[pt] Transmission switching já foi apresentado anteriormente como uma ferramenta capaz de prover benefícios significativos na operação de sistemas de potência, como redução de custos e aumento de confiabilidade. Dentro do contexto de mercados co-otimizados para energia e reservas, este trabalho endereça a co-otimização de transmission switching pós-contingência no planejamento da operação de sistemas elétricos. Os modelos propostos para programação diária e despacho econômico diferem de formulações existentes devido à consideração conjunta de três fatores complicadores. Primeiro, ações de transmission switching são consideradas nos estados pré e pós-contingência, portanto requerendo variáveis binárias pós-contingência. Adicionalmente, a programação de geradores e as ações de transmission switching são co-otimizadas. Além disso, a operação de geradores é caracterizada temporalmente em um contexto multi-período. Os modelos propostos são formulados como programas inteiros-mistos desafiadores para os quais os softwares comerciais comumente utilizados para modelos mais simples podem levar à intratabilidade até para instâncias de tamanho moderado. Como metodologia de solução, nós apresentamos uma versão aperfeiçoada de um algoritmo de geração de colunas e restrições aninhado, com a adição de restrições válidas para melhorar o desempenho computacional. Simulações numéricas demonstram o desempenho efetivo da abordagem proposta, assim como suas vantagens econômicas e operacionais sobre modelos existentes que desconsideram o transmission switching pós-contingência. / [en] Transmission switching has been previously shown to offer significant benefits to power system operation, such as cost savings and reliability enhancements. Within the context of co-optimized electricity markets for energy and reserves, this work addresses the co-optimization of post contingency transmission switching in power system operation planning. The proposed models for unit commitment and economic dispatch differ from existing formulations due to the joint consideration of three major complicating factors. First, transmission switching actions are considered both in the preand post-contingency states, thereby requiring binary post-contingency variables. Secondly, generation scheduling and transmission switching actions are co-optimized. In addition, the time coupled operation of generating units is precisely characterized. The proposed models are formulated as challenging mixed-integer programs for which the off-the-shelf software customarily used for simpler models may lead to intractability even for moderatelysized instances. As a solution methodology, we present enhanced versions of an exact nested column-and-constraint generation algorithm featuring the inclusion of valid constraints to improve the overall computational performance. Numerical simulations demonstrate the effective performance of the proposed approach as well as its economic and operational advantages over existing models disregarding post-contingency transmission switching.

[pt] Recentes apagões em todo o mundo fazem da confiabilidade de sistemas de potência, no tocante a contingências múltiplas, um tema de pesquisa mundial. Dentro desse contexo, se faz importante investigar métodos eficientes de proteger o sistema contra falhas de alguns de seus componentes, sejam elas dependentes e/ou independentes de outras falhas. Nesse sentido, se tornou crucial a incorporação de critérios de segurança mais rigorosos na operação e planejamento de sistemas de potência. Contingências múltiplas são mais comuns e desastrosas do que falhas naturais e independentes. A principal razão para isso reside na complexidade da estabilidade dinâmica de sistemas de potência. Além disso, o sistema de proteção que opera em paralelo ao sistema de distribuição não é livre de falhas. Portanto, interrupções naturais podem causar contingências em cascata em decorrência do mau funcionamento de mecanismos de proteção ou da instabilidade do sistema elétrico como um todo. Nesse contexto, se dá a motivação pela busca de critérios de segurança mais severos como, por exemplo, o n - K, onde K pode ser maior do que 2. Nesse trabalho, o principal objetivo é incorporar o crtitério de segurança geral n-K para geração e transmissão em modelos de operação e planejamento de sistemas de potência. Além de interrupções em geradores, restrições de rede, bem como falhas em linhas de transmiss˜ao também são modeladas. Esse avanço leva a novos desafios computacionais, para os quais formulamos metodologias de solução eficientes baseadas em decomposição de Benders. Considerando operação, duas abordagens são apresentadas. A primeira propõe um modelo de otimização trinível para decidir o despacho ótimo de energia e reservas sob um critério de segurançaa n - K. Nessa abordagem, a alta dimensionalidade do problema, por contemplar restrições de rede, bem como falhas de geradores e de linhas de transmissão, é contornada por meio da implícita consideração do conjunto de possíveis contingências. No mesmo contexto, a segunda abordagem leva em conta a incerteza da carga a ser suprida e a correlação entre demandas de diferentes barras. Considerando planejamento de expansão da transmissão, outro modelo de otimização trinível é apresentado no intuito de decidir quais linhas de transmissão, dentro de um conjunto de candidatas, devem ser construídas para atender a um critério de segurança n - K e, consequentemente, aumentar a confiabilidade do sistema como um todo. Portanto, as principais contribuições do presente trabalho são as seguintes: 1) modelos de otimização trinível para considerar o critério de segurança n - K em operação e planejamento de sistemas de potência, 2) consideração implícita de todo o conjunto de contingências por meio de uma abordagem de otimização robusta ajustável, 3) otimização conjunta de energia e reserva para operação de sistemas de potência, considerando restrições de rede e garantindo a entregabilidade das reservas em todos os estados pós-contingência considerados, 4) metodologias de solução eficientes baseadas em decomposição de Benders que convergem em passos finitos para o ótimo global e 5) desenvolvimento de restrições válidas que alavancam a eficiência computacional. Estudos de caso ressaltam a eficácia das metodologias propostas em capturar os efeitos econômicos de demanda nodal correlacionada sob um critério de segurançaa n - 1, em reduzir o esfor¸co computacional para considerar os critérios de seguran¸ca convencionais n-1 e n-2 e em considerar critérios de segurança mais rigorosos do que o n - 2, um problema intratável até então. / [en] Recent major blackouts all over the world have been a driving force to make power system reliability, regarding multiple contingencies, a subject of worldwide research. Within this context, it is important to investigate efficient methods of protecting the system against dependent and/or independent failures. In this sense, the incorporation of tighter security criteria in power systems operation and planning became crucial. Multiple contingencies are more common and dangerous than natural independent faults. The main reason for this lies in the complexity of the dynamic stability of power systems. In addition, the protection system, that operates in parallel to the supply system, is not free of failures. Thus, natural faults can cause subsequent contingencies (dependent on earlier contingencies) due to the malfunction of the protection mechanisms or the instability of the overall system. These facts drive the search for more stringent safety criteria, for example, n - K, where K can be greater than 2. In the present work, the main objective is to incorporate the joint generation and transmission general security criteria in power systems operation and planning models. Here, in addition to generators outages, network constraints and transmission lines failures are also accounted for. Such improvement leads to new computational challenges, for which we design efficient solution methodologies based on Benders decomposition. Regarding operation, two approaches are presented. The first one proposes a trilevel optimization model to decide the optimal scheduling of energy and reserve under an n - K security criterion. In such approach, the high dimensionality curse of considering network constraints as well as outages of generators and transmission assets is withstood by implicitly taking into account the set of possible contingencies. The second approach includes correlated nodal demand uncertainty in the same framework. Regarding transmission expansion planning, another trilevel optimization model is proposed to decide which transmission assets should be built within a set of candidates in order to meet an n - K security criterion, and, consequently, boost the power system reliability. Therefore, the main contributions of this work are the following: 1) trilevel models to consider general n - K security criteria in power systems operation and planning, 2) implicit consideration of the whole contingency set by means of an adjustable robust optimization approach, 3) co-optimization of energy and reserves for power systems operation, regarding network constraints and ensuring the deliverability of reserves in all considered post-contingency states, 4) efficient solution methodologies based on Benders decomposition that finitely converges to the global optimal solution, and 5) development of valid constraints to boost computational efficiency. Case studies highlight the effectiveness of the proposed methodologies in capturing the economic effect of nodal demand correlation on power system operation under an n - 1 security criterion, in reducing the computational effort to consider conventional n-1 and n-2 security criteria, and in considering security criteria tighter than n - 2, an intractable problem heretofore.

[pt] Esta dissertação está estruturada como uma coleção de cinco artigos formatados em capítulos. Os quatro primeiros artigos apresentam contribuições em modelagem e metodológicas para problemas de operação ou investimento em sistemas de potência usando arcabouço de otimização robusta adaptativa e modificações no algoritmo de geração de linhas e colunas (CCGA). O primeiro artigo aborda a programação de curto prazo com restrição de segurança, onde a resposta automática de geradores é considerada. Um modelo robusto de dois estágios é adotado, resultando em complexas instâncias de programação inteira mista, que apresentam variáveis binárias associadas às decisões de primeiro e segundo estágios. Um novo CCGA que explora a estrutura do problema é desenvolvido. O segundo artigo usa redes neurais profundas para aprender o mapeamento das demandas nodais aos pontos de ajuste dos geradores para o problema do primeiro artigo. O CCGA é usados para garantir a viabilidade da solução. Este método resulta em importantes ganhos computacionais em relação ao primeiro artigo. O terceiro artigo propõe uma abordagem adaptativa em dois estágios para um modelo robusto de programação diária no qual o conjunto de incerteza poliedral é caracterizado diretamente a partir dos dados de geração não despachável observados. O problema resultante é afeito ao CCGA. O quarto artigo propõe um modelo de dois estágios adaptativo, robusto em distribuição para expansão de transmissão, incorporando incertezas a longo e curto prazo. Um novo CCGA é desenvolvido para lidar com os subproblemas. Finalmente, sob uma perspectiva diferente e generalista, o quinto artigo investiga a adequação de prêmios de incentivo para promover inovações em aspectos teóricos e computacionais para os desafios de sistemas de potência modernos. / [en] This dissertation is structured as a collection of five papers formatted as chapters. The first four papers provide modeling and methodological contributions in scheduling or investment problems in power systems using the adaptive robust optimization framework and modifications to the column-and-constraint-generation algorithm (CCGA). The first paper addresses the security-constrained short-term scheduling problem where automatic primary response is considered. A two-stage robust model is adopted, resulting in complex mixed-integer linear instances featuring binary variables associated with first- and second-stage decisions. A new tailored CCGA which explores the structure of the problem is devised. The second paper uses deep neural networks for learning the mapping of nodal demands onto generators set point for the first paper s model. Robust-based modeling approaches and the CCGA are used to enforce feasibility for the solution. This method results in important computational gains as compared to results of the first paper. The third paper proposes an adaptive data-driven approach for a two-stage robust unit commitment model, where the polyhedral uncertainty set is characterized directly from data, through the convex hull of a set of previously observed non-dispatchable generation profiles. The resulting problem is suitable for the exact CCGA. The fourth paper proposes an adaptive two-stage distributionally robust transmission expansion model incorporating long- and short-term uncertainties. A novel extended CCGA is devised to tackle distributionally robust subproblems. Finally, under a different and higher-level perspective, the fifth paper investigates the adequacy of systematic inducement prizes for fostering innovations in theoretical and computational aspects for various modern power systems challenges.