155 research outputs found

    Particle Swarm Optimization: Basic Concepts, Variants and Applications in Power Systems

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    Many areas in power systems require solving one or more nonlinear optimization problems. While analytical methods might suffer from slow convergence and the curse of dimensionality, heuristics-based swarm intelligence can be an efficient alternative. Particle swarm optimization (PSO), part of the swarm intelligence family, is known to effectively solve large-scale nonlinear optimization problems. This paper presents a detailed overview of the basic concepts of PSO and its variants. Also, it provides a comprehensive survey on the power system applications that have benefited from the powerful nature of PSO as an optimization technique. For each application, technical details that are required for applying PSO, such as its type, particle formulation (solution representation), and the most efficient fitness functions are also discussed

    Energy Management of Prosumer Communities

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    The penetration of distributed generation, energy storages and smart loads has resulted in the emergence of prosumers: entities capable of adjusting their electricity production and consumption in order to meet environmental goals and to participate profitably in the available electricity markets. Significant untapped potential remains in the exploitation and coordination of small and medium-sized distributed energy resources. However, such resources usually have a primary purpose, which imposes constraints on the exploitation of the resource; for example, the primary purpose of an electric vehicle battery is for driving, so the battery could be used as temporary storage for excess photovoltaic energy only if the vehicle is available for driving when the owner expects it to be. The aggregation of several distributed energy resources is a solution for coping with the unavailability of one resource. Solutions are needed for managing the electricity production and consumption characteristics of diverse distributed energy resources in order to obtain prosumers with more generic capabilities and services for electricity production, storage, and consumption. This collection of articles studies such prosumers and the emergence of prosumer communities. Demand response-capable smart loads, battery storages and photovoltaic generation resources are forecasted and optimized to ensure energy-efficient and, in some cases, profitable operation of the resources

    Intelligent power system operation in an uncertain environment

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    This dissertation presents some challenging problems in power system operations. The efficacy of a heuristic method, namely, modified discrete particle swarm optimization (MDPSO) algorithm is illustrated and compared with other methods by solving the reliability based generator maintenance scheduling (GMS) optimization problem of a practical hydrothermal power system. The concept of multiple swarms is incorporated into the MDPSO algorithm to form a robust multiple swarms-modified particle swarm optimization (MS-MDPSO) algorithm and applied to solving the GMS problem on two power systems. Heuristic methods are proposed to circumvent the problems of imposed non-smooth assumptions common with the classical approaches in solving the challenging dynamic economic dispatch problem. The multi-objective combined economic and emission dispatch (MO-CEED) optimization problem for a wind-hydrothermal power system is formulated and solved in this dissertation. This MO-CEED problem formulation becomes a challenging problem because of the presence of uncertainty in wind power. A family of distributed optimal Pareto fronts for the MO-CEED problem has been generated for different scenarios of capacity credit of wind power. A real-time (RT) network stability index is formulated for determining a power system\u27s ability to continue to provide service (electric energy) in a RT manner in case of an unforeseen catastrophic contingency. Cascading stages of fuzzy inference system is applied to combine non real-time (NRT) and RT power system assessments. NRT analysis involves eigenvalue and transient energy analysis. RT analysis involves angle, voltage and frequency stability indices. RT Network status index is implemented in real-time on a practical power system --Abstract, page iv

    Stochastic power system optimisation algorithm with applications to distributed generation integration

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    PhD ThesisThe ever increasing level of penetration of Distributed Generation (DG) in power distribution networks is not without its challenges for network planners and operators. Some of these challenges are in the areas of voltage regulation, increase of network fault levels and the disturbance to the network protection settings. Distributed generation can be beneficial to both electricity consumers and if the integration is properly engineered the energy utility. Thus, the need for tools considering these challenges for the optimal placement and sizing of DG units cannot be over emphasized. This dissertation focuses on the application of a soft computing technique based on a stochastic optimisation algorithm (Particle Swarm Optimisation or PSO) for the integration of DG in a power distribution network. The proposed algorithm takes into consideration the inherent nature of the control variables that comprise the search space in the optimal DG sizing/location optimisation problem, without compromising the network operational constraints. The developments of the proposed Multi-Search PSO algorithm (MSPSO) is described, and the algorithm is tested using a standard, benchmarking 69-bus radial distribution network. MSPSO results and performance are compared with that of a conventional PSO algorithm (and other analytical and stochastic methods). Both single-objective (minimising network power loss) and multi-objective (considering nodal voltages as part of the cost function) optimisation studies were conducted. When compared with previously published studies, the proposed MSPSO algorithm produces more realistic results since it accounts for the discrete sizes of commercially available DG units. The new MSPSO algorithm was also found to be the most computationally efficient, substantially reducing the search space and hence the computational cost of the algorithm compared with other methods, without loss of quality in the obtained solutions. As well as the size and location of DG units, these studies considered the operation of the generators to provide ancillary voltage support to the network (i.e. with the generators operating over a realistic range of lagging power factors, injecting reactive power into the network). The algorithm was also employed to optimise the integration of induction generation based DG into the network, considering network short-circuit current ratings and line loading constraints. A new method for computing the reactive power requirement of the Abstract V induction generator (based on the machine equivalent circuit) was developed and interfaced with the MSPSO to solve the optimization problem, including the generator shunt compensation capacitors. Finally, the MSPSO was implemented to carry out a DG integration problem for a real distribution network and the results validated using a commercial power system analysis tool (ERACS).Petroleum Technology Development Fund (PTDF) Overseas Scholarship Schem

    Convergence of Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems

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    This book is a collection of published articles from the Sensors Special Issue on "Convergence of Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems". It includes extended versions of the conference contributions from the 10th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS’2019), Metz, France, as well as external contributions

    Power System Stability Assessment and Enhancement using Computational Intelligence

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    The main objective of the dissertation is to develop a fast and robust tool for assessment of power system stability and design a framework for enhancing system stability. The proposed framework is - based on the investigation of the dynamic behavior of the system - a market based rescheduling strategy that increases the stability margin. The dissertation specifically puts emphasis on the following approached: Power System Stability Evaluation: System stability is investigated by simulating a set of critical contingencies to determine whether the disturbances will result in any unsafe operating conditions and extract the necessary information to classify system states. The classification is based on the computation of the critical fault clearing time (CCT) for transient stability assessment (TSA) and the minimum damping of oscillation (MDO) for power system oscillatory stability assessment (OSA). The customary method of power system transient stability analysis including time-domain simulation (TDS) is used to compute the CCT at each critical contingency and Prony analysis as an efficient identification technique to estimate the mode parameters from the actual time response. The use of Prony analysis is to account for the effects of the change in location of the small disturbances as well as the increase in system nonlinearity on oscillating modes. Fast Power System Stability Assessment Tool: An artificial neural network (ANN) is designed to serve as accurate and fast tool for dynamic stability assessment (DSA). Fast response of ANN allows system operators to take suitable control actions to enhance the system stability and to forestall any possible impending breakup of the system. Two offline trained ANN are designed to map the dynamic behavior by relating the selected input features and the calculated CCT (as indicator for transient stability) and MDO (as indicator for oscillatory stability). Input features of ANN are selected to characterize the following: Changes in system topology and power distributions due to outage of major equipment such as transmission line, generation unit or large load Change in fault location and the severity of the fault Variation in loading levels and load allocation among market participants The features are generated for a wide range of loading at each expected system topology. Initial feature sets are pre-selected by engineering judgment based on experience in power system operation. In order to improve the accuracy of ANN to map the power system dynamic behavior, final selection is performed in the following three steps. In the first step, the generators terminal voltage drops immediately after fault are selected features to characterize the severity of the contingency with respect to the generators and to detect the fault location. In the second step, new features based on the inertia constant and the generated power in each area are calculated to characterize the changes in system topology and power flow pattern during normal and abnormal operation. In the third step, a systematic clustering feature selection technique is used to select the most important features that characterize the load levels and the power flow through lines from the mathematical viewpoint. The results prove the suitability of ANN in DSA with a reasonable degree of accuracy. Dynamic Stability Enhancement: To achieve online dynamic stability enhancement an online market based rescheduling strategy is proposed in the deregulated power systems. In case of power system operation by a centralized pool in vertically integrated electric utilities, generation rescheduling based sensitivity analysis is proposed. In the proposed market for deregulated power systems, the transactions among suppliers and consumers participating in the market are reallocated based on optional power bids to enhance system stability in case the available control actions are insufficient to enhance system stability. All participants are allowed to submit voluntary power bids to increase or decrease their scheduled level with equal chance. These bids represent the offered power quantity and the corresponding price. The goal of the framework is to enhance system stability with minimum additional and opportunity costs arising from the rescheduling. In case of vertically integrated electric utility, generation rescheduling based sensitivity analysis is used to enhance the system stability. The sensitivity analysis is based on the generators response following the most probable contingency. The generators are split into critical machines with positive sensitivity and non-critical machines with negative sensitivity. The change of the generation level among critical and non-critical machines provides the trajectories for stabilization procedure. The re-allocation of power among generators in each group is calculated based on the generator capacities and inertia constant, which simplifies the optimization procedure and speeds up the iterative to find a feasible solution. The objective is to minimize the increase in the cost due to rescheduling process. Particle swarm optimization is used as an optimization tool to search for the optimal solution to enhance the system stability with a minimum cost. The handling of all system constraints including stability constraints is achieved using a self-adaptive penalty function. Comparison strategy for selecting the best individuals during the optimization process is proposed where the feasible solutions are ever preferable during selection of local and global best particles.Die Schwerpunkte der Dissertation liegen in der Entwicklung eines schnellen und robusten Echtzeit-Bewertungsinstruments für Stabilitätsuntersuchungen in elektrischen Energienetzen und in dem Entwurf von Rahmenbedingungen zur Verbesserung der Systemstabilität. Basierend auf Untersuchungen bezüglich des dynamischen Verhaltens von elektrischen Energienetzen ist das Ziel der vorgeschlagenen Rahmenbedingungen, eine Planungsstrategie zu entwickeln, die marktwirtschaftlich ausgerichtet ist, um so die Stabilitätsgrenze zu verbessern und die erforderliche Systemsicherheit zu gewährleisten. Die dynamische Stabilität von elektrischen Energienetzen wurde bezogen auf die transiente und oszillatorische Stabilität untersucht, welche zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens des Systems während Netzstörungen genutzt wird. Das Ziel der Dissertation ist die folgenden Aspekte zu untersuchen: Evaluierung der Dynamischen Stabilität: Die dynamische Stabilität ist durch die Simulation von kritischen Netzereignissen untersucht worden. Ziel war es, Störungen zu ermitteln, die zu kritischen oder gar unsicheren Betriebszuständen führen, und wichtige Beurteilungsparameter über den Zustand des Netzes auszuwählen. Die Beurteilungsparameter über den Zustand des elektrischen Energienetzes sind unter Verwendung der kritischen Fehlerklärungszeit als Indikator für die transiente Stabilität und der minimalen Dämpfung von Oszillationen als Indikator für die ozillatorische Stabilität ermittelt worden. Die übliche Methode bei einer transienten Stabilitätsanalyse in elektrischen Energienetzen basiert auf Simulationen im Zeitbereich und wird unter der Verwendung von vordefinierten netzkritischen Ereignissen genutzt, um die kritische Fehlerklärungszeit präzise zu berechnen. Die Prony-Analyse als eine effiziente Identifizierungstechnik wird zur Schätzung der Zustandsparameter auf eine einer Störung folgenden Zeitantwort verwendet. Der Gebrauch der Prony-Analyse erfasst die Veränderungen im Fehlerort von kleinen Störungen und einen Anstieg von Systemnichtlinearitäten im oszillatorischen Modus. Die mit Hilfe der Modalanalyse berechneten Parameter für den oszillatorischen Modus werden als Referenzsignale während des Abstimmens der Parameter der Prony-Analyse verwendet. Ziel ist die Verbesserung der Identifizierung des Systemmodus. Schnelles Bewertungswerkzeug für die dynamische Stabilität: Ein präzises und schnelles Werkzeug für die Bewertung von dynamischer Stabilität wurde mit Hilfe von künstlichen, neuronalen Netzen entwickelt. Die schnelle Antwort eines künstlichen, neuronalen Netzes ermöglicht es dem Netzbetreiber, geeignete fehlerbehebende Schalthandlungen während kritischer Netzereignisse durchzuführen. So kann die Stabilität des elektrischen Netzes gewährleistet und bevorstehende Netzausfälle verhindert werden. Zwei offline trainierte künstliche neuronale Netze sind entwickelt worden, um a) das dynamische Verhalten unter Verwendung ausgewählter Eingangseigenschaften und b) die berechnete kritische Fehlerklärungszeit als Indikator für die transiente Stabilität und die minimale Dämpfung der Oszillationen als Indikator für ozillatorische Stabilität abzubilden. Künstliche, neuronale Netze bieten vielversprechende Lösungen für schnelle Berechnungen bei online Anwendungen. Als Folge kann die hohe Anzahl an Berechnungen, die zur Untersuchung aller zu erwartenden kritischen Netzereignissen in elektrischen Energienetzen benötigt werden, schnell durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Bewertung der Systemzustände des elektrischen Netzes und eine Initiierung der zu erwartenden Schalthandlungen, um so die Systemstabilität zu verbessern. Für eine genaue Bewertung der dynamischen Stabilität sollten die Eingangseigenschaften für das künstliche, neuronale Netz sorgfältig ausgewählt werden. In dieser Arbeit sind die Eingangseigenschaften aus den gesamten Systemdaten ausgewählt worden, um die folgenden Eigenschaften kennzuzeichnen: i. Veränderungen in der Systemtopologie und des Lastflusses durch Ausfälle oder planmäßige Wartungen von Hauptkomponenten des Systems, wie zum Beispiel Übertragungsleitungen, Erzeugereinheiten oder großen Lasten ii. Veränderungen des Fehlerortes und des Einflusses des Fehlers auf die elektrischen Komponenten iii. Laständerungen und Lastaufteilung zwischen Netzversorgern Die Eingangseigenschaften wurden für viele, unterschiedliche Lastszenarien in Verbindung mit den zu erwartenden Netztopologien erzeugt. Die Anfangsbedingungen sind auf Grund von Erfahrungen mit dem Betrieb von elektrischen Energienetzen und bedingt durch das zu schätzende Ziel vorausgewählt. Die endgültige Auswahl der Eingangseigenschaften ist in drei Schritte unterteilt, um so die Genauigkeit des künstlichen, neuronalen Netzes zu erhöhen, welches die dynamische Stabilität des Energienetzes abbildet. Im ersten Schritt sind die Generatorklemmenspannungseinbrüche direkt nach der Netzstörung die wichtigen ausgewählten Eigenschaften. Hierdurch wird die Schwere des kritischen Netzereignisses aus der Sicht der Erzeugungseinheit gekennzeichnet und die Fehlerstelle lokalisiert. In dem zweiten Schritt werden neue Eingangseigenschaften basierend auf der Massenträgheitskonstante des Systems und der erzeugten Leistung in jedem Gebiet berechnet. So können Veränderungen in der Netztopologie und des Lastflusses unter normalen und gestörten Betriebsbedingungen gekennzeichnet werden. Im dritten Schritt wird eine systematische Cluster-Bildung der Eigenschaften genutzt, um so die wichtigsten Eigenschaften auszuwählen, die Aussagen über die Lastzustände und den Lastfluss über die Leitungen zulassen. Alle ausgewählten Eigenschaften repräsentieren das Eingangsmuster, wobei das Ausgangsmuster der Index der dynamischen Stabilitätsanalyse ist. Die Ergebnisse stellen die Eignung des künstlichen, neuronalen Netzes bei der Bewertung der dynamischen Stabilität dar. Verbesserung der dynamischen Stabilität: Eine online Verbesserung der dynamischen Stabilität kann durch eine vorgeschlagene marktwirtschaftliche Neuplanung des deregulierten Energiesystems und durch eine Neuplanung der Erzeugungseinheiten basierend auf der Empfindlichkeitsanalyse im Falle des Betriebs des Energienetzes durch eine zentrale Einheit erreicht werden. In dem vorgeschlagenen Markt für deregulierte Energiesysteme wird im Falle, dass vorgesehenen Schalthandlungen das Netz nicht in einen stabilen Zustand zurückbringen kann, die Energie zwischen Versorgern und Verbrauchern basierend auf optionalen Leistungsgeboten umgeschichtet. Alle Erzeuger und Verbraucher sind berechtigt an diesem Markt durch freiwillige Leistungsgebote teilzunehmen, um so ihre geplante Menge chancengleich zu erhöhen oder zu verkleinern. Diese Gebote der Marktteilnehmer repräsentieren die angebotene Leistungsmenge und den darauf bezogenen Preis. Teilnehmer, von denen es verlangt ist, Erzeugung oder Verbrauch zu reduzieren, werden für diese Möglichkeit zur Reduzierung bezahlt. So kann der Verlust der Serviceleistung kompensiert werden, während Teilnehmer, deren Leistung erhöht wird, durch den Marktpreis plus zusätzlicher Kosten für zusätzliche Veränderungen entlohnt werden. Das Ziel dieser Rahmenbedingungen ist eine Verbesserung der Systemstabilität kombiniert mit einem Minimum an zusätzlichen Kosten auftretend durch die Neuplanung. Im Falle eines zentralen Energiemarktes wird die Neuplanung der Erzeuger basierend auf der Empfindlichkeitsanalyse durchgeführt, um so eine Verbesserung der Systemstabilität zu erreichen. Die Empfindlichkeitsanalyse bezieht sich auf die Systemantwort des Generators während des belastbarsten kritischen Netzereignisses. Dieses kritische Netzereignis trennt die Erzeugungseinheiten a) in kritische Maschinen, die eine positive Empfindlichkeit besitzen, und b) in nicht-kritische Maschinen mit einer negativen Empfindlichkeit. Die Einteilung in kritische und nicht-kritische Maschinen ermöglicht eine Lösung für die Stabilisierung des Systems. Die Verteilung der verschobenen Leistung zwischen den Generatoren in jeder Gruppe wird unter Verwendung der Generatorleistungen und der Massenträgheitskonstanten berechnet. Dies erleichtert den Optimierungsalgorithmus und beschleunigt das Erhalten einer möglichen Lösung. Das Ziel ist die Minimierung der Erhöhung der Kosten für die absolut erzeugte Leistung auf Grund der Abweichung vom wirtschaftlichen Arbeitspunkt. In dieser Arbeit wird die Particle Swarm Optimierung als Werkzeug verwendet, um damit eine optimale Lösung mit den minimalen Kosten zu erlangen. Dadurch kann eine Verbesserung der dynamischen Stabilität des elektrischen Energienetzes unter Berücksichtigung aller systembedingten Nebenbedingungen erlangt werden. Die Handhabung aller systembedingten Nebenbedingungen inklusive der Nebenbedingungen der dynamischen Stabilität kann durch eine selbstanpassende Straffunktion erreicht werden

    Intelligent Control of Solar LED Street Lamp Based on Adaptive Fuzzy PI Control

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    As road traffic develops, energy-saving and efficient street lights have become a key research field for relevant professionals. To reduce street lights energy consumption, a fireworks algorithm is used to optimize the membership function parameters of fuzzy control and the initial parameters of PI control. A fireworks algorithm improved adaptive fuzzy PI solar LED street light control system is designed. The results showed that in the calculation of Root-mean-square deviation and Mean absolute error, the Root-mean-square deviation of the adaptive fuzzy PI control system improved by the fireworks algorithm was 0.213, 0.258, 0.243, 0.220, and the Mean absolute error was 0.143, 0.152, 0.154, 0.139, respectively, which proved that the prediction accuracy was high and the stability was good. In the calculation of the 1-day power consumption of the solar LED intelligent control system, the average power consumption of the designed solar LED intelligent control system was about 2000W, which was 25.9%, 47.4%, and 42.9% lower than the other three control methods, respectively. This proves that its energy consumption is low, and its heat generation is low, and the battery service life is long. The research and design of an adaptive fuzzy PI control solar LED street light intelligent control system has good performance, which can effectively achieve intelligent management and energy conservation and emission reduction in smart cities

    MATLAB

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    A well-known statement says that the PID controller is the "bread and butter" of the control engineer. This is indeed true, from a scientific standpoint. However, nowadays, in the era of computer science, when the paper and pencil have been replaced by the keyboard and the display of computers, one may equally say that MATLAB is the "bread" in the above statement. MATLAB has became a de facto tool for the modern system engineer. This book is written for both engineering students, as well as for practicing engineers. The wide range of applications in which MATLAB is the working framework, shows that it is a powerful, comprehensive and easy-to-use environment for performing technical computations. The book includes various excellent applications in which MATLAB is employed: from pure algebraic computations to data acquisition in real-life experiments, from control strategies to image processing algorithms, from graphical user interface design for educational purposes to Simulink embedded systems
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