Trabalho de investigação desenvolvido na Universidade Regional de Blumenau / Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Energy conservation is a main concern in Wireless Sensor Networks (WSN). To reduce energy consumption it is important to know how it is spent and how much is available during the node and network operation. Several previous works have proposed energy consumption models focused on the communication module, while neglecting the processing and sensing activities. Other works presented more complex and complete models, but lacked experiments to demonstrate their accuracy in real deployments. The main objective of this work is to design and to evaluate an accurate energy consumption model for WSN, which considers the sensing, processing, and communication modules usage. This model was used to implement two energy consumption prediction mechanism. One mechanism is based in Markov chains and the other one is based in time series analysis. The metrics to evaluate the model and prediction mechanisms performance were: energy consumption estimation accuracy, energy consumption prediction accuracy, and node\'s communication and processing resources usage. The energy consumption prediction mechanisms performance was compared using two implementation schemes: running the prediction algorithm in the sensor node and running the prediction algorithm in a Software-Defined Networking controller. The implementation was conducted using IT-SDN, a Software-Defined Wireless Sensor Network framework. For the evaluation, simulation and emulation used COOJA, while testbed experiments used TelosB devices. Results showed that considering the sensing, processing, and communication energy consumption into the model, it is possible to obtain an accurate energy consumption estimation for Wireless Sensor Networks. Also, the use of a Software-Defined Networking controller for processing complex prediction algorithms can improve the prediction accuracy. / A conservação da energia é uma das principais preocupações nas Redes de Sensores Sem Fio (WSN, do inglês Wireless Sensor Networks). Para reduzir o consumo de energia, é importante saber como a energia é gasta e quanta energia há disponível durante o funcionamento da rede. Diversos trabalhos anteriores propuseram modelos de consumo de energia focados no módulo de comunicação, ignorando o consumo por tarefas de processamento e sensoriamento. Outros trabalhos apresentam modelos mais completos e complexos, mas carecem de experimentos que demonstrem a exatidão em dispositivos reais. O objetivo principal deste trabalho é projetar e avaliar um modelo de consumo de energia para WSN que considere o consumo por sensoriamento, processamento e comunicação. Este modelo foi utilizado para implementar dois mecanismos de previsão de consumo de energia, um deles baseado em cadeias de Markov e o outro baseado em séries temporais. As métricas para avaliar o desempenho do modelo e dos mecanismos de previsão de consumo de energia foram: exatidão da estimativa de consumo de energia, exatidão da previsão de consumo de energia e uso dos recursos de comunicação e processamento do nó. O desempenho dos mecanismos de previsão de consumo de energia foram comparados utilizando dois esquemas de implementação: rodando o algoritmo de previsão no nó sensor e rodando o algoritmo de previsão em um controlador de rede definida por software. A implementação foi conduzida utilizando IT-SDN, um arcabouço de desenvolvimento de redes de sensores sem fio definidas por software. A avaliação foi feita com simulações e emulações utilizando o simulador COOJA e ensaios com dispositivos reais utilizando o TelosB. Os resultados mostraram que considerando o consumo de energia por sensoriamento, processamento e communicação, é possivel fazer uma estimativa de consumo de energia em redes de sensores sem fio com uma boa exatidão. Ainda, o uso de um controlador de rede definida por software para processamento de algoritmos de previsão complexos pode aumentar a exatidão da previsão.

Hipóteses teóricas estilizadas apontam para a existência de uma relação em U invertido entre renda e qualidade ambiental, crescente em um primeiro estágio do crescimento econômico e decrescente em um segundo estágio. Relação também conhecida como curva ambiental de Kuznets, do inglês Environmental Kuznets Curve, ou EKC. Diferente de uma infinidade de outras variáveis como o desmatamento e a qualidade da água. Hipóteses empíricas, no entanto, apontam a inexistência para o caso das emissões de poluentes provenientes do consumo de energia (especialmente emissão de carbono). Críticas tanto do ponto de vista teórica quanto da modelagem empírica econométrica apontam para uma série de pontos de falibilidade dos modelos típicos da EKC para tal erro. Essencialmente por serem modelos baseados em hipóteses estilizadas não modeladas que dependem de uma comprovação empírica baseada em modelos pouco robustos. O objetivo do presente é sugerir uma modelagem teórica mais consistente para a relação consumo de energia, qualidade ambiental e crescimento econômico. Para tal objetivo, foi feita uma extensão dos modelos de crescimento de Ramsey-Cass-Koopmans, incorporando as variáveis expressas. / Stylized theoretical hypothesis indicates the existence of an inverted-U shaped relationship between income and environmental quality, up growing in the first step of economic growth and down sloping in a second step. Relationship as well as know as Environmental Kuznets Curve, or simply EKC. However, differently from some other variables such as deforest and water quality, empirical evidences, indicates that for emissions from energy use (specially, carbon emissions) this relationship does not seems to apply. Critics from both views (theoretical and empirical) points up several motivations for EKC fallibility. Essentially because they are models based upon stylized hypothesis (non-proved) and depend upon weak constructed empirical econometrical models. The objective of the present study is suggesting a robust theoretical model for the relationship between economic growth, energy consumption and environmental quality. For the referred objective it has been done a extension of the Ramsey- Cass-Koopmans growth models incorporating the energy and environmental quality.

Esta pesquisa objetivou a avaliação de custos de energia elétrica no bombeamento de poços, em área de intensa explotação das águas subterrâneas do Sistema Aquífero Bauru (SAB), em São José do Rio Preto - SP (SJRP) e foi conduzida em sinergia com uma abordagem multifocal de avaliação como ferramenta à gestão do uso das águas subterrâneas em áreas urbanas. A área de estudo, com 728 km2 , abrange quase totalmente o município, onde o modelo de uso das águas subterrâneas provocou rebaixamentos dos níveis potenciométricos do SAB na zona urbana, evidenciados em modelos numéricos de fluxo subterrâneo. O desenvolvimento desta pesquisa contemplou a seleção, análise e interpretação de dados do cadastro de poços do Departamento de Águas e Energia Elétrica e a geração de mapas de profundidade dos níveis de água, visando à caracterização do uso das águas subterrâneas em SJRP e aos cálculos do consumo de energia elétrica na explotação. As águas subterrâneas do SAB são responsáveis por 64% de todo o suprimento hídrico de SJRP, explotadas por 180 poços de abastecimento público e quase 1.800 poços particulares para usos diversos, segundo a base de dados de 2008. Os poços particulares, na grande maioria não outorgados, respondem por 60% de toda a captação do SAB, evidenciando forte dependência do suprimento às alternativas individuais de infraestrutura hídrica. A comparação entre diferentes cenários de explotação simulados por modelação numérica de fluxo subterrâneo constatou a ocorrência de incrementos no consumo e no custo de energia elétrica na explotação, caracterizando a externalidade decorrente do modelo de uso das águas subterrâneas do SAB em SJRP a todos os usuários; e também o aumento da despesa com energia na captação dos poços públicos provocado por influência da captação dos poços particulares, caracterizando a externalidade gerada pelo uso privado à coletividade. Avaliou-se também que os sistemas de bombeamento instalados nos poços possuem baixo rendimento, demandando maior consumo de energia na explotação de água. Esta pesquisa concluiu que ocorre a superexplotação do SAB na zona urbana de SJRP, porém, com a possibilidade de ser mitigada com o adequado manejo das disponibilidades hídricas subterrâneas adjacentes ao perímetro urbano. / This research aimed to evaluate the cost of electrical energy involving the pumping of wells in areas of intensive groundwater use in Bauru Aquifer System (BAS), in São José do Rio Preto - SP (SJRP) and it was conducted as a focusing contribute on management tool for the groundwater use in urban areas. The study area, 728 km2 , means almost the whole municipal total area, in which the pumping of groundwater has caused aquifer drawdown effects on BAS in the urban area, as it is evidenced by groundwater flow mathematical models. The development of this resource assembles the selection, analysis and data interpretation of the well registered with the Water Management State Agency besides designing of water table depth maps, in order to provide the characterization of the groundwater use in SJRP and the calculation of electrical energy consumption along the exploitation. BAS supplies 64% of groundwater to the whole water supply of SJRP, exploited by 180 municipal wells and almost 1.800 private wells dedicated for several uses, accordingly to the data from 2008. Water supply system is strongly dependable of the private wells that most of them are not licensed. The private wells are responsible for 60% of the total BAS explotation. The comparison between the different exploitation scenery simulated by groundwater flow mathematical models shows the occurrence of electrical energy consumption and cost increments along the exploitation, meaning an externality to all users due BAS groundwater development in SJRP; and also the increment of electrical energy spends for municipal wells caused by the influence of the exploitation of the private wells, meaning an externality caused by the private use to collectivity. It was also analyzed the pumping system installed in the well that has low performance, requiring a greater energy consumption during the water exploitation. This research concluded that occurs an overexploitation of BAS in the urban area of SJRP, however, there are possibilities to mitigate considering the appropriated management of the safe yield in the surroundings of the urban perimeter.

Este trabalho tem como objetivo analisar a composição setorial do consumo de energia elétrica incorporado às exportações brasileiras em cada área de concessão de distribuição. Para tanto, foi elaborada uma matriz de insumo-produto inter-regional e coeficientes setoriais de consumo de energia elétrica por área de concessão. Foi constatado que o consumo de energia elétrica incorporado às exportações é maior nos setores industriais e que a produção destinada à exportação é mais eletrointensiva que a produção destinada ao consumo interno em 37 das 58 áreas de concessão analisadas. / The objective of this dissertation is to analyze the sectorial composition of the electric energy consumption used in the production of exported goods and services in each electricity distribution concession area in Brazil. To accomplish this goal, an input-output matrix was elaborated, along with sectorial coefficients of electric energy intensity. The results indicate that the sector which consumes the most energy in their exports is the industrial sector. There was also an indication that Brazilian exports consume more electric energy throughout their productive structure than the production absorbed internally in 37 of the 58 electricity distribution concession areas.

O trabalho trata do projeto e do desenvolvimento de um processador de baixo consumo de potência, de forma simplificada, explorando técnicas de microarquitetura, para atingir menor consumo de potência. É apresentada uma sequência lógica de desenvolvimento, a partir de conceitos e estruturas básicas, até chegar a estruturas mais complexas e, por fim, mostrar a microarquitetura completa do processador. Esse novo modelo de processador é comparado com estudos prévios de três processadores, sendo o primeiro modelo síncrono, o segundo assíncrono e o terceiro uma versão melhorada do primeiro modelo, que inclui minimizações de registradores e circuitos. Uma nova metodologia de criação de padring de microcontroladores, baseada em reuso de informações de projetos anteriores, é apresentada. Essa nova metodologia foi criada para a rápida prototipagem e para diminuir possíveis erros na geração do código do padring. Comparações de resultados de consumo de potência e área são apresentadas para o processador desenvolvido e resultados obtidos com a nova metodologia de geração de padring também são apresentados. Para o processador, um modelo, no qual se utilizam múltiplos barramentos para minimizar o número de ciclos de máquina por instrução, é apresentado. Também foram ressaltadas estruturas que podem ser otimizadas e circuitos que podem ser reaproveitados para diminuir a quantidade de circuito necessário na implementação. Por fim, a nova implementação é comparada com os três modelos anteriores; os ganhos obtidos de desempenho com a implementação dessas estruturas foram de 18% que, convertidos em consumo de potência, representam economia de 13% em relação ao melhor caso dos processadores comparados. A tecnologia utilizada no desenvolvimento dos processadores foi CMOS 250nm da TSMC. / This work is a development and implementation of a low power processor in a simplified way, exploring microarchitecture techniques to achieve low power consumption. A logic sequence of design flow is presented, starting from basic concepts and circuit structures incrementing these concepts and structures to achieve a complex microarchitecture of a processor. A new methodology for microcontroller padring creations based in reuse of previous project information is presented. This new methodology was developed for fast prototyping and decreases the possible error in generation of microcontroler padring code creation. This new microarchitecture is compared with three previous processors, one is an original synchronous version, the second is an asynchronous version, and the third is based on the first model with register and circuit minimizations. Results of area and power consumption are compared with this new proposed architecture. The new model uses multiple buses with access timing tuned for different internal blocks. This timing tuning decrease the number of machine cycle necessary per instruction. In addition, it presents some macro block circuit partition and circuit reuse to minimize the circuit necessary for implementation. The gain obtained in performance with these new structures was 18%, converting to power consumption, it represent a decrease in 13% in relation with the best of three processor compared. The technology used in the development of these processors was CMOS 250nm from TSMC.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:41:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7339_1.pdf: 3872588 bytes, checksum: 20053ab96bd21eac5b7f3719181b7615 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Esta tese tem por objetivo obter um modelo para a demanda de energia elétrica de consumidores residenciais da cidade do Recife, visando avaliar o impacto de políticas de eficientização a serem adotadas no consumo de energia elétrica do setor residencial da cidade do Recife, utilizando as técnicas de Análise Condicionada da Demanda (CDA) e a estrutura de preferência desses consumidores. Essa modelagem foi obtida a partir da base de dados de uma pesquisa de campo patrocinada pelo CNPq, pesquisa realizada entre maio e julho de 2003, numa amostra de 600 consumidores residenciais da cidade do Recife. Dentre os resultados obtidos, destaca-se que o consumo residencial da cidade do Recife pode ser explicado essencialmente pelo consumo de iluminação, refrigeradores, ventiladores, televisores, ares condicionados e chuveiros elétricos, existindo amplas possibilidades de se adotarem políticas públicas no sentido de reduzir investimentos em oferta de energia. O conhecimento da preferência dos consumidores e o modelo obtido tornam possível a escolha de alternativas para se atingirem metas de racionamento de energia que minimizem os inconvenientes que medidas dessa natureza causam à população de uma cidade como o Recife

Este trabalho tem como objetivo analisar a atratividade da contratação de energia proveniente de fontes incentivadas PCHs, Biomassa, Eólica e Solar - no mercado livre, para empresas do setor comercial com conjunto de unidades consumidoras que atendam às exigências da Resolução ANEEL nº 247/2006. Esta resolução representa um marco importante para a comercialização de energia incentivada, permitindo que unidades consumidoras que possuem o mesmo CNPJ ou estão localizadas em áreas contíguas contratem essa energia, desde que o somatório das demandas do agrupamento de unidades totalize, no mínimo, 500 kW. É apresentado ao longo deste trabalho o processo de gestão de contratos de energia no ambiente livre, focando nas alterações resultantes da nova regulamentação para consumidores especiais. A atratividade da contratação de energia incentivada é analisada através de uma simulação de custos nos ambientes livre e cativo, para 20 unidades consumidoras. É realizado um comparativo do perfil de consumo destas unidades para identificar diferenças entre as que apresentam viabilidade econômica para contratação de energia incentivada e as demais, também foram considerados na simulação diferentes cenários de preços e o impacto do investimento no Sistema de Medição e Faturamento. / This work aims at analyzing the attractiveness of renewable energy sources contracting SHPs, Biomass, Aeolic and Solar in the free market for commercial enterprises whose consumption units are in accordance with ANEELs Resolution n° 247/2006. This resolution represents an important landmark in the commercialization of renewable energy for it allows the consumer units with the same CNPJ or located in adjacent areas to contract this kind of energy, only if the sum of the units demands amount to at least 500 kW. The process of energy contracts management in free contracting ambience is presented in this research, which also focuses on the modifications that result from the new regulation for special consumers. The attractiveness of renewable energy contracting is analyzed through a simulation of costs in free contracting ambiences and in ambiences arranged to 20 consumer units. Comparison with these units consuming profile was made in order to identify differences between the units that have economic feasibility for renewable energy contracting and the other ones. In the simulation, different price scenarios and the investments impact on the Measurement System for Billing were also taken into account.

O aumento da demanda por energia registrado nos últimos anos preocupa, pois a construção de novas fontes geradoras é barrada, muitas vezes, por restrições ambientais. Assim, o governo e as empresas de energias estão investindo em um melhor planejamento do sistema. No entanto, para haver uma proposta mais consistente para os consumidores residenciais se faz necessário conhecer melhor o perfil de cada consumidor, que é uma tarefa um tanto quanto difícil, visto que cada consumidor possui o livre arbítrio para consumir a energia de acordo com o conforto que ele deseja, de acordo com seus padrões econômicos e conforme aspectos culturais e sociais do ambiente em que ele vive. Neste contexto, a proposta desta tese foi analisar os impactos que os aspectos socioeconômicos tinham sobre o consumo de energia da classe residencial, sendo desenvolvido um algoritmo que gera curvas de carga virtuais baseadas em dados estatísticos do IBGE e da ANEEL. A partir dados de curvas virtuais, as ferramentas computacionais inteligentes, mais especificamente, as Redes Bayesianas e a Floresta de Caminhos Ótimos, foram treinadas com intuito de avaliar a possibilidade de criação de perfis e classificação dos consumidores e de suas características. Os resultados alcançados demonstram que a consideração dos aspectos socioeconômicos em avaliação de curvas de carga são pertinentes e que devem fazer parte do planejamento do sistema. Outra constatação é que as ferramentas computacionais inteligentes estudadas podem ser exploradas para auxiliar na previsão de consumo e criação de padrões e perfis dos consumidores. / The need for energy has increased in the past years, thus requiring the design of new power plants. However, the project of such new constructions has been considerably neglected, mainly due to environment constraints. However, the whole government and companies are now focusing on a better management of the national energy grid. Despite that new policy, there is a need for a better knowledge concerning the user\'s behavior in order to present proposals that really take into account the consumers, since each them has the freedom to use the energy the way he wants to, as well as according to his socioeconomic habits. In this context, this thesis proposes to analyze the socioeconomic impacts of the energy consumption concerning residential consumers, being also developed an algorithm that generates virtual load curves based on statistical data from both IBGE and ANEEL. With that data on hand, the intelligent tools, e.g., Bayesian Networks and Optimum-Path Forest, were trained aiming at evaluating the possibility to create profiles for the further identification of their classes according to that information. The results obtained highlighted the importance of the socioeconomic information when evaluating the load curves, which should be part of the whole system. Another conclusion concerns the intelligent tools, which can be further used for consumer forecasting, as well as to create patterns related to the consumers\' profiles.

Este trabalho utiliza indicadores de energia para caracterizar unidades consumidoras da Universidade de São Paulo pelo comportamento no uso da eletricidade e estabelecer prioridades de atuação para gestão dos recursos e ações de eficiência energética. Os indicadores foram aplicados na base de dados de consumo de energia extraídos da ferramenta de gestão da USP, o SISGEN, juntamente com as informações físicas, de ocupação, principais usos finais e custos de utilização da energia, em 48 unidades da Cidade Universitária Armando de Sales Oliveira. Os resultados foram utilizados para elaborar listas de prioridades de atuação para cada um dos indicadores e, a partir da análise desses resultados foi possível identificar tendências e semelhanças de comportamento no uso da energia elétrica no campus. Visando auxiliar na análise dos resultados, utilizou-se de uma classificação prévia por especialidades de ensino ou atividades desenvolvidas e, dois períodos distintos, cujo comportamento tende a sofrer alterações, ou seja, letivo e férias escolares. De posse de todas as informações e resultados elaborou-se uma classificação final no intuito de auxiliar os gestores na priorização das ações de gestão dos recursos e eficiência energética. / The work here presented uses indicators to classify energy consumption units at Universidade de São Paulo by consumption behavior and also to prioritize actions on resources management and establish energy efficiency actions. Such indicators have been applied to the energy consumption data base from the USP management tool, called SISGEN, together with current information on: occupation; main final uses and energy use costs gathered from 48 consumption units at Cidade Universitária Armando de Sales Oliveira. The results have been used to elaborate action priority lists to each one of the mentioned indicators. Besides, based on the analysis of these results, it has been possible to identify tendencies and similarities on the electric energy use at the campus. In order to support the results analysis, units have been previously classified in education specialties or activity developed, and also in two different periods of the year, when their behavior tend to vary: school vacation and teaching period. With all results and necessary information in hands a final classification has been established which goal was to support managers on prioritizing manage resources and establish energy efficiency actions.