Neste trabalho é apresentada uma abordagem de controle de demanda para consumidores residenciais de baixa tensão, visando melhoria da eficiência energética em Smart Grids. Inicialmente, um emulador de cargas elétricas residenciais é modelado com base na literatura. O emulador é composto pelo modelo de um reservatório de aquecimento de água (boiler), o modelo de um aparelho de ar condicionado e também modelos de consumo de iluminação, televisores e uma geladeira. Utilizando o software Matlab foi realizada a implementação e simulação do emulador. Os principais algoritmos de controle de demanda são investigados, a fim de verificar o seu desempenho quando aplicados ao conjunto de cargas residenciais. Esses algoritmos normalmente realizam o controle de demanda a partir de um sistema de prioridades. Ainda, a partir dessa analise demostra-se que estes algoritmos consideram níveis de conforto do usuário, porém não permitem o acionamento de duas ou mais cargas em um mesmo período caso a demanda da residência ultrapasse um limite predeterminado. Portanto, propõem-se um algoritmo de controle de demanda adaptativo que utiliza o método de busca Rosenbrock, com o objetivo de sobrepujar tais limitações. O procedimento proposto realiza a operação das cargas residenciais de forma gradual considerando níveis de prioridade e parâmetros de conforto dos usuários. Demonstra-se através de simulações e experimentos que através do método proposto é possível realizar a ativação de diversas cargas concorrentemente, desde que respeitados os níveis de conforto e de demanda. Para obtenção dos resultados experimentais o controlador de demanda foi implementado em um sistema embarcado e testado com o emulador de cargas elétricas residenciais implementado em uma arquitetura HIL (Hardware-in-the-loop). Analisando os resultados, observou-se que o consumo de energia foi o mesmo para todos os cenários simulados sendo que a demanda se manteve abaixo dos limites parametrizados. Porém com o limitador de demanda ativo, se obteve uma redução de até 52% no tempo de aquecimento da água utilizando o controlador de demanda adaptativo, dessa forma o desconforto dos usuários pode ser minimizado. / This work presents an approach to control demand for residential low voltage consumers, aiming to improve energy efficiency in Smart Grids. Initially, an emulator of residential electric loads is modeled based on the literature. The emulator consists of a reservoir for water heating model, the model of an air conditioner and also models of consumption for lighting, televisions and a refrigerator. The implementation and simulation were performed using software Matlab. The demand control algorithms are investigated in order to verify its performance when applied to the set of residential loads. These algorithms typically perform control demand from a system of priorities. Still, from this analysis it demonstrates that these algorithms consider levels of user comfort, but do not allow the drive of two or more loads in the same period of residence if the demand exceeds the limit. Therefore, we propose a control algorithm that uses Rosenbrock search of demand adaptive method, aiming to overcome these limitations. The proposed procedure performs the operation of residential loads gradually considering priority levels and parameters of comfort of users. It is shown through simulations and experiments using the proposed method can perform the activation of several concurrently loads, provided they comply with the limits of comfort and demand. To obtain the experimental results demand the controller was implemented in an embedded system and tested with the emulator residential electrical loads implemented in a HIL (Hardware-in-theloop) architecture. Analyzing the results, it was observed that the power consumption is the same for all scenarios simulated and demand remained below parametric limits. But with the demand limiter active, we obtained a reduction of up to 52% in heat water using the demand controller adaptive, so the discomfort of the users can be minimized.

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Muitos sistemas apresentam imposições de confiabilidade e latência que se tornam mais difíceis de serem atingidas quando a rede em que o sistema opera é uma rede sem fio. Por outro lado, módulos sensores em uma rede desse tipo precisam economizar energia para evitar gastos com manutenção e estender seu tempo de vida, visto que muitas vezes estes módulos se encontram em locais de difícil acesso. Diversos estudos até aqui realizados mostram ser possível reduzir o consumo de energia de nós otimizando parâmetros da comunicação sem fio. O fato de o sistema exigir uma latência máxima implica que o número de retransmissões não pode ser ilimitado. Nesta dissertação é avaliada a minimização do consumo de energia otimizando parâmetros de comunicação como a ordem de modulação, a SNR (Signal-to-Noise Ratio), taxa de código e inclusive o número de retransmissões, em uma rede que possui exigências de confiabilidade, latência e potência máxima. Este trabalho considera uma comunicação através de um canal com desvanecimento do tipo Rayleigh, o uso de códigos corretores de erro convolucionais, além de S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) como técnica de retransmissão de mensagens. Ao final a mesma avaliação é feita, porém maximizando a eficiência energética do sistema, o que nos leva a perceber que o número máximo de retransmissões não sofre grande impacto quando o tipo de otimização é trocado. Os resultados mostram que a limitação de atraso impacta diretamente na seleção dos parâmetros. Quando o objetivo for reduzir o consumo energético ou aumentar a eficiência energética em um ambiente com limitação de latência nem sempre a melhor escolha será aumentar o número de retransmissões possíveis. Maiores atrasos permitem o uso de números de retransmissões maiores, estendendo o alcance dos dispositivos e reduzindo seu consumo. Além disso, aumentar a confiabilidade das entregas de pacotes impacta de maneira a dificultar a comunicação do ponto de vista energético. / Many systems present constraints of reliability and delay, which become harder to be achieved when the system operates through a wireless network. On the other hand, sensor modules in these networks need to save energy avoiding maintance costs and extending their lifetime, since these modules are usually located in places that are difficult to access. Several works have shown that is possible to reduce the energy consumption in sensor nodes optimizing wireless communication parameters. The fact that the system requires a maximum delay implies that the number of retransmissions cannot be unlimited. In this work we evaluate the energy consumption minimization, optimizing communication parameters such as the modulation order, the SNR (Signal-to-Noise Ratio), code rate, including the number of retransmissions, in a network with reliability, latency and maximum power requirements. This work considers that the wireless links are subjected to Rayleigh fading, while we employ convolutional error correcting codes and S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) as the retransmission technique. In addition, the same evaluation is made, but maximizating system’s energy efficiency, which yields small differences with respect to the case when the energy consumption is minimized. Results show that the delay constraints impact directly in communication parameters selection. Moreover, when the goal is to reduce energy consumption or to increase energy efficiency in a environment with latency constraints, it is not always a good choice to increase number of possible retransmissions. Higher delays allow the use of a large number of retransmission attempts, extending the device’s range and reducing its energy consumption. Furthermore, increasing package delivery realiability turns the communication task harder from the energy efficiency point of view.

Redes de sensores sem fio geralmente são compostas por dispositivos que demandam qualidade de transmissão, porém com energia limitada. Desta condição, surge a necessidade do estudo da eficiência energética. Neste documento são apresentadas e comparadas algumas técnicas para melhorar a eficiência energética que englobam o uso da diversidade, tais como o uso de múltiplas antenas no transmissor e receptor bem como o uso de comunicação cooperativa, esta última melhor aproveitada quando um canal de retorno está disponível. São abordados dois modelos de comunicação. No primeiro cenário, apenas a camada física é levada em conta em uma rede MIMO cooperativa com múltiplos relays, em que é proposto um algoritmo distribuído iterativo de alocação de potência baseado no algoritmo de Dinkelbach visando a maximização da eficiência energética. Os resultados demonstram que o uso de múltiplas antenas melhora a eficiência energética, mas que dependendo da técnica MIMO utilizada, o número de relays e o número de antenas podem levar a efeitos diferentes em termos de eficiência energética. Em seguida, é apresentado um cenário que envolve a camada física e a camada de controle de acesso ao meio (MAC), no qual propõe-se um protocolo MAC cooperativo distribuído. Neste caso, além da energia utilizada para transmitir os pacotes de dados, também é analisado o atraso e o consumo para acessar o canal. Pelos resultados obtidos, notase que as técnicas MIMO aumentam a eficiência energética em relação ao caso SISO, das quais pode-se destacar a seleção de antenas. Além disso, outros parâmetros, tais como densidade de nós, eficiência espectral, número de antenas e distância entre nós, são analisados em termos de eficiência energética. / Wireless sensor networks are usually composed of devices that require transmission quality, but with limited energy. From this condition arises the necessity of the energy efficiency study. In this document, we present and compare some techniques to improve the energy efficiency, which include the use of diversity, such as the use of multiple antennas in the transmitter and receiver as well as the use of cooperative communication. The latter has better results when a feedback channel is available. We cover two communication scenarios. In the first scenario, only the physical layer is taken into account in a MIMO cooperative network with multiple relays, where we propose a power allocation distributed iterative algorithm based on the Dinkelbach’s algorithm aiming at the energy efficiency maximization. The results show that the use of multiple antennas improve the energy efficiency, but depending on the used MIMO transmission scheme, the number of relays and the number of antennas can lead to different effects with respect to the energy efficiency. In the following, we present a scenario that contains a cross-layer analysis encompassing physical and medim access control (MAC) layers in a cooperative MIMO network, where we propose a distributed cooperative MAC protocol. In this case, besides the energy used to transmit thte data packets, we also analyze the delay and energy consumption to access the channel. Results show that the MIMO techniques improve the energy efficiency when we compare to SISO, especially when employing antenna selection techniques. In addition, other parameters, such as node density, spectral efficiency, number of antennas and distance between nodes, are analyzed with respect to the energy efficiency.

CAPES / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um estudo técnico social para definir as diretrizes que garantam a sustentabilidade de uma minirrede baseada em sistemas solares fotovoltaicos, localizados nas Zonas Não Interconectadas (ZNI) da Colômbia. A literatura da pesquisa está baseada na importância da energia elétrica e das construções sustentáveis para o homem e nos princípios de energia solar e de minirredes baseadas em sistemas solares fotovoltaicos. Após este levantamento, aplicou-se o método de pesquisa documental para contextualizar o leitor com os aspectos mais importantes sobre a Colômbia e sua realidade hoje. A partir destes aspectos foi possível concentrar a pesquisa em uma região, selecionada a partir de critérios de recurso solar disponível, economia, segurança, saúde e educação. Uma vez escolhida a região, foi feita uma pesquisa de campo em que foram entrevistados os agentes que podem influenciar no funcionamento de uma minirrede. Também foram observados os aspectos técnicos relacionados com as construções e a eficiência energética desta região, constatando que a mesma já contou, em alguma ocasião, com sistemas solares fotovoltaicos, mas estes foram vendidos pela própria comunidade por não encontrarem utilidade nenhuma neles. A partir das respostas encontradas nas entrevistas foi feita uma proposta de gestão da minirrede baseada em sistemas solares fotovoltaicos. Concluiu-se que é primordial que os agentes técnicos e administrativos do sistema como um todo tenham contato contínuo com o usuário para entender as suas necessidades e conseguir satisfazê-las com a instalação da minirrede. Também se observou que é importante criar no usuário um sentido de posse pela minirrede, identificando os benefícios educativos, de saúde e econômicos que esta nova tecnologia traz para ele. Este estudo abre as portas para novas pesquisas de avaliação e descrição das diretrizes propostas. / This research presents the development of a social-technical study to define guidelines to ensure the sustainability of a mini-grid based on solar photovoltaic systems located in Non Interconnected Areas (NIA) of Colombia. The literature of this research is based on the importance of energy and sustainable buildings to people, the principles of solar PV, and mini-grid based on solar photovoltaic systems. After this firt part, was applied the method of documentary research to contextualize the reader with the main relevant aspects of Colombia related to the research. From these aspects, it was possible to focus the research to a region, which was chosen by criterias such as: solar resource, economy, security, health and education. When the area was chosen, it was made a field survey. In this survey the agents that influence the operation of a mini network were interviwed. Also, it was observed the technical aspects of buildings, and the energy efficiency in this region. As a result it was observed that in the past there were PV solar systems, but these were sold by the community because they did not find them useful. From the interview answers, it was made a proposal about the management of the mini-grid based on solar photovoltaic systems. In conclusion, it is essential that the technical and administrative agents that make part of this system have continuous contact with the user to understand their needs and satisfy them with the installation of mini-grid. It is also important to create a sense of belonging from the user to the mini-grid, identifying the benefits, educational, health and economic that this new technology brings to him. This study opens the door to new research about evaluations and descriptions about the proposed guidelines.

Esta dissertação apresenta uma aplicação de inteligência artificial, a lógica fuzzy, estruturada como um controlador fuzzy, para a sintonia dos ganhos Kp e Ki de um controlador PI. Este último, configurado num conversor de frequência para a operação de um conjunto motor-bomba do sistema de abastecimento de água potável na região denominada de Recalque Mercês (RMER), na cidade de Curitiba, compreendendo 4 bairros com 140 km de tubulação e mais de 13 mil ligações a clientes. Hoje, o sistema funciona com controle PI tradicional de ganhos fixos, variando a velocidade do conjunto motorbomba, controlados por um sensor de pressão à jusante do bombeamento. Contudo, a variação de consumo de água potável fornecida é muito grande durante o período de um dia, sendo máxima no entardecer e mínima durante a madrugada, e com características sazonais, o consumo aumenta com o calor e diminui no frio, o que faz esse tipo de controle fixo ser ineficiente em determinados momentos. A proposta é adotar o controle fuzzy para alterar os coeficientes do controlador PI ao longo do dia, de forma autônoma, de acordo com o consumo instantâneo e assim, alcançar uma melhor eficiência energética do sistema, prezando pela qualidade do serviço prestado à população. Isto é, garantindo a vazão e a pressão de água para o consumidor. Por meio do MatLab®, mais precisamente os toolbox’s de simulação, Simulink® e SimScape®, foram criados dois modelos, um com o controle atual e o outro com a proposta inteligente, de uma abreviação da rede e do sistema de bombeamento da elevatória existente, a diminuição de 4 conjuntos motor-bomba para apenas 1 (um) e num trajeto único, perfazendo 5,4 km de distância, até o local denominado de ponto crítico, onde é mais longe, alto e difícil de se manter a pressão no patamar de 10 m.c.a. (1 bar), por norma. O controlador fuzzy desenvolvido possui 2 entradas, o nível do reservatório e a pressão à jusante do conjunto motor-bomba, e 2 saídas, os ganhos proporcional e integral para o PI. Com a estrutura baseado em regras, foram criadas 123 regras de inferência para que o sistema obtenha um desempenho favorável. As simulações foram realizadas com a referência de dados – 3 meses de histórico – de medições do reservatório e do sensor de pressão que é a realimentação do controle PI existente. Assim, a eficiência energética de 6,15% ao mês, em termos de energia elétrica consumida, foi conseguida, comparando com o modelo de controle tradicional. / This dissertation presents an application of artificial intelligence, the fuzzy logic, structured as a fuzzy controller, for the tuning of the Kp and Ki gains of a PI controller. The latter, configured in a frequency converter for the operation of a motor-pump assembly of the drinking water supply system in the region called Recalque Mercês (RMER), in the city of Curitiba, comprising 4 districts with 140 km of pipeline and more than 13 thousand connections to customers. Today, the system operates with PI traditional control with fixed gains, varying the speed of the motor-pump assembly, controlled by a pressure sensor downstream to the pumping. However, the variation in the consumption of potable water supplied is very large during the period of one day, being maximum at dusk and minimum during the dawn, and with seasonal characteristics, consumption increases with heat and decreases in the cold, which makes static control inefficient at certain times. The proposal is to adopt the fuzzy control to change the coefficients of the PI controller throughout the day, autonomously, according to the instantaneous consumption and thus achieve a better energy efficiency of the system, appreciating the quality of service provided to the population. That is, ensuring the flow and pressure of water to the consumer. Through MatLab®, simulation tools, Simulink® and SimScape®, two models were created, one with the current control and the other with the intelligent proposal. An abbreviation of the network and the existing pumping system of the lift, the reduction of 4 engine-pump assemblies to only 1 (one) and a single path, making 5.4 km distance, to the socalled critical point location, where it is further, higher and more difficult to keep the pressure at the 10 mwg (1 bar), as a rule. The developed fuzzy controller has 2 inputs, the reservoir level and the downstream pressure of the motor-pump assembly, and 2 outputs, proportional and integral gains for the PI. With the rulesbased framework, 123 inference rules were created for the system to perform favorably. The simulations were carried out with the reference of data – 3 months of historical – of measurements of the reservoir and pressure sensor that is the feedback of the existing PI control. Thus, the energy efficiency of 6.15% per month, in terms of electric power consumed, was achieved, compared to the traditional control model.

Redes de sensores sem fio geralmente são compostas por dispositivos que demandam qualidade de transmissão, porém com energia limitada. Desta condição, surge a necessidade do estudo da eficiência energética. Neste documento são apresentadas e comparadas algumas técnicas para melhorar a eficiência energética que englobam o uso da diversidade, tais como o uso de múltiplas antenas no transmissor e receptor bem como o uso de comunicação cooperativa, esta última melhor aproveitada quando um canal de retorno está disponível. São abordados dois modelos de comunicação. No primeiro cenário, apenas a camada física é levada em conta em uma rede MIMO cooperativa com múltiplos relays, em que é proposto um algoritmo distribuído iterativo de alocação de potência baseado no algoritmo de Dinkelbach visando a maximização da eficiência energética. Os resultados demonstram que o uso de múltiplas antenas melhora a eficiência energética, mas que dependendo da técnica MIMO utilizada, o número de relays e o número de antenas podem levar a efeitos diferentes em termos de eficiência energética. Em seguida, é apresentado um cenário que envolve a camada física e a camada de controle de acesso ao meio (MAC), no qual propõe-se um protocolo MAC cooperativo distribuído. Neste caso, além da energia utilizada para transmitir os pacotes de dados, também é analisado o atraso e o consumo para acessar o canal. Pelos resultados obtidos, notase que as técnicas MIMO aumentam a eficiência energética em relação ao caso SISO, das quais pode-se destacar a seleção de antenas. Além disso, outros parâmetros, tais como densidade de nós, eficiência espectral, número de antenas e distância entre nós, são analisados em termos de eficiência energética. / Wireless sensor networks are usually composed of devices that require transmission quality, but with limited energy. From this condition arises the necessity of the energy efficiency study. In this document, we present and compare some techniques to improve the energy efficiency, which include the use of diversity, such as the use of multiple antennas in the transmitter and receiver as well as the use of cooperative communication. The latter has better results when a feedback channel is available. We cover two communication scenarios. In the first scenario, only the physical layer is taken into account in a MIMO cooperative network with multiple relays, where we propose a power allocation distributed iterative algorithm based on the Dinkelbach’s algorithm aiming at the energy efficiency maximization. The results show that the use of multiple antennas improve the energy efficiency, but depending on the used MIMO transmission scheme, the number of relays and the number of antennas can lead to different effects with respect to the energy efficiency. In the following, we present a scenario that contains a cross-layer analysis encompassing physical and medim access control (MAC) layers in a cooperative MIMO network, where we propose a distributed cooperative MAC protocol. In this case, besides the energy used to transmit thte data packets, we also analyze the delay and energy consumption to access the channel. Results show that the MIMO techniques improve the energy efficiency when we compare to SISO, especially when employing antenna selection techniques. In addition, other parameters, such as node density, spectral efficiency, number of antennas and distance between nodes, are analyzed with respect to the energy efficiency.