Practical energy-saving in 3G femtocells

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Control Strategies for Improving Energy Efficiency and Reliability in Autonomous Microgrids with Communication Constraints

Microgrids are a feasible path to deploy smart grids, an intelligent and highly automated power system. Their operation demands a dedicated communication infrastructure to manage, control and monitor the intermittent sources of energy and loads. Therefore, smart devices will be connected to support the growth of grid smartness increasing the dependency on communication networks, which consumes a high amount of power. In an energy-limited scenario, one of the main issues is to enhance the power supply time. Therefore, this paper proposes a hybrid methodology for microgrid energy management, integrated with a communication infrastructure to improve and to optimize islanded microgrid operation at maximum energy efficiency. The hybrid methodology applies some control management rules, such as intentional load shedding, priority load management, and communication energy saving. These energy saving rules establish a trade-off between increasing microgrid energy availability and communication system reliability. To achieve a compromised solution, a continuous time Markov chain model describes the impact of energy saving policies into system reliability. The proposed methodology is simulated and tested with the help of the modified IEEE 34 node test-system.Postprint (published version

Análise da Interoperabilidade de Sistemas de Comunicações Móveis na Operação e Controle Resiliente de Microrredes.

O grau de inteligência atribuído a um sistema elétrico é diretamente proporcional à quantidade de informações coletadas através de seus sensores em tempo real, atuando através de uma integração da rede elétrica com as redes de comunicações de forma robusta, confiável e flexível. A modernização do sistema passa por várias etapas, desde a integração de sistemas de energia distribuídos, sistemas de armazenamento, à operação desconectada. Neste contexto, as microrredes, com as suas próprias unidades de geração de energia e cargas controladas, podendo trabalhar ilhadas ou conectadas à rede de energia principal, são consideradas essenciais para o desenvolvimento da próxima geração do sistema elétrico. A operação em modo ilhado, durante algum evento de falha ou desastre natural, permite que o sistema opere em cenários adversos, tais como falta de energia na rede principal, fornecimento de energia independente do sistema principal nos horários de pico devido a preços elevados de energia e, principalmente, para o fornecimento de energia em áreas remotas. No entanto, a operação de microrredes em modo ilhado requer uma maior atenção devido ao risco de interrupção, pois a capacidade de geração de energia é limitada. Consequentemente, as microrredes devem ser dotadas de sistemas capazes de gerir e controlar todas as fontes de recursos energéticos, a fim de manter o fornecimento de energia o maior tempo possível para os usuários conectados a microrredes. Essa gestão de energia é uma tarefa complicada e ambiciosa e exige a integração com um sistema de comunicação altamente robusto e confiável. Comunicações sem fio são flexíveis, escalonáveis e cobrem todos os requisitos necessários para suprir as necessidades das futuras aplicações inteligentes. A rede elétrica inteligente pode ser considerada como uma grande rede de sensores conectados, gerando um elevado número de informações, com várias máquinas trocando informações, com uma grande variedade de dispositivos conectados para controle e monitoramento do sistema. Todavia, a investigação e análise desta grande rede de sensores na operação resiliente do sistema de energia se faz necessária. Novas metodologias de controle e gestão de energia devem ser investigadas, bem como a influência e restrição de tecnologias de comunicação para prover conectividade ao sistema. Tendo em vista esta complexa integração, faz-se necessária uma análise precisa dos requisitos e parâmetros essenciais para o funcionamento de redes de comunicações aplicadas a sistemas operando em modo ilhado. Neste trabalho, são propostas metodologias para a gestão e controle de energia da microrrede com uma infraestrutura de comunicação robusta para maximizar e otimizar a operação em modo ilhado. Para amenizar a influência do consumo de cargas de comunicação durante o ilhamento, regras de controle são criadas para otimizar a resiliência, bem como fornecer energia pelo maior tempo possível. A análise do impacto do grande número de dispositivos conectados e as restrições impostas pelas diferentes tecnologias são analisadas, assim como regras de gestão de troca de mensagens entre dispositivos com o objetivo de prover a maior robustez ao sistema. O intuito deste trabalho é contribuir com o estudo da operação otimizada de microrredes

Resource management techniques for sustainable networks with energy harvesting nodes

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICThis dissertation proposes novel techniques for assigning resources of wireless networks by considering that the coverage radii are small, implying that some power consumption sinks not considered so far shouldnow be introduced, and by considering that the devices are battery-powered terminals provided with energy harvesting capabilities. In this framework, two different configurations in terms of harvesting capabilities are considered. First, we assume that the energy source is external and not controllable, e.g. solar energy. In this context, the proposed design should adapt to the energy that is currently being harvested. We also study the effect of having a finite backhaul connection that links the wireless access network with the core network. On the other hand, we propose a design in which the transmitter feeds actively the receivers with energy by transmitting signals that receivers use for recharging their batteries. In this case, the power transfer design should be carried out jointly with the power control strategy for users that receive information as both procedures, transfer of information and transfer of power, are implemented at the transmitter and make use of a common resource, i.e., power. Apart from techniques for assigning the radio resources, this dissertation develops a procedure for switching on and off base stations. Concerning this, it is important to notice that the traffic profile is not constant throughout the day. This is precisely the feature that can be exploited to define a strategy based on a dynamic selection of the base stations to be switched off when the traffic load is low, without affecting the quality experienced by the users. Thanks to this procedure, we are able to deploy smaller energy harvesting sources and smaller batteries and, thus, to reduce the cost of the network deployment. Finally, we derive some procedures to optimize high level decisions of the network operation in which variables from several layers of the protocol stack are involved. In this context, admission control procedures for deciding which user should be connected to which base station are studied, taking into account information of the average channel information, the current battery levels, etc. A multi-tier multi-cell scenario is assumed in which base stations belonging to different tiers have different capabilities, e.g., transmission power, battery size, end energy harvesting source size. A set of strategies that require different computational complexity are derived for scenarios with different user mobility requirements.Aquesta tesis doctoral proposa tècniques per assignar els recursos disponibles a les xarxes wireless considerant que els radis de cobertura són petits, el que implica que altres fonts de consum d’energia no considerades fins al moment s’hagin d’introduir dins els dissenys, i considerant que els dispositius estan alimentats amb bateries finites i que tenen a la seva disposició fonts de energy harvesting. En aquest context, es consideren dues configuracions diferents en funció de les capacitats de l’energia harvesting. En primer lloc, s’assumirà que la font d’energia és externa i incontrolable com, per exemple, l’energia solar. Els dissenys proposats han d’adaptar-se a l’energia que s’està recol·lectant en un precís moment. En segon lloc, es proposa un disseny en el qual el transmissor és capaç d’enviar energia als receptors mitjançant senyals de radiofreqüència dissenyats per aquest fi, energia que és utilitzada per recarregar les bateries. A part de tècniques d’assignació de recursos radio, en aquesta tesis doctoral es desenvolupa un procediment dinàmic per apagar i encendre estacions base. És important notar que el perfil de tràfic no és constant al llarg del dia. Aquest és precisament el patró que es pot explotar per definir una estratègia dinàmica per poder decidir quines estaciones base han de ser apagades, tot això sense afectar la qualitat experimentada pels usuaris. Gràcies a aquest procediment, es possible desplegar fonts d'energy harvesting més petites i bateries més petites. Finalment, aquesta tesis doctoral presenta procediments per optimitzar decisions de nivell més alt que afecten directament al funcionament global de la xarxa d’accés. Per prendre aquestes decisions, es fa ús de diverses variables que pertanyen a diferents capes de la pila de protocols. En aquest context, aquesta tesis aborda el disseny de tècniques de control d’admissió d’usuaris a estacions base en entorns amb múltiples estacions base, basant-se amb la informació estadística dels canals, i el nivell actual de les bateries, entre altres. L'escenari considerat està format per múltiples estacions base, on cada estació base pertany a una família amb diferents capacitats, per exemple, potència de transmissió o mida de la bateria. Es deriven un conjunt de tècniques amb diferents costos computacionals que són d'utilitat per a poder aplicar a escenaris amb diferents mobilitats d’usuaris.Award-winningPostprint (published version