um método de triagem de dados capaz de testar se a resposta dos governos locais aos seus eleitores é estável entre os municípios de pequeno e de grande porte. Os resultados permitem inferir que o modelo do eleitor mediano aplica-se às cidades menores, com tamanho ótimo populacional variando entre 13604 e 13661 habitantes, dependendo da função de congestionamento utilizada. Não obstante, é rejeitado em 2293 municípios, para os quais o modelo orientado para a oferta apresenta melhor ajuste. No segundo capítulo, aplica-se os referidos modelos alternativos de determinação da provisão pública a fim de mensurar o impacto do tamanho das cidades sobre a qualidade dos serviços públicos - via análise da publicidade e da rivalidade dos bens – em 5268 municípios brasileiros baseado na Teoria dos Clubes. Para os dois modelos, os resultados apontam a existência da correlação espacial entre os municípios, sugerindo que os padrões de gastos em determinada localidade influencia nas decisões fiscais de vizinhos. Comprova-se a hipótese de que o tamanho dos clubes e o custo dos serviços públicos diferenciam os resultados da ação de provisão, corroborando com a literatura sobre o tema a qual defende que em jurisdições menores a proximidade dos eleitores com seus agentes públicos exerce maior pressão e controle sobre seus atos políticos, e que preferências individuais agregadas apresentam menor heterogeneidade e podem representar a comunidade como um todo. Este resultado gera um efeito congestionamento maior para as maiores cidades, o que vai de encontro à literatura internacional. Por fim, usando um conjunto de dados de localidades brasileiras que formam Consórcios Públicos Intermunicipais de serviços públicos, o terceiro capítulo visa estabelecer evidências empíricas para um fenômeno denominado por Oates (1988) como “efeito-zoo”. De acordo com esse efeito, o nível mais baixo de despesas em cidades menores não deve ser explicado pela menor aglomeração, mas simplesmente pelo fato de que certas categorias de gastos - como um zoológico - precisam de um tamanho mínimo populacional para serem fornecidos. Destarte, a relação positiva entre o tamanho da população e o gasto local em serviços públicos não leva em conta o fato de que nos municípios mais populosos, a cesta de serviços ofertados é mais ampla e mais diversificada, e por essa razão as estimativas de congestionamento existentes tendem a ser superestimadas. Através da estatística espacial confirmou-se a hipótese do efeito zoo nos municípios brasileiros, e que a maior diversificação na gama de serviços expande a oferta de serviços em áreas vizinhas, justificando a interação entre os municípios como forma de se obter melhor e maior nível de serviços públicos para seus cidadãos. As evidências apontam que a intensidade do efeito depende do gradiente urbano-rural, sendo o fenômeno maior em áreas urbanizadas, devido às economias de escala mais substanciais nessas localidades.

Orientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-13T10:35:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santi_Julianade_M.pdf: 1658984 bytes, checksum: 8a9f078587406a06815484e4fe057f7d (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A utilização eficiente da banda passante em redes de alta velocidade e grandes atrasos, denominadas redes com produto banda-atraso elevado (PBA), tornou-se um grande desafio. Isto ocorre devido aos ajustes do protocolo Transmission Control Protocol (TCP). O High Speed TCP (HSTCP), uma variante do TCP para redes com PBA elevado, emprega ajustes mais agressivos permitindo, assim, que a utilização da banda seja escalável. As políticas de Gerenciamento Ativo de Filas ou Active Queue Management (AQM), monitoram o nível de ocupação das filas nos roteadores e notificam o congestionamento incipiente aos emissores TCP através do descarte/marcação de pacotes. O sistema de controle de congestionamento apresenta natureza de retroalimentação, na qual a taxa de transmissão dos nós fontes é ajustada em função do nível de ocupação da fila. Os controladores AQM determinam a probabilidade de descarte/marcação para maximizar a vazão e minimizar perdas, garantindo, assim, a estabilidade do tamanho da fila independentemente das variações das condições da rede. Neste trabalho, define-se a política de gerenciamento ativo de filas HSTCP-H2 para redes com PBA elevado que utilizam o protocolo HSTCP. Para a derivação de HSTCP­H2: são utilizadas técnicas de Teoria de Controle Ótimo. A principal característica desta política é considerar o atraso do sistema o que permite melhor utilização dos recursos disponíveis. A estabilidade e os objetivos de desempenho do sistema são expressos e solu­cionados através de Desigualdades Matriciais Lineares, permitindo que os parâmetros do controlador possam ser calculados através da solução de um problema convexo simples. Diferentes controladores foram derivados considerando-se diferentes objetivos de de­sempenho, os quais consideram as características de redes com produto banda-atraso elevado. Através de simulações, os desempenhos dos controladores derivados são avalia­dos e a eficácia do controlador que apresentou o melhor desempenho foi comparado com o desempenho da política de AQM RED. São considerados cenários com enlace gargalo único e com múltiplos gargalos. / Abstract: The efficient utilization of bandwidth in high speed and large delay networks, called high bandwidth-delay product networks (BDP), has become a major challenge. This is due to adjustments of the Transmission Control Protocol (TCP). The High Speed TCP HSTCP): a TCP variant to high BDP networks, employs more aggressive adjustments, allowing scalable bandwidth utilization. The Active Queue Management (AQM) policies monitor the queue length in the routers and notify incipient congestion to TCP source by marking or dropping packets. The congestion control system presents intrinsic feedback nature, where the transmission rates of the sources are adjusted according to the level of congestion inferred by the queue occupancy. The AQM controllers determine the dropping marking probability values to maximize throughput and minimize losses, giving guarantees to stabilize the queue length independent of network conditions. In this work, it is defined HSTCP-H2, an active queue management policy to high BDP networks, which adopt the HSTCP as their transport protocol. Optimal control theory is used to conceive HSTCP-H2. The novelty of the proposed approach lies in consider the delay of the system which allows better use of available resources. Furthermore, in the proposed approach, stability and performance objectives are completely expressed as Linear Matrix Inequalities (LMIs), thus requiring the solution of a single convex problem for the computation of the controller parameters. Different controllers are derived considering different design goals, which take into ac­count the characteristics of the high bandwidth-delay product networks. The performance produced by different optimal controllers was investigated. The efficacy of the control­ler with the best performance was then compared to the performance of RED policy. The simulation experiments were carried out using topologies with single and multiple bottleneck. / Mestrado / Redes de Computadores / Mestre em Ciência da Computação