Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-08-25Bitstream added on 2014-06-13T20:27:15Z : No. of bitstreams: 1 zviecovich_wg_me_ilha.pdf: 671253 bytes, checksum: fa917bf3d6aa15db73057717470be218 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) / A reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em alterar a topologia das redes através da abertura/fechamento das chaves de interconexão. Normalmente este procedimento é feito para fins de isolamento de faltas, minimização de perdas ativas, balanceamento de cargas entre alimentadores ou para melhoria dos níveis de tensão. Atingir estes objetivos é difícil, devido ao grande número de variáveis envolvidas e das restrições impostas, sendo a radialidade uma restrição de difícil representação matemática. Este problema pode ser classificado dentro dos problemas de programação não linear inteiro misto (PNLIM) e apresenta o fenômeno da explosão combinatória. Neste trabalho tem-se como principal objetivo o desenvolvimento de uma metaheurística chamada Busca em Vizinhança Variável para a reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica com respostas no planejamento da operação em função da razonalidade da carga. Verificamos que este método mostrou ser eficiente, pois através de uma metodologia simples, obteve-se resultados melhores em relação aos apresentados na literatura. / The network reconfiguration of electric power distribution consists of changing the topology of networks through the opening/closing of interconnection switches. This pro- cedure is usually done to isolate faught, reduction real power losses, balance the load among feeders or for improvement of tension levels. To reach these objectives is diffi- cult, due to the great number of involved variables and the imposed constraints, being the constraint of radial structure of difficult mathematical representation. This problem can be classified as nonlinar mixed integer programming problems and it presents the phenomenon of combinatorial explosion. The main objective og this work is to develop a metaheuristic called Variable Neighbourhood Search for network reconfiguration of elec- tric power distribution for operation planning based on rationality of load. This method showed to be efficient using a simple methodology, getting better results in relation to the presented in Literature.

Submitted by ALECIANA VASCONCELOS ORTEGA null (aleciana@gmail.com) on 2017-09-26T14:16:38Z No. of bitstreams: 1 tese completa.pdf: 2429935 bytes, checksum: d3859048243f82a938ffc7deb29377f0 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-09-28T12:47:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ortega_av_dr_ilha.pdf: 2429935 bytes, checksum: d3859048243f82a938ffc7deb29377f0 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-28T12:47:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ortega_av_dr_ilha.pdf: 2429935 bytes, checksum: d3859048243f82a938ffc7deb29377f0 (MD5) Previous issue date: 2017-09-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / As Redes Complexas podem descrever vários tipos de sistemas importantes através da representação dos grafos. Com o aumento da capacidade de processamento e armazenamento dos computadores, tornou-se possível o acesso e a análise de várias bases de dados de diversas áreas, o que permitiu a comparação de redes do mundo real com os modelos de redes já existentes. Essas redes complexas apresentam propriedades que são úteis nas análises dos mais diversos aspectos das redes e com os mais variados propósitos. O presente trabalho tem por objetivo investigar as propriedades estruturais e de funcionamento das redes de distribuição de energia, considerando suas diferentes topologias, a fim de definir um modelo através do uso de Redes Complexas com o propósito de analisar o comportamento da rede, considerando, características de desempenho, resiliência e identificação de falhas. Nesta tese foi utilizada uma rede padrão chamada de Rede Modelo de distribuição de energia elétrica a qual foi modelada e simulada para servir de referência para comparar as métricas da Rede de Distribuição da cidade de Ilha Solteira. Nestes modelos analisados, os transformadores referem-se aos vértices da rede enquanto que as ligações entre eles representam as arestas do grafo. Um fato importante na utilização dos modelos é a possibilidade de estudar e detectar qualquer característica dos relacionamentos e assim direcionar recursos para uma proposta. Os alimentadores analisados em questão comparados a rede padrão apresentada, tiveram um desempenho bom no que diz respeito a sua aplicação que puderam ser demonstrados através de suas propriedades ou métricas. O modelo adotado forneceu a característica real das redes analisadas. Pode-se perceber que conforme as redes aumentam o tamanho, o número de vértices se torna de baixo grau, o que possibilita o crescimento desta rede. Os estudos desenvolvidos nesta tese se tornam muito relevantes porque a análise da rede complexa permite a operadores e engenheiros praticidade na operação e gerência da rede, bem como, planejamento e otimização no uso de seus recursos. / Complex Networks can describe several types of important systems through the representation of graphs. With the increase in the processing and storage capacity of the computers, it became possible to access and analyze several databases from different areas, which allowed the comparison of real-world networks with existing network models. These complex networks present properties that are useful in the analysis of the most diverse aspects of the networks and for the most varied purposes. The objective of this work is to investigate the structural and operational properties of the energy distribution networks, considering their different topologies, in order to define a model through the use of Complex Networks with the purpose of analyzing the network behavior, considering characteristics Performance, resiliency, and fault identification. In this thesis was used a standard network called Model Electric Distribution Network which was modeled and simulated to serve as reference to compare the metrics of the Distribution Network of the city of Ilha Solteira. In these analyzed models, the transformers refer to the vertices of the network while the connections between them represent the edges of the graph. An important fact in the use of models is the possibility of studying and detecting any characteristic of relationships and thus directing resources to a proposal. The analyzed feeders in question compared to the standard network presented, had a good performance with respect to their application that could be demonstrated through their properties or metrics. The adopted model provided the real characteristic of the analyzed networks. It can be noticed that as the networks increase in size, the number of vertices becomes low-grade, which allows the growth of this network. The studies developed in this thesis become very relevant because the analysis of the complex network allows to the operators and engineers practicality in the operation and management of the network, as well as, planning and optimization in the use of its resources.

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Luiz Carlos Pereira da Silva / Resumo: A reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em alterar a topologia das redes através da abertura/fechamento das chaves de interconexão. Normalmente este procedimento é feito para fins de isolamento de faltas, minimização de perdas ativas, balanceamento de cargas entre alimentadores ou para melhoria dos níveis de tensão. Atingir estes objetivos é difícil, devido ao grande número de variáveis envolvidas e das restrições impostas, sendo a radialidade uma restrição de difícil representação matemática. Este problema pode ser classificado dentro dos problemas de programação não linear inteiro misto (PNLIM) e apresenta o fenômeno da explosão combinatória. Neste trabalho tem-se como principal objetivo o desenvolvimento de uma metaheurística chamada Busca em Vizinhança Variável para a reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica com respostas no planejamento da operação em função da razonalidade da carga. Verificamos que este método mostrou ser eficiente, pois através de uma metodologia simples, obteve-se resultados melhores em relação aos apresentados na literatura. / Abstract: The network reconfiguration of electric power distribution consists of changing the topology of networks through the opening/closing of interconnection switches. This pro- cedure is usually done to isolate faught, reduction real power losses, balance the load among feeders or for improvement of tension levels. To reach these objectives is diffi- cult, due to the great number of involved variables and the imposed constraints, being the constraint of radial structure of difficult mathematical representation. This problem can be classified as nonlinar mixed integer programming problems and it presents the phenomenon of combinatorial explosion. The main objective og this work is to develop a metaheuristic called Variable Neighbourhood Search for network reconfiguration of elec- tric power distribution for operation planning based on rationality of load. This method showed to be efficient using a simple methodology, getting better results in relation to the presented in Literature. / Mestre

A melhora da confiabilidade em redes de distribuição de energia elétrica é um tema importante para as indústrias de fornecimento de eletricidade, devido aos regulamentos estritos em muitos países. Depois de uma falha na rede, algumas chaves são usadas para isolar a falha, enquanto outras restauram a energia a alguns consumidores. A ótima seleção das chaves que serão abertas ou fechadas para restaurar a energia é conhecido como o problema de restauração de serviço. A instalação de chaves em posições estratégicas pode reduzir o tempo de parada, e assim melhorar a confiabilidade da rede. A seleção ótima de posições para instalar chaves é conhecido como o problema de alocação de chaves. Estes dois problemas estão relacionados estreitamente. Esta dissertação estuda o problema de alocação de chaves, considerando o problema de restauração de serviço como um subproblema. Dois métodos são propostos para estimar a confiabilidade de uma rede de distribuição com um conjunto dado de chaves instaladas. O foco principal está nas heurísticas para resolver o problema composto. Propõe-se aqui métodos como busca tabu, procedimento de busca gulosa adaptativa aleatória (sigla em inglês: GRASP), e procedimento iterativo de construção por amostras com reconexão de caminhos. Também estuda-se o benefício dos métodos de construção gulosa, semigulosa, aleatória e por amostras, e estuda-se o desempenho das estratégias de busca local por amostras, primeira melhoria e melhor melhoria. Os diferentes métodos são comparados e analisados. Os resultados mostram que os métodos por amostras são baratos e levam a soluções de boa qualidade. O procedimento iterativo de construção por amostras com reconexão de caminhos é o melhor método proposto para resolver o problema composto que é proposto nesta dissertação. / The improvement of reliability in electrical power distribution networks is an important issue for electricity supply industries, due to strict regulations in many countries. After a failure in the network, some switches are used to isolate the failure, while others restore the energy to some consumers. The optimal selection of the switches to open or close to restore energy is called the service restoration problem. The installation of switches in strategic places may reduce the outage time in case of blackouts, and thus improve the reliability of the network. The optimal selection of places to install switches is called the switch allocation problem. These two problems are closely related. This dissertation studies the switch allocation problem, considering the service restoration problem as a sub-problem. Two methods are proposed to estimate the reliability of a distribution network with a given set of installed switches. The main focus is in heuristics to solve the joint problem. It proposes methods like tabu search, greedy randomized adaptive search procedure, and iterated sample construction with path relinking. It also studies the benefit of greedy, semigreedy, random, and sample construction methods, and studies the performance of sample, first improvement and best improvement local search strategies. The different methods are compared and analyzed. The results show that sample approaches are inexpensive and lead to solutions of good quality. Iterated sample construction with path relinking is the best method to solve the joint problem that is proposed in this dissertation.

A simulaÃÃo das condiÃÃes de equilÃbrio hidrÃulico de uma rede de distribuiÃÃo à uma das principais etapas na anÃlise tÃcnica de sistemas de abastecimento de Ãgua. Para que os modelos simuladores reproduzam com fidelidade o escoamento do fluido na rede, à fundamental que os parÃmetros do sistema sejam identificados com precisÃo. Considerando o coeficiente de resistÃncia das tubulaÃÃes como a variÃvel de maior dificuldade de determinaÃÃo devido à sua caracterÃstica dinÃmica, à desenvolvida uma rotina computacional para calibraÃÃo da rugosidade absoluta ou do coeficiente de Hazen-Williams de redes de distribuiÃÃo, utilizando o mÃtodo dos algoritmos genÃticos como tÃcnica de otimizaÃÃo. O modelo de calibraÃÃo proposto permite a escolha de parÃmetros de cÃlculo dos algoritmos genÃticos, possibilitando uma anÃlise comparativa entre mÃtodos de substituiÃÃo de indivÃduos, operadores de seleÃÃo, mutaÃÃo e recombinaÃÃo (crossover), bem como uma avaliaÃÃo da influÃncia da quantidade de indivÃduos da populaÃÃo inicial na qualidade das soluÃÃes encontradas. Os resultados da calibraÃÃo realizada em uma rede hipotÃtica apontam as vantagens e desvantagens dos principais parÃmetros e operadores do mÃtodo dos algoritmos genÃticos, demonstrando que a pesquisa ampliou os conhecimentos sobre a tÃcnica, contribuindo para a sua aplicaÃÃo de forma mais eficiente. / Simulation of hydraulic equilibrium conditions on distribution network is fundamental to technically analyze water supply systems. In order to reproduce reliable results on fluids flow by using simulation models it is very important that the system parameters are precisely evaluated. Considering the resistance coefficient of pipes as the most difficult variable to be determined due to its dynamic characteristics, it was developed a computational routine to calibrate the absolute roughness or Hazen-Williams coefficient of distribution networks, by applying the genetic algorithms method as an optimization technique. The calibration model proposed allows the choice of genetic operators, making possible a comparative study among chromosomes replacement methods, selection, mutation and crossover operators, as well as evaluating the influence of initial population size on the solution quality found. The calibration results achieved in a hypothetical network pointed the advantages and disadvantages of the main parameters and operators of genetic algorithms method, demonstrating that the research made the technical knowledge on the subject broader, thus contributing to a more efficient application of the method.

O presente trabalho apresenta uma avaliação de otimização de um sistema complexo de adução de água tratada, em tempo real, com Algoritmos Genéticos (AG’s), associado a um sistema SCADA e a um modelo de simulação hidráulica de rede (Epanet 2.0). Foram utilizados registros históricos de consumos de água, considerados como previsão perfeita. O estudo de caso foi feito em uma parte do Sistema Adutor Metropolitano (SAM) de São Paulo para minimizar uma função multiobjetivo (custos de energia e restrições operacionais). Foram analisados seis cenários com diversas combinações de pesos, tamanhos da população, número de gerações e probabilidades de cruzamento e mutação. As estratégias de operação obtidas permitiram reduções de até 22% na potência consumida e uma redução expressiva do custo de energia pela redução dos bombeamentos nos horários de tarifas mais elevadas. / This work presentss an evaluation of optimization of real time operation of a complex water supply system. Genetic Algorithm associated with a SCADA system and a network hydraulic simulation model was applied. Observed historic consumptions were used as a perfect water demand forecast model. Case study is the optimization of a multiobjective function (energy cost and operational restrictions) subsystem of Water Mains System of São Paulo Metropolitan Region. Six representative combinations of population size, number of generations , crossover and mutation probabilities were analyzed, Operational schedule of pumping and valve controls led to reductions in power consumptions up to 22% and expressive lower operational costs due to reductions of pumping in eenrgy peak times.

Esta pesquisa diz respeito à proposta de usar a avaliação e gestão de risco como instrumento para controle da qualidade da água para consumo humano e operação de redes de distribuição. Em 2004 a Organização Mundial da Saúde - OMS - apresentou uma proposta abrangente para controle da qualidade da água denominada PSA, na qual foi indicado um processo sistemático para identificação de perigos e procedimentos de gestão e controle de riscos. Segundo a OMS, o maior benefício em se desenvolver planos desta natureza é a sistematização, avaliação detalhada e a priorização de perigos - além de monitoramento operacional através de múltiplas barreiras de controle. Este trabalho tem como objetivo examinar a pertinência de utilizar a avaliação de risco na operação de redes de distribuição e no controle da qualidade da água para consumo humano. Para tanto foi estudado como os conceitos de avaliação e de gestão de risco podem ser especificamente aplicados em redes de distribuição de água. Este estudo possibilitou a identificação e caracterização de variáveis relevantes, as quais possibilitaram definir critérios e parâmetros, a partir dos quais foi possível elaborar método para a avaliação de risco microbiológico em redes de distribuição de água, baseado nos estudos de Godfrey et. al. (2002) e Tibatemwa (2003). A avaliação e a validação do instrumento proposto foram feitas por meio de estudo de caso desenvolvido no sistema de abastecimento de água de Itatinga, cidade de pequeno porte situada no interior do Estado de São Paulo. O método proposto propiciou conhecer em detalhes como é feita a gestão da rede de distribuição de água, indicou situações de perigo e, principalmente, permitiu quantificar os referidos riscos. A partir da compreensão dos riscos avaliados, através do modelo foi possível observar o efeito sinérgico de determinadas intervenções, tais como a substituição de tubulações com elevada pontuação de risco. O método proposto mostrou ser eficaz na identificação e caracterização dos riscos microbiológicos que envolvem a operação e o controle da qualidade da água em redes de distribuição. / The basis of this study corresponds to using risk management and evaluation as a tool for the control of the quality of water for human consumption and operation of water distribution networks. The need for developing and implementing a new way to control the quality of water intended for human consumption is identified and debated in this research due to evident limitations of the current \"Final Product Analysis\" in assuring reliability of the water distributed to the population. In 2004, the World Health Organization - WHO presented a comprehensive proposal for water quality control denominated WSP, Water Safety Plan, in which a systematic process for identifying hazards, management procedures, and risk control is indicated. According to WHO, the greatest benefits of developing plans such as this one are systematization, detailed evaluation, and prioritizing hazards, besides the operational monitoring through the multi-barrier control. The objective of this research is to discuss the use of risk evaluation in water distribution networks and in the control of the quality of water for human consumption. The application of risk management and evaluation concepts in water distribution networks was investigated. Therefore, it was possible to identify and characterize relevant variables, which enabled to define criteria and parameters in order to develop a methodology to evaluate the microbiological risk in water distribution networks based on the studies of Godfrey et al. (2004) and Tibatemwa (2003). The assessment and validation of the measures proposed were done through the analysis of a case study conducted in a water supply station in Itatinga, a small town located in the province of São Paulo state. The methodology proposed allowed a thorough investigation of the management of water distribution networks, identified risks, and mainly it made possible to quantify those risks. Having evaluated the risks, the synergistic effect of some operations, such as the substitution of pipes associated with high risk, could be observed using the model. The methodology proved efficient at identifying and characterizing the microbiological risks involved in the operation and control of water quality in water distribution networks.

As mudanças físicas ocorridas ao longo do tempo requerem que os modelos hidráulicos de previsão de comportamento das redes de distribuição de água para abastecimento tenham seus parâmetros reavaliados periodicamente via calibração. Diversas são as dificuldades inerentes ao processo de calibração de redes reais, dentre as quais aquelas resultantes da precariedade dos cadastros, como a incerteza quanto à localização e condição de abertura de válvulas na rede. Muitos métodos de calibração foram propostos na literatura, geralmente com base em equações analíticas e técnicas de otimização diversas. Reconhece-se, entretanto, a necessidade de estimativas dos parâmetros da rede em termos das rugosidades e dos parâmetros locais da relação entre pressão e vazamento, para sistemas sujeitos a vazamentos expressivos. Propõe-se aqui um método de calibração em duas etapas em que os AGs (algoritmos genéticos) são empregados como ferramenta na resolução dos problemas inversos correspondentes, sendo os estudos realizados para setores de rede da cidade de São Carlos, SP, sobre os quais extensivos trabalhos de campo foram realizados. Foram desenvolvidos também estudos de investigação da melhor representação do problema via AGs e de localização de pontos ótimos de monitoramento. Os resultados demonstraram-se robustos em identificar rugosidades e trechos dotados de válvulas, bem como os parâmetros do modelo de vazamentos, além de indicar possibilidades de melhorias na eficiência dos AGs. Resultados obtidos a partir de considerações sobre técnicas de localização de pontos ótimos de monitoramento também foram considerados bons. / Continuous physical changes that occur in water supply networks along the years require their calibration in order to guarantee realistic forecasts through hydraulic models. There are many difficulties involved in water supply network calibration in terms of their parameters as results of many factors, amongst which the lack or uncertainty on data like location and status of valve openings in the network. Several calibration methods have been proposed in the literature, usually based on many analytical equations and optimization techniques. However, it was known the need of estimative of network parameters in proper form of roughnesses and local parameters of relation between pressure and leakage, for systems submitted to expressive leakages. This work proposes a method of calibration in two phases in which the GAs (genetic algorithms) are used as tools in the resolution of corresponding inverse problems, being the studies performed for sectors of the network of the city of São Carlos, SP, about which extensive field work had been done. It was developed, also, studies investigating of the best representation of problem through GAs and the localization of optimal points for monitoring. The results have showed themselves robust in the identification of roughnesses and sections having valves, as well as the parameters of leakage model, besides to indicate possibilities of improvements in GA\'s efficiency. The results that have been obtained from considerations aboutlocalization techniques of optimal points for monitoring were considered good as well.

In recent years, water utilities have placed a greater emphasis on the reliability and resilience of their water distribution networks. This focus has increased due to the continuing aging of such infrastructure and the potential threat of natural or man-made disruptions. As a result, water utilities continue to look for ways to evaluate the resiliency of their systems with a goal of identifying critical elements that need to be reinforced or replaced. The simulation of pipe breaks in water reliability studies is traditionally modeled as the loss of a single pipe element. This assumes that each pipe has an isolation valve on both ends of the pipe that can be readily located and operated under emergency conditions. This is seldom the case. The proposed methodology takes into account that multiple pipes may be impacted during a single failure as a result of the necessity to close multiple isolation valves in order to isolate the “segment” of pipes necessary to contain the leak. This document presents a simple graphical metric for use in evaluating the performance of a system in response to a pipe failure. The metrics are applied to three different water distribution systems in an attempt to illustrate the fact that different pipe segments may impact system performance in different ways. This information is critical for use by system managers in deciding which segments to prioritize for upgrades or replacement.

This thesis investigates methodologies for valuing the flexibility of demand-side response (DSR) in its ability to respond to future uncertainties. The ability to quantify this flexibility is especially important for energy systems investments given their large and irreversible capital costs. The consideration of uncertainty in electricity markets and energy networks requires solutions that allow decision makers to quickly respond to unexpected events, such as extreme short-term electricity price variations in an operational setting, or incorrect long-term demand projections in planning. This uncertainty, coupled with the irreversibility of energy network investments, results in the need for viable 'wait-and-see' investment strategies that can help hedge electicity price risk in the short-term while hedging planning risk in the long-term, until at least some, if not all, uncertainty is resolved. In both cases, this leads to an added value in the case of temporary flexible investment options like DSR, which may otherwise be considered unattractive under a deterministic analysis setting. A number of significant contributions to power systems research are offered in this work, focusing on valuation methods for quantifying the flexibility value of DSR under both short-term and long-term uncertainty. The first outcome of this research is an extensive review of current real options (RO) methods that clarifies the assumptions and utilization of RO for decision-making in engineering applications. It suggests that many of the assumptions used contribute to a misuse of the models when applied to physical systems. A framework for investing under uncertainty is proposed, where the methodologies, steps, inputs, assumptions, limitations and advantages of different RO models are described so as to offer a practical guide to decision makers for selecting the most appropriate RO model for their valuation purposes. The second outcome is the design of a probabilistic RO framework and operational model for DSR that quantifies its benefits as an energy service for hedging different market price risks. A mathematical formulation for applying “real options thinking” is presented that provides decision makers with a means of quantifying the value of DSR when both operational and planning decisions are subject to uncertainty. In particular, DSR contracts can have tremendous value as an arbitrage or portfolio-balancing tool, helping hedge almost entirely electricity price risk in day-ahead and real-time markets, especially when prices are highly volatile. This value is quantified using a novel RO framework that frees the decision maker from the assumptions needed in financial option models. A new load forecasting and price simulation model is also developed to forecast load profiles and simulate new price series with different average values, higher volatilities and extreme price spikes to represent potential future market scenarios and to determine under which conditions DSR has the most value. The valuation of a DSR investment is then presented to show how the physical characteristics of a system, in this case the physical load recovery effect of loads after a DSR activation, can tremendously affect the profitability of an investment when uncertainty is taken into account. The third outcome of this work is the development of a complete, general and practical tool for making long-term multi-staged investment decisions in future power networks under multiple uncertainties. It is argued throughout this work that many of the current methods are either unsuitable for long-term investment valuation or are too complex for practical application and implementation at the industry level. A strategic spreadsheet-based tool for making long-term investment decisions under uncertainty is therefore created and tested in collaboration with industry for solving real network planning problems.