Hydropower is one of the oldest renewable energy (RE) sources and constitutes a major share in the Swedish electricity mix. Though hydropower is renewable, there exist some issues pertaining to the local aquatic conditions. With more environmental laws being implemented, regulating the use and management of water is jeopardizing the flexibility of hydropower plants. The decided national plan for new environmental conditions in Sweden is expected to start being implemented in 2025 and more restrictions are expected. Analysing a battery energy storage system's capabilities plants may improve flexibility in hydropower plant operation. This thesis is focused on the short-term regulation in lower Oreälven river where the hydropower plants Skattungbyn, Unnån and Hansjö are located. The combined hydropower plant and battery system is simulated being employed in the day-ahead market and a techno-economic optimization of the combined system is performed. The combined system's operation is modelled using Mixed Integer Linear Programming. The future electricity market analysis is modelled using Machine Learning techniques. Three different electricity market scenarios were developed based on different Swedish nuclear energy targets for 2040 to capture the future. The first scenario developed complies with the Swedish energy target of 100 % renewable production in 2040. The second scenario has still two nuclear power plants in operation by 2040 and the third scenario has the same nuclear capacity as of 2020. It is observed from the results that with the current battery costs (~3,6 Million SEK/MWh), the implementation of a battery system for the short term regulation of the combined battery/hydropower system is not profitable and the cost of battery needs to be less than 0,5 Million SEK/MWh to make it profitable. The thesis also discusses the possibility of utilizing batteries’ second life and the techno-economic analysis of their performance. / Vattenkraft är en av de allra äldsta förnybara energikällorna och utgör idag en väsentlig del av Sveriges energimix. Trots att vattenkraft är förnybar, har den lett till vissa utmaningar i den lokala vattenmiljön. Som en följd av att fler miljölagar har implementerats för att reglera nyttjandet av vattendrag och sjöar, minskar flexibiliteten i vattenkraftproduktionen. Den av den svenska regeringen i juni 2020 beslutade nationella planen för miljöanpassning av vattenkraften i Sverige, förväntas börja genomföras med start 2025 och tros då resultera i fler flexibilitetsbegränsningar. Genom att analysera driften av batteriers energilagringssystem kombinerade med vattenkraftverk, bedöms flexibiliteten i sådana kombinerade system kunna ökas. Denna studie fokuserar på den kortsiktiga regleringen av nedre Oreälven med vattenkraftverken Skattungbyn, Unnån och Hansjö. En kombination av vattenkraftverken med batterisystem simuleras mot spot-marknaden och en teknisk-ekonomisk optimering av det kombinerade systemet utförs. Driften av det kombinerade systemet modelleras med linjärprogrammering och den framtida analysen av elmarknaden modelleras med maskininlärningstekniker. Tre olika scenarier för elmarknaden utvecklades baserade på målen för den svenska kärnkraften år 2040. Det första scenariot som utvecklades är i linje med det svenska energimålet om 100 % förnybar produktion till 2040. Det andra scenariot utvecklades med två kärnkraftverk fortfarande i drift 2040 och det tredje scenariot med samma kärnkraftskapacitet som 2020. Från resultaten kan särskilt noteras att med nuvarande batterikostnader (~3,6 miljoner SEK/MWh) kommer införandet av batterier för att kortsiktigt reglera vattenkraftverken inte att vara lönsamt om inte batterikostnaden reduceras till som högst 0,5 miljoner SEK/MWh. Denna studie diskuterar även möjligheterna att använda andrahandsbatterier samt en teknisk-ekonomisk analys för dess prestanda.

To reduce the emissions from the transport sector, the electric vehicle (EV) is a promising alternative to the internal combustion engine vehicle (ICEV). An important aspect of implementing new transport systems in terms of EVs is the charging strategy, as many energy sources with different limitations can be utilized. Although various studies have investigated charging strategies for electric cars, there is a lack of optimized charging strategies for electric boats with specific considerations for these cases. In Colombia, the river transport sector plays an important role in areas with lack of access to other transport alternatives. This study presents an optimization of the charging strategy for an electric boat that is planned to traffic the Magdalena River in the region of Magangué, Colombia. The objective of the optimization model is to minimize the electricity bill while maintaining a desired transport service. The study considers solar photovoltaics (PV), the electric grid and battery storage for charging, and compares different battery sizes in a scenario analysis. Furthermore, the impact of the instability of the grid is included in terms of a sensitivity analysis of grid blackouts, together with varying battery investment costs. The results show that PV is a recommended investment as it lowers the charging cost and gives positive results in terms of economic feasibility. To further increase the economic feasibility, lower the charging costs and improve the reliability of the system, it is suggested to invest in energy storage. The techno-economic feasibility of storage is heavily affected by battery investment costs and number of grid blackouts affecting the boat charging. If the investment cost is low and the number of blackouts is high, a large storage is a suggested solution. / För att minska utsläppen från transportsektorn är elfordon (EV) ett lovande alternativ till förbränningsmotorfordon (ICEV). En viktig aspekt vid implementering av nya transportsystem för EV:s är val av laddningsstrategi, eftersom många energikällor med olika begränsningar kan användas. Även om flertalet studier har undersökt laddningsstrategier för elbilar, saknas optimerade laddningsstrategier för elbåtar och som beaktar de specifika förhållandena för dessa fall. I Colombia spelar flodtransportsektorn en viktig roll i områden med brist på tillgång till andra transportalternativ. Denna studie presenterar en optimering av laddningsstrategin för en elbåt som är planerad att trafikera floden Magdalena i regionen Magangué, Colombia. Syftet med optimeringsmodellen är att minimera elräkningen samtidigt som en önskad transporttjänst bibehålls. Studien omfattar solceller (PV), elnätet och batterilagring för laddning, och jämför olika batteristorlekar i en scenarioanalys. Vidare inkluderas effekterna av elnätets instabilitet genom en känslighetsanalys av strömavbrott, tillsammans med varierande kostnader för batteriinvesteringar. Resultaten visar att PV är en rekommenderad investering eftersom den sänker laddningskostnaden och ger positiva resultat när det gäller ekonomisk lönsamhet. För att ytterligare öka den ekonomiska lönsamheten, sänka laddningskostnaderna och förbättra systemets tillförlitlighet föreslås det att investera i energilagring. Den teknisk-ekonomiska genomförbarheten för lagring påverkas starkt av kostnader för batteriinvesteringar och antalet strömavbrott som påverkar båtladdningen. Om investeringskostnaden är låg och antalet strömavbrott är högt är energilagring med stor kapacitet en föreslagen lösning.

This thesis examines the optimal scheduling of a hydroelectric power plant with cascaded reservoirs each with multiple generating units under uncertainty after testing three linearization methods. These linearization methods are Successive Linear Programming, Piecewise Linear Approximations, and a Hybrid of the two together. There are two goals of this work. The first goal of this work aims to replace the nonconvex mixed-integer nonlinear program (MINLP) with a computationally efficient linearized mixed-integer linear program (MILP) that will be capable of finding a high quality solution, preferably the global optimum. The second goal is to implement a stochastic approach on the linearized method in a pseudo-rolling horizon method which keeps the ending time step fixed. Overall, the Hybrid method proved to be a viable replacement and performs well in the pseudo-rolling horizon tests. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Combined cycle gas turbine power plants (CCGT), as part of the electricity generation fleet, are required to improve their flexibility to help balance the power system under new scenarios with high shares of variable renewable sources. Among the different possibilities to enhance the power plant performance, an inlet air conditioning unit offers the benefit of power augmentation and “minimum environmental load” reduction by controlling the gas turbine intake temperature using cold thermal energy storage and a heat pump. In this thesis, an evaluation of the conditioning unit impact over a power-oriented CCGT under a day-ahead optimized operation strategy is presented. To establish the hourly dispatch of the power plant and the right operation mode of the inlet condition unit bringing the desired benefits, a mixed-integer linear optimization was formulated aiming to maximize the operational profit of the plant within a 24 hours horizon. To assess the impact of the proposed unit operating under this control strategy, annual simulations of a reference power plant were developed with and without the unit, allowing to a comparison of their performance by means of technical and economic indicators. Furthermore, a case study changing equipment sizes was performed in order to identify trends of the power plant performance related to such parameters; and lastly, a sensitivity analysis on market conditions to test the control strategy response was included. The results indicate that the inlet conditioning unit together with the dispatch optimization increase the power plant operational profit trough the gain of power variation over peak and off-peak periods. For the specific case study in northern Italy, it is shown that a power plant integrated with the conditioning unit is more profitable in terms of net present value based on the undertaken investment figures. Related to the technical performance, it also shows that the unit reduces by 1,34% the minimal environmental load when part-load operations are required and that it can increase the net power output by 0.17% annually. All in all, this study presents the benefits of a dispatch optimization strategy when couple to a novel solution to increase CCGT flexibility. / Elproducerande kombikraftverk (CCGT) förväntas förbättra sin flexibilitet för att kunna bidra till stabilisering av elnätet i framtida scenarier med ökande andel variabla, förnybara energikällor. Av de diverse metoder som finns att tillgå för att förbättra ett kraftverks prestanda, erbjuder en inluftsbehandlingsenhet både fördelar med kraftförbättring samt minskning av “minimun environmental load”; genom att med hjälp av kall termisk energilagring och en värmepump kontrollera gasens inluftstemperatur till gasturbinen. I den här uppsatsen undersöks hur en sådan inluftsbehandlingsenhet påverkar prestandan hos en kraftproduktionsfokuserad CCGT när en optimerad driftsstrategi introduceras. För att bestämma kraftverkets elproduktion vid varje timme och det korrekta driftläget för luftbehandlingsenheten (för att uppnå tidigare nämnda eftersökta fördelar) formulerades ett linjärt optimeringsproblem med syfte att maximera kraftverkets driftsförtjänst under ett 24-timmars tidsspann. För att bedöma den föreslagna inluftsbehandlingsenhetens inverkan under den optimerade driftsstrategin genomfördes simuleringar av ett referenskraftverk med och utan nämnda enhet, varpå en jämförelse med avseende på teknisk prestanda och ekonomi genomfördes. Vidare genomfördes en fallstudie där storlek på diverse utrustning varierades för att kunna identifiera trender i kraftverksprestanda baserat på dessa parametrar; slutligen genomfördes en känslighetsanalys rörande hur luftbehandlingsenheten och kontrollstrategin reagerar vid olika marknader.. Resultaten indikerar att en inluftsbehandlingsenhet tillsammans med en optimerad driftsstrategi ökar kraftverkets driftsvinning genom en ökad variation i kraftuttag över peak och off-peak timmar. För fallstudien i norra Italien fanns att ett kraftverk med integrerad luftbehandlingsenhet är mer lönsamt sett till nuvärdesanalys. Gällande teknisk prestanda visade resultaten att enheten minskar den minsta miljöbelastningen med 1,34 % när delbelastningsdrift fordras, och att det kan öka nettokraftuttag med 0,17% årligen. Sammanfattningsvis presenterar denna studie fördelarna med ett driftsoptimerat kraftverk kopplat till en ny lösning för att öka flexibilitet hos CCGT:er.

Concentrated solar power (CSP) is a fast-growing technology for electricity production. With mirrors (heliostats) irradiation of the sun is concentrated onto a receiver run through by a heat transfer fluid (HTF). The fluid by that reaches high temperatures and is used to drive a steam turbine for electricity production. A CSP power plant is most often coupled with an energy storage unit, where the HTF is stored before it is dispatched and used to generate electricity. Electricity is most often sold at an open market with a fluctuating spot-prices. It is therefore of high importance to generate and sell the electricity at the highest paid hours, increasingly important also since the governmental support mechanisms aimed to support renewable energy production is faded out since the technology is starting to be seen as mature enough to compete by itself on the market. A solar power plant thus has an operational protocol determining when energy is dispatched, and electricity is sold. These protocols are often pre-defined which means an optimal production is not achieved since irradiation and electricity selling price vary. In this master thesis, an optimization algorithm for electricity sales is designed (in MATLAB). The optimization algorithm is designed by for a given timeframe solve an optimization problem where the objective is maximized revenue from electricity sales from the solar power plant. The function takes into consideration hourly varying electricity spot price, hourly varying solar field efficiency, energy flows in the solar power plant, start-up costs (from on to off) plus conditions for the logic governing the operational modes. Two regular pre-defined protocols were designed to be able to compare performance in a solar power plant with the optimized dispatch protocol. These three operational protocols were evaluated in three different markets; one with fluctuating spot price, one regulated market of three fixed price levels and one in spot market but with zero-prices during sunny hours. It was found that the optimized dispatch protocol gave both bigger electricity production and revenue in all markets, but with biggest differences in the spot markets. To evaluate in what type of powerplant the optimizer performs best, a parametric analysis was made where size of storage and power block, the time-horizon of optimizer and the cost of start-up were varied. For size of storage and power block it was found that revenue increased with increased size, but only up to the level where the optimizer can dispatch at optimal hours. After that there is no increase in revenue. Increased time horizon gives increased revenue since it then has more information. With a 24-hour time horizon, morning price-peaks will be missed for example. To change start-up costs makes the power plant less flexible and with fewer cycles, without affect income much. / Koncentrerad solkraft (CSP) är en snabbt växande teknologi för elektricitets-produktion. Med speglar (heliostater) koncentreras solstrålar på en mottagare som genomflödas av en värmetransporteringsvätska. Denna uppnår därmed höga temperaturer vilket används för att driva en ångturbin för att generera el. Ett CSP kraftverk är oftast kopplat till en energilagringstank, där värmelagringsvätskan lagras innan den används för att generera el. El säljs i de flesta fall på en öppen elmarknad, där spotpriset fluktuerar. Det är därför av stor vikt att generera elen och sälja den vid de timmar med högst elpris, vilket också är av ökande betydelse då supportmekanismerna för att finansiellt stödja förnybar energiproduktion används i allt mindre grad för denna teknologi då den börjar anses mogen att konkurrera utan. Ett solkraftverk har således ett driftsprotokoll som bestämmer när el ska genereras. Dessa protokoll är oftast förutbestämda, vilket innebär att en optimal produktion inte fås då exempelvis elspotpriset och solinstrålningen varierar. I detta examensarbete har en optimeringsalgoritm för elförsäljning designats (i MATLAB). Optimeringsscriptet är designat genom att för en given tidsperiod lösa ett optimeringsproblem där objektivet är maximerad vinst från såld elektricitet från solkraftverket. Funktionen tar hänsyn till timvist varierande elpris, timvist varierande solfältseffektivitet, energiflöden i solkraftverket, kostnader för uppstart (on till off) samt villkor för att logiskt styra de olika driftlägena. För att jämföra prestanda hos ett solkraftverk med det optimerade driftsprotokollet skapades även två traditionella förutbestämda driftprotokoll. Dessa tre driftsstrategier utvärderades i tre olika marknader, en med ett varierande el-spotpris, en i en reglerad elmarknad med tre prisnivåer och en i en marknad med spotpris men noll-pris under de soliga timmarna. Det fanns att det optimerade driftsprotokollet gav både större elproduktion och högre vinst i alla marknader, men störst skillnad fanns i de öppna spotprismarknaderna. För att undersöka i vilket slags kraftverk som protokollet levererar mest förbättring i gjordes en parametrisk analys där storlek på lagringstank och generator varierades, samt optimerarens tidshorisont och kostnad för uppstart. För lagringstank och generator fanns att vinst ökar med ökande storlek upp tills den storlek optimeraren har möjlighet att fördela produktion på dyrast timmar. Ökande storlek efter det ger inte ökad vinst. Ökande tidshorisont ger ökande vinst eftersom optimeraren då har mer information. Att ändra uppstartkostnaden gör att solkraftverket uppträder mindre flexibelt och har färre cykler, dock utan så stor påverkan på inkomst.

Hydropower is the world’s largest source of renewable electricity generation. Hydropower plants with reservoirs provide flexibility to the power systems. Efficient planning techniques improve the flexibility of the power systems and reduce carbon emissions, which is needed in power systems experiencing a rapid change in balance between power production and consumption. This is due to increasing amount of renewable energy sources, such as wind and solar power. Hydropower plants have low operating costs and are used as base power. This thesis focuses on weekly planning of hydropower in systems with large volumes and varying power generation and a literature review and a maintenance scheduling method are presented. The topic of hydropower planning is well investigated and various research questions have been studied under many years in different countries. Some of the works are summarized and discussed in literature reviews, which are presented in this thesis. First, some reviews are presented, which covers several aspects of hydropower planning. Literature reviews for long term, mid term and short term planning, respectively, are described. Maintenance scheduling in power systems consists of preventive and corrective maintenance. Preventive maintenance is performed at predetermined intervals according to a prescribed criteria. This type of maintenance is important for power producers to avoid loss in electricity production and loss in income. The maintenance scheduling for hydropower plants prevent these phenomena since spill in the reservoirs and wear on the turbines can be avoided. Usually, the maintenance in hydropower plants is performed on the turbines or at the reservoir intake. A deterministic and a stochastic method to solve a mid term maintenance scheduling problem formulated as a Mixed Integer Linear Programming using dynamic programming is presented. The deterministic method works well in terms of computational time and accuracy. The stochastic method compared to the deterministic method yields a slightly better result at the cost of a need for larger computational resources. / Vattenkraft är världens största källa till förnyelsebar elproduktion. Vattenkraftverk med magasin erbjuder flexibilitet till elkraftsystem. Effektiva planeringsmetoder förbättrar flexibiliteten hos kraftsystemen och minskar koldioxidutsläppen, vilket är nödvändigt i kraftsystem som utsätts för snabb förändring med obalans mellan produktion och konsumtion av effekt. Detta beror på ökad andel förnyelsebara energikällor, som vind- och solkraft, i kraftsystemen. Vattenkraftverk har låga driftkostnader och används som baskraft. Den här avhandlingen fokuserar på veckoplanering av vattenkraft i kraftsystem med stora volymer och varierande kraftproduktion, samt en litteraturstudie och en metod för underhållsplanering presenteras.    Ämnet vattenkraftplanering är väl undersökt och varierande forskningsfrågor har studerats under många år i olika länder. En del av arbetena sammanfattas och diskuteras i litteraturstudier, vilka presenteras i den här avhandlingen. Först presenteras några litteraturstudier, som täcker flera aspekter av vattenkraftplanering. Litteraturstudier, för långtids-, medeltidsplanering, respektive korttidsplanering beskrivs.    Underhållsplanering i elkraftsystem består av förebyggande och korrigerande underhåll. Förebyggande underhåll utförs vid förutbestämda intervall enligt förbestämda kriterier. Denna typ av underhåll är viktig för att kraftproducenter ska kunna undvika förlorad elproduktion och förlorad inkomst. Underhållsplaneringen för vattenkraftverk förebygger dessa fenomen, eftersom spill i magasinen och slitage på turbinerna kan undvikas. Vanligen utförs underhållen i vattenkraftverken på turbinerna eller vid intaget i magasinet. En deterministisk metod och en stokastisk metod att lösa ett medeltidsplaneringsproblem, formulerat som ett blandat heltalsprogrammeringsproblem presenteras. Den deterministiska metoden fungerar väl i termer av beräkningstid och noggrannhet. Den stokastiska metoden jämfört med den deterministiska metoden ger ett något bättre resultat dock till priset av ett behov av större datorresurser. / <p>QC 20220920</p>

Tesis por compendio / [ES] Los sistemas de tiempo real se caracterizan por exigir el cumplimento de unos requisitos temporales que garanticen el funcionamiento aceptable de un sistema. Especialmente, en los sistemas de tiempo real estricto estos requisitos temporales deben ser inviolables. Estos sistemas suelen aplicarse en áreas como la aviación, la seguridad ferroviaria, satélites y control de procesos, entre otros. Por tanto, el incumplimiento de un requisito temporal en un sistema de tiempo real estricto puede ocasionar un fallo catastrófico. La planificación de sistemas de tiempo real es una área en la que se estudian y aplican diversas metodologías, heurísticas y algoritmos que intentan asignar el recurso de la CPU sin pérdidas de plazo. El uso de sistemas de computación multinúcleo es una opción cada vez más recurrente en los sistemas de tiempo real estrictos. Esto se debe, entre otras causas, a su alto rendimiento a nivel de computación gracias a su capacidad de ejecutar varios procesos en paralelo. Por otro lado, los sistemas multinúcleo presentan un nuevo problema, la contención que ocurre debido a la compartición de los recursos de hardware. El origen de esta contención es la interferencia que en ocasiones ocurre entre tareas asignadas en distintos núcleos que pretenden acceder al mismo recurso compartido simultáneamente, típicamente acceso a memoria compartida. Esta interferencia añadida puede suponer un incumplimiento de los requisitos temporales, y por tanto, la planificación no sería viable. En este trabajo se proponen nuevas metodologías y estrategias de planificación no convencionales para aportar soluciones al problema de la interferencia en sistemas multinúcleo. Estas metodologías y estrategias abarcan algoritmos de planificación, algoritmos de asignación de tareas a núcleos, modelos temporales y análisis de planificabilidad. El resultado del trabajo realizado se ha publicado en diversos artículos en revistas del área. En ellos se presentan estas nuevas propuestas que afrontan los retos de la planificación de tareas. En la mayoría de los artículos presentados la estructura es similar: se introduce el contexto en el que nos situamos, se plantea la problemática existente, se expone una propuesta para solventar o mejorar los resultados de la planificación, después se realiza una experimentación para evaluar de forma práctica la metodología propuesta, se analizan los resultados obtenidos y finalmente se exponen unas conclusiones sobre la propuesta. Los resultados de las metodologías no convencionales propuestas en los artículos que conforman esta tesis muestran una mejora del rendimiento de las planificaciones en comparación con algoritmos clásicos del área. Especialmente la mejora se produce en términos de disminución de la interferencia producida y mejora de la tasa de planificabilidad. / [CA] Els sistemes de temps real es caracteritzen per exigir el compliment d'uns requisits temporals que garantisquen el funcionament acceptable d'un sistema. Especialment, en els sistemes de temps real estricte aquests requisits temporals han de ser inviolables. Aquests sistemes solen aplicar-se en àrees com l'aviació, la seguretat ferroviària, satèl·lits i control de processos, entre altres. Per tant, l'incompliment d'un requisit temporal en un sistema de temps real estricte pot ocasionar un error catastròfic. La planificació de sistemes de temps real és una àrea en la qual s'estudien i apliquen diverses metodologies, heurístiques i algorismes que intenten assignar el recurs de la CPU sense pèrdues de termini. L'ús de sistemes de computació multinucli és una opció cada vegada més recurrent en els sistemes de temps real estrictes. Això es deu, entre altres causes, al seu alt rendiment a nivell de computació gràcies a la seua capacitat d'executar diversos processos en paral·lel. D'altra banda, els sistemes multinucli presenten un nou problema, la contenció que ocorre a causa de la compartició dels recursos de hardware. L'origen d'aquesta contenció és la interferència que a vegades ocorre entre tasques assignades en diferents nuclis que pretenen accedir al mateix recurs compartit simultàniament, típicament accés a memòria compartida. Aquesta interferència afegida pot suposar un incompliment dels requisits temporals, i per tant, la planificació no seria viable. En aquest treball es proposen noves metodologies i estratègies de planificació no convencionals per aportar solucions al problema de la interferència en sistemes multinucli. Aquestes metodologies i estratègies comprenen algorismes de planificació, algorismes d'assignació de tasques a nuclis, models temporals i anàlisis de planificabilitat. El resultat del treball realitzat s'ha publicat en diversos articles en revistes de l'àrea. En ells es presenten aquestes noves propostes que afronten els reptes de la planificació de tasques. En la majoria dels articles presentats l'estructura és similar: s'introdueix el context en el qual ens situem, es planteja la problemàtica existent, s'exposa una proposta per a solucionar o millorar els resultats de la planificació, després es realitza una experimentació per a avaluar de manera pràctica la metodologia proposada, s'analitzen els resultats obtinguts i finalment s'exposen unes conclusions sobre la proposta. Els resultats de les metodologies no convencionals proposades en els articles que conformen aquesta tesi mostren una millora del rendiment de les planificacions en comparació amb algorismes clàssics de l'àrea. Especialment, la millora es produeix en termes de disminució de la interferència produïda i millora de la taxa de planificabilitat. / [EN] Real-time systems are characterised by the demand for temporal constraints that guarantee acceptable operation and feasibility of a system. Especially, in hard real-time systems these temporal constraints must be respected. These systems are typically applied in areas such as aviation, railway safety, satellites and process control, among others. Therefore, a missed deadline in a hard-real time system can lead to a catastrophic failure. The scheduling of real-time systems is an area where various methodologies, heuristics and algorithms are studied and applied in an attempt to allocate the CPU resources without missing any deadline. The use of multicore computing systems is an increasingly recurrent option in hard real-time systems. This is due, among other reasons, to its high computational performance thanks to the ability to run multiple processes in parallel. On the other hand, multicore systems present a new problem, the contention that occurs due to the sharing of hardware resources. The source of this contention is the interference that sometimes happens between tasks allocated in different cores that try to access the same shared resource simultaneously, typically shared memory access. This added interference can lead to miss a deadline, and therefore, the scheduling would not be feasible. This paper proposes new non-conventional scheduling methodologies and strategies to provide solutions to the interference problem in multicore systems. These methodologies and strategies include scheduling algorithms, task allocation algorithms, temporal models and schedulability analysis. The results of this work have been published in several journal articles in the field. In these articles the new proposals are presented, they face the challenges of task scheduling. In the majority of these articles the structure is similar: the context is introduced, the existing problem is identified, a proposal to solve or improve the results of the scheduling is presented, then the proposed methodology is experimented in order to evaluate it in practical terms, the results obtained are analysed and finally conclusions about the proposal are expressed. The results of the non-conventional methodologies proposed in the articles that comprise this thesis show an improvement in the performance of the scheduling compared to classical algorithms in the area. In particular, the improvement is produced in terms of reducing the interference and a higher schedulability rate. / Esta tesis se ha realizado en el marco de dos proyectos de investigación de carácter nacional. Uno de ellos es el proyecto es PRECON-I4. Consiste en la búsqueda de sistemas informáticos predecibles y confiables para la industria 4.0. El otro proyecto es PRESECREL, que consiste en la búsqueda de modelos y plataformas para sistemas informáticos industriales predecibles, seguros y confiables. Tanto PRECON-I4 como PRESECREL son proyectos coordinados financiados por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y los fondos FEDER (AEI/FEDER, UE). En ambos proyectos participa la Universidad Politécnica de Valencia, la Universidad de Cantabria y la Universidad Politécnica de Madrid. Además, en PRESECREL también participa IKERLAN S. COOP I.P. Además, parte de los resultados de esta tesis también han servido para validar la asignación de recursos temporales en sistemas críticos en el marco del proyecto METROPOLIS (PLEC2021-007609). / Aceituno Peinado, JM. (2024). Investigación de nuevas metodologías para la planificación de sistemas de tiempo real multinúcleo mediante técnicas no convencionales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203212 / Compendio

Dans le cadre industriel et académique, les méthodologies de développement logiciel exploitent de plus en plus le concept de “modèle” afin d’appréhender la complexité des systèmes temps réel critiques. En particulier, celles-ci définissent une étape dans laquelle un modèle fonctionnel, conçu comme un graphe de blocs fonctionnels communiquant via des échanges de signaux de données, est déployé sur un modèle de plateforme d’exécution matérielle et un modèle de plateforme d’exécution logicielle composé de tâches et de messages. Cette étape appelée étape de déploiement, permet d’établir une architecture opérationnelle du système nécessitant une validation des propriétés temporelles du système. Dans le contexte des systèmes temps réel dirigés par les évènements, la vérification des propriétés temporelles est réalisée à l’aide de l’analyse d’ordonnançabilité basée sur l’analyse des temps de réponse. Chaque choix de déploiement effectué a un impact essentiel sur la validité et la qualité du système. Néanmoins, les méthodologies existantes n’offrent pas de support permettant de guider le concepteur d’applications durant l’exploration de l’espace des architectures possibles. L’objectif de ces travaux de thèse consiste à mettre en place des techniques d’analyse et de synthèse automatiques permettant de guider le concepteur vers une architecture opérationnelle valide et optimisée par rapport aux performances du système. Notre proposition est dédiée à l’exploration de l’espace des architectures en tenant compte à la fois des quatre degrés de liberté déterminés durant la phase de déploiement, à savoir (j) le placement des éléments fonctionnels sur les éléments de calcul et de communication de la plateforme d’exécution, (ii) le partitionnement des éléments fonctionnels en tâches temps réel et des signaux de données en messages, (iii) l’affectation de priorités d’exécution aux tâches et aux messages du système et (iv) l’attribution du mécanisme de protection des données partagées pour les systèmes temps réel périodiques. Nous nous intéressons principalement à la satisfaction des contraintes temporelles et celles liées aux capacités des ressources de la plateforme cible. De plus, nous considérons l’optimisation des latences de bout-en-bout et la consommation mémoire. Les approches d’exploration architecturale présentées dans cette thèse sont basées sur la technique d’optimisation PLNE (programmation linéaire en nombres entiers) et concernent à la fois les applications activées périodiquement et celles dont l’activation est pilotée par les données. Contrairement à de nombreuses approches antérieures fournissant une solution partielle au problème de déploiement, les méthodes proposées considèrent l’ensemble du problème de déploiement. Les approches proposées dans cette thèse sont évaluées à l’aide d’applications génériques et industrielles. / Modern development methodologies from the industry and the academia exploit more and more the ”model” concept to address the complexity of critical real-time systems. These methodologies define a key stage in which the functional model, designed as a network of function blocks communicating through exchanged data signals, is deployed onto a hardware execution platform model and implemented in a software model consisting of a set of tasks and messages. This stage so-called deployment stage allows establishment of an operational architecture of the system, thus it requires evaluation and validation of the temporal properties of the system. In the context of event-driven real-time systems, the verification of temporal properties is performed using the schedulability analysis based on the response time analysis. Each deployment choice has an essential impact on the validity and the quality of the system. However, the existing methodologies do not provide supportto guide the designer of applications in the exploration of the operational architectures space. The objective of this thesis is to develop techniques for analysis and automatic synthesis of a valid operational architecture optimized with respect to the system performances. Our proposition is dedicated to the exploration of architectures space considering at the same time the four degrees of freedom determined during the deployment phase, (i) the placement of functional elements on the computing and communication resources of the execution platform, (ii) the partitioning of function elements into real time tasks and data signals into messages, (iii) the priority assignment to system tasks and messages and (iv) the assignment of shared data protection mechanism for periodic real-time systems. We are mainly interested in meeting temporal constraints and memory capacity of the target platform. In addition, we are focusing on the optimization of end-to-end latency and memory consumption. The design space exploration approaches presented in this thesis are based on the MILP (Mixed Integer Linear programming) optimization technique and concern at the same time time-driven and data-driven applications. Unlike many earlier approaches providing a partial solution to the deployment problem, our methods consider the whole deployment problem. The proposed approaches in this thesis are evaluated using both synthetic and industrial applications.

Le souhait d’augmenter la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique entraine une augmentation des parts des énergies volatiles et non pilotables, et rend donc l’équilibre offre-demande difficile à satisfaire. Une façon d’intégrer ces énergies dans le réseau électrique actuel est d’utiliser de petits moyens de production, de consommation et de stockage répartis sur tout le territoire pour compenser les sous ou sur productions. Afin que ces procédés puissent être intégrés dans le processus d’équilibre offre-demande, ils sont regroupés au sein d’une centrale virtuelle d’agrégation de flexibilité, qui est vue alors comme une centrale virtuelle. Comme pour tout autre moyen de production du réseau, il est nécessaire de déterminer son plan de production. Nous proposons dans un premier temps dans cette thèse une architecture et un mode de gestion pour une centrale d’agrégation composée de n’importe quel type de procédés. Dans un second temps, nous présentons des algorithmes permettant de calculer le plan de production des différents types de procédés respectant toutes leurs contraintes de fonctionnement. Et enfin, nous proposons des approches pour calculer le plan de production de la centrale d’agrégation dans le but de maximiser son gain financier en respectant les contraintes réseau. / The desire to increase the share of renewable energies in the energy mix leads to an increase inshare of volatile and non-controllable energy and makes it difficult to meet the supply-demand balance. A solution to manage anyway theses energies in the current electrical grid is to deploy new energy storage and demand response systems across the country to counter balance under or over production. In order to integrate all these energies systems to the supply and demand balance process, there are gathered together within a virtual flexibility aggregation power plant which is then seen as a virtual power plant. As for any other power plant, it is necessary to compute its production plan. Firstly, we propose in this PhD thesis an architecture and management method for an aggregation power plant composed of any type of energies systems. Then, we propose algorithms to compute the production plan of any types of energy systems satisfying all theirs constraints. Finally, we propose an approach to compute the production plan of the aggregation power plant in order to maximize its financial profit while complying with all the constraints of the grid.

O ambiente de produção abordado neste trabalho é o Job Shop Flexível (JSF), uma generalização do Job Shop (JS). O problema de programação de tarefas, ou jobs, no ambiente JS é classificado por Garey; Johnson e Sethi (1976) como NP-Difícil e o JSF é, no mínimo, tão difícil quanto o JS. O JSF é composto por um conjunto de jobs, cada qual constituído por operações. Cada operação deve ser processada individualmente, sem interrupção, em uma única máquina de um subconjunto de máquinas habilitadas. O principal critério de desempenho considerado é a minimização dos atrasos dos jobs. São apresentados modelos de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) para minimizar o atraso total e o instante de término da última operação, o makespan. São propostas novas regras de prioridade dos jobs, além de adaptações de regras da literatura. Tais regras são utilizadas por heurísticas construtivas e são aliadas a estratégias cujo objetivo é explorar características específicas do JSF. Visando aprimorar as soluções inicialmente obtidas, são propostas buscas locais e outros mecanismos de melhoria utilizados no desenvolvimento de três meta-heurísticas de diferentes categorias. Essas meta-heurísticas são: Iterated Local Search (ILS), classificada como meta-heurística de trajetória; Greedy Randomized Adaptive Search (GRASP), meta-heurística construtiva; e Artificial Bee Colony (ABC), meta-heurística populacional recentemente proposta. Esses métodos foram selecionados por alcançarem bons resultados para diversos problemas de otimização da literatura. São realizados experimentos computacionais com 600 instâncias do JSF, permitindo comparações entre os métodos de resolução. Os resultados mostram que explorar as características do problema permite que uma das regras de prioridade propostas supere a melhor regra da literatura em 81% das instâncias. As meta-heurísticas ILS, GRASP e ABC chegam a conseguir mais de 31% de melhoria sobre as soluções iniciais e a obter atrasos, em média, somente 2,24% superiores aos das soluções ótimas. Também são propostas modificações nas meta-heurísticas que permitem obter melhorias ainda mais expressivas sem aumento do tempo de execução. Adicionalmente é estudada uma versão do JSF com operações de Montagem e Desmontagem (JSFMD) e os experimentos realizados com um conjunto de 150 instâncias também indicam o bom desempenho dos métodos desenvolvidos. / The production environment addressed herein is the Flexible Job Shop (FJS), a generalization of the Job Shop (JS). In the JS environment, the jobs scheduling problem is classified by Garey; Johnson and Sethi (1976) as NP-Hard and the FJS is at least as difficult as the JS. FJS is composed of a set of jobs, each consisting of operations. Each operation must be processed individually, without interruption, in a single machine of a subset of enabled machines. The main performance criterion is minimizing the jobs tardiness. Mixed Integer Linear Programming (MILP) models are presented. These models minimize the total tardiness and the completion time of the last operation, makespan. New priority rules of jobs are proposed, as well as adaptations of rules from the literature. These rules are used by constructive heuristics and are combined with strategies aimed at exploiting specific characteristics of FSJ. In order to improve the solutions initially obtained, local searches and other improvement mechanisms are proposed and used in the development of metaheuristics of three different categories. These metaheuristics are: Iterated Local Search (ILS), classified as trajectory metaheuristic; Greedy Randomized Adaptive Search (GRASP), constructive metaheuristic, and Artificial Bee Colony (ABC), recently proposed population metaheuristic. These methods were selected owing to their good results for various optimization problems in the literature. Computational experiments using 600 FJS instances are carried out to allow comparisons between the resolution methods. The results show that exploiting the characteristics of the problem allows one of the proposed priority rules to exceed the best literature rule in about 81% of instances. Metaheuristics ILS, GRASP and ABC achieve more than 31% improvement over the initial solutions and obtain an average tardiness only 2.24% higher than the optimal solutions. Modifications in metaheuristics are proposed to obtain even more significant improvements without increased execution time. Additionally, a version called Disassembly and Assembly FSJ (DAFJS) is studied and the experiments performed with a set of 150 instances also indicate good performance of the methods developed.