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O desafio atual para a regulação e fiscalização dos serviços públicos de distribuição de energia elétrica é incentivar a melhoria da qualidade nos serviços, promovendo uma melhor satisfação dos usuários, e garantir que sejam criados incentivos à expansão do setor. Devido à sua extensão e à diversidade de suas instalações, aliadas à regulação ainda em consolidação, a função das agências reguladoras e fiscalizadoras ainda depende da discricionariedade para a resolução de alguns problemas isolados, compreendidos ou não pelo arcabouço legal constituído para o setor. Devido a estes fatores, além da própria limitação física das agências, torna-se fundamental e imprescindível uma ferramenta de apoio à fiscalização. O sistema proposto neste trabalho está baseado nas regras atuais de fiscalização exercidas pelas agências de fiscalização de energia elétrica. Compreende as áreas de atendimento comercial, fiscalização econômico-financeira, informações da engenharia de distribuição, mercado energético, operação e manutenção das redes de distribuição, informações de planejamento, qualidade do fornecimento, segurança e monitoração dos níveis de tensão, parte dos requisitos para a avaliação global da qualidade dos serviços prestados, exercício fundamental para garantir que a fiscalização exerça a sua função primordial: controlar e fazer cumprir as regras definidas pela regulação. / The current challenge for the electric energy distribution utilities regulation and fiscalization is to stimulate the improvement of the quality in the services, promoting better satisfaction of the customers, and to guarantee that incentives to the expansion of the sector are created. Due to its extension and diversity of its installations, allied to the regulation still in consolidation, the function of the Brazilian regulation and fiscalization agencies still depends on the discretionary power for the resolution of some isolated problems, understood or not for the sector law outline constituted. These factors, beyond the proper physical limitation of the agencies, a support tool becomes essential and indispensable to the fiscalization. The developed system in this project is based on the current rules of fiscalization exerted by the electric energy fiscalization agencies. It includes the areas of commercial attendance, economic-financier fiscalization, distribution engineering information, energy market, operation and maintenance of the power distribution systems, corporate plan information, power supply quality, security and supervision of the tension levels, requirement parts for the global evaluation of the public services quality, basic exercise to guarantee the fiscalization primordial function: to control and to make implement the regulation defined rules.

Atualmente, o setor elétrico se prepara para o terceiro ciclo de revisões tarifárias das distribuidoras. Com o cenário regulatório mais consolidado em termos de definição da receita requerida, os agentes estão voltando suas atenções para a necessária adequação e correção da estrutura de tarifas. De fato, a ANEEL definiu temas para os projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) considerados estratégicos para o desenvolvimento do setor elétrico nacional, dentre eles, o de Estrutura Tarifária. Recentemente, a agência também divulgou consultas públicas que tratam da alocação dos custos de referência que formam as tarifas, dos sinais de preço e das tarifas para os consumidores atendidos em BT. Em sintonia com a discussão atual do setor de distribuição de energia elétrica, a tese defendida neste trabalho procura analisar a metodologia de cálculo das tarifas, sistematizando um conhecimento disperso em várias referências bibliografias. Para isso são discutidos os principais aspectos da teoria de precificação de ponta, abrangendo as abordagens americana, britânica e francesa, e pesquisada a conexão entre a lógica embutida na alocação horária dos custos e os critérios de dimensionamento do sistema de distribuição de energia elétrica. Visando refletir os custos decorrentes do atendimento de cada tipo de consumidor, indicando o melhor aproveitamento do sistema elétrico de distribuição, são apresentadas propostas de aprimoramentos e inovação cujos destaques são a mudança de paradigma da alocação dos custos de expansão somente no horário de ponta do sistema, a definição ex-post dos postos tarifários, a agregação média dos custos horários para formar as tarifas de referência dos postos tarifários e um estudo de caso com a aplicação da metodologia sobre as curvas de carga abstraídas do possível efeito do sinal tarifário existente. A tese defendida neste trabalho busca provar, então, que a metodologia atual, embora desenhada na época em que o setor elétrico era verticalizado, pode ser adaptada segundo os aprimoramentos e inovações propostas e, assim, aplicada ao ambiente atual no qual as empresas e as tarifas estão segregadas. / Currently, the electric energy sector is preparing for the third round of the distributors tariff revisions. Since the regulatory environment is more consolidated in terms of required revenue, the agents are turning their attention to the necessary adjustment and correction of the tariff structure. In fact, ANEEL (regulatory agency) set topics for R&D projects considered strategic for the development of national energy sector, among them, the Tariff Structure Project. Recently, the regulatory agency also announced public hearings dealing with the costs allocation, price signals and tariffs for low-voltage consumers. In line with this debate, the thesis finds to analyze the methodology for calculating tariffs, systematizing knowledge dispersed in various references. For this, it discusses the major aspects of peak pricing theory, including American, British and French approaches, and researches the connection between the logic built into the costs allocation by hour and the criteria for electricity distribution system planning. Aiming to reflect the costs of each customer type, indicating a better utilization of the distribution system, are proposed improvements and innovation whose highlights are: shifting the idea that expansion costs should be only allocated in peak time of the system, setting the periods after calculating the costs, changing how to derive the reference charges by average aggregation of the costs and applying the methodology on altered load curves. Finally, this thesis seeks to prove that the current methodology, although designed by the time in which the electricity sector was aggregated, can be adapted according to the proposed improvements and innovations, and thus applied to the current environment in which electric energy businesses and tariffs are separated in generation, transmission, and distribution and retail areas.

O presente trabalho tem por objetivo propor uma metodologia de estimação de estado (EE) para sistemas de distribuição de energia que auxilie na identificação das regiões de fornecimento das concessionárias de distribuição que possam conter perdas não técnicas, de modo a orientar as ações para sua redução. As perdas não técnicas de energia elétrica são um grande desafio não só no Brasil como também em outros países em desenvolvimento. Face à dificuldade e ao custo para fiscalizar anualmente toda a área de concessão, faz-se necessário um diagnóstico para avaliar em quais grupos de clientes e regiões encontram-se este tipo de perda. Destarte, fica evidenciada a necessidade do desenvolvimento de uma ferramenta que, além de tratar de uma modelagem completa do sistema, utilize informações provenientes de medições diversas. Para isso, a estimação de estado se torna a metodologia ideal. A metodologia utilizada na estimação de estados foi a dos Mínimos Quadrados Ponderados (do inglês, Weighted Least Squares - WLS) (Schweppe & Wildes, 1970) e algumas técnicas foram aplicadas para permitir a EE em sistemas de distribuição, tais como a utilização da corrente complexa dos trechos como variáveis de estado, que decompõe a estimação de estados em três subproblemas, um para cada fase, permitindo a utilização de uma modelagem trifásica da rede e a introdução de pseudomedidas obtidas dos dados de faturamento dos clientes através de um processo estatístico. O trabalho apresenta exemplos de aplicação, sendo estes em sistemas de distribuição reais, mostrando os resultados obtidos e termina destacando as principais vantagens da metodologia. / This work focuses on the development of a distribution system state estimation (SE) algorithm for application to radial distribution networks which assists the identification of regions of the distribution network containing non-technical energy losses, helping the electric utilities to evaluate and reduce it. Non-technical energy losses represent an important challenge for distribution companies in developing countries, such as Brazil. However, economical limitations and measurement problems make impossible to have a perfect picture of the complete system, then a diagnoses method is required to evaluate which group of consumers and the regions have that type of loss. Therefore, is evidenced the necessity of a tool development which, farther on using the complete system modeling, works with information from various measurement instruments. Consequently, the SE becomes the ideal method. The SE applied is the Weighted Least Square approach (WLS) (Schweppe & Wildes, 1970) and some techniques where applied to allow the SE for distribution systems, such as, using the branch currents as the system state, which decouples the state estimation problem into three sub problems, one for each phase, allowing the three phase system modelling and the introduction of pseudo measurements from historical load data produced based on customer billing data through statistical processes. This work shows the results obtained by applying the computational tool to a real distribution system. Such results are compared with the ones obtained by using other methodologies, and the main advantages of this new methodology are outlined.

Com a reestruturação do modelo do setor elétrico brasileiro, a partir do Projeto RE-SEB, as empresas de distribuição de energia elétrica no Brasil tiveram que se adequar às novas regras de mercado, bem como alterar a sua maneira de administrar a empresa. Com o conceito de regulação por incentivos e competição por mercado, e não competição no mercado, novos mecanismos de mitigação de riscos de mercado foram introduzidos no modelo do setor elétrico, de tal forma que as empresas de distribuição de energia elétrica sejam ressarcidas de maneira justa pelo serviço prestado à sociedade. Diante desse contexto, a gestão eficiente da empresa e, conseqüentemente, o fato de atingir as metas de desempenho pré-estabelecidas pela alta administração de cada distribuidora depende cada vez mais do conhecimento das regras de mercado por seus colaboradores, bem como da utilização dos mecanismos de mitigação de riscos de mercado das distribuidoras. Assim, esse trabalho pretende analisar os principais mecanismos de mitigação de riscos de mercado das distribuidoras envolvidos no processo de repasse dos custos de aquisição de energia elétrica às tarifas dos consumidores finais, bem como avaliar os dispositivos previstos na regulamentação legal, inserindo um estudo de caso que analisa o portfólio de contratação de uma empresa de distribuição de energia elétrica fictícia, simulando variações nos níveis de contratação da mesma bem como no portfólio, avaliando a utilização dos mecanismos de mitigação de riscos de mercado e as alternativas simuladas, como também identificando os pontos de sucesso e os pontos a serem melhorados na gestão e contratação da distribuidora. / As the restructuring of the model of the Brazilian electric sector, with the Project RE-SEB, the electric energy distribution companies in Brazil had to adjust themselves to the new rules of the market, as well as modify their way of manage the company. As the concept of regulation for incentives (price cap model) and competition by market, and not competition in the market, new mechanisms to reduce the risks of the market had been introduced in the model of the electric sector, in such a way that the electric energy distribution companies receive a fair revenue for the service delivered to the society. In this perspective, the efficient management of the company and, consequently, the fact of reaching the goals in the performance targets established by the high administration, depends on the deep knowledge of the rules of market by its technical team , as well as the use of the mechanisms to reduce the risks of the market of the distribution utilities. In this way, this work intends to analyze (i) the main mechanisms available to the distribution companies in order to mitigate the market risks in the process of contract energy supply and to pass-though such costs to the final consumers, as well as (ii) evaluate the rules implemented in the legal regulation framework. Furthermore, to illustrate the analysis, a case study was developed focusing the contract portfolio of a fictitious distribution company, simulating variations in the contracted energy volume as well as in the portfolio composition, evaluating the uses of the mitigation mechanisms of the market risks and solution alternatives to minimize such risks, searching for improvements that could be made in the management strategy of energy supply contracting.

The use of electric propulsion for spacecraft primary propulsion, attitude control and station-keeping is ever-increasing as the technology matures and is qualified for flight. In addition, alternative propellants are under investigation, which have the potential to offer systems-level benefits that can enable particular classes of missions. Condensable propellants, particularly iodine, have the potential to significantly reduce the propellant storage system volume and mass. Some of the most widely used electric thrusters are electrostatic thrusters, which require a thermionic hollow cathode electron source to ionize the propellant for the main discharge and for beam neutralization. Failure of the hollow cathode, which often needs to operate for thousands of hours, is one of the main life-limiting factors of an electrostatic propulsion system. Common failure modes for hollow cathodes include poisoning or evaporation of the thermionic emitter material and erosion of electrodes due to sputtering. The mechanism responsible for the high energy ion production resulting in sputtering is not well understood, nor is the compatibility of traditional thermionic hollow cathodes with alternative propellants such as iodine. This work uses both an emissive probe and Langmuir probe to characterize the near-plume of several hollow cathodes operating on both xenon and iodine by measuring the plasma potential, plasma density, electron temperature and electron energy distribution function (EEDF). Using the EEDF the reaction rate coefficients for relevant collisional processes are calculated. A low current (< 5 A discharge current) hollow cathode with two different hexaboride emitters, lanthanum hexaboride (LaB6) and cerium hexaboride (CeB6), was operated on xenon propellant. The plasma potential, plasma density, electron temperature, EEDF and reaction rate coefficients were measured for both hexaboride emitter materials at a single cathode orifice diameter. The time-resolved plasma potential measurements showed low frequency oscillations (<100 kHz) of the plasma potential at low cathode flow rates (<4 SCCM) and spot mode operation between approximately 5 SCCM and 7 SCCM. The CeB6 and LaB6 emitters behave similarly in terms of discharge power (keeper and anode voltage) and plasma potential, based on results from a cathode with a 0.020�-diameter. Both emitters show almost identical operating conditions corresponding to the spot mode regime, reaction rates, as well as mean and RMS plasma potentials for the 0.020� orifice diameter at a flow rate of 6 SCCM and the same discharge current. The near-keeper region plasma was also characterized for several cathode orifice diameters using the CeB6 emitter over a range of propellant flow rates. The spot-plume mode transition appears to occur at lower flow rates as orifice size is increased, but has a minimum flow rate for stable operation. For two orifice diameters, the EEDF was measured in the near-plume region and reaction rate coefficients calculated for several electron- driven collisional processes. For the cathode with the larger orifice diameter (0.040�), the EEDFs show higher electron temperatures and drift velocities. The data for these cathodes also show lower reaction rate coefficients for specific electron transitions and ionization. To investigate the compatibility of a traditional thermionic emitter with iodine propellant, a low-power barium oxide (BaO) cathode was operated on xenon and iodine propellants. This required the construction and demonstration of a low flow rate iodine feed system. The cathode operating conditions are reported for both propellants. The emitter surface was inspected using a scanning electron microscope after various exposures to xenon and iodine propellants. The results of the inspection of the emitter surface are presented. Another low current (< 5 A), BaO hollow cathode was operated on xenon and iodine propellants. Its discharge current and voltage, and plume properties are reported for xenon and iodine with the cathode at similar operating conditions for each. The overall performance of the BaO cathode on iodine was comparable to xenon. The cathode operating on iodine required slightly higher power for ignition and discharge maintenance compared to xenon, as evident by the higher keeper and anode potentials. Plasma properties in the near- plume region were measured using an emissive probe and single Langmuir probe. For both propellants, the plasma density, electron energy distribution function (EEDF), electron temperature, select reaction rate coefficients and time-resolved plasma potentials are reported. For both propellants the cathode operated the same keeper (0.25 A) and discharge current (3.1 A), but the keeper and anode potentials were higher with iodine; 27 V and 51 V for xenon, and 30 V and 65 V for iodine, respectively. For xenon, the mean electron energy and electron temperature were 7.5 eV and 0.7 eV, with bulk drift energy of 6.6 eV. For iodine, the mean electron energy and electron temperature were 6.3 eV and 1.3 eV, with a bulk drift energy of 4.2 eV. A literature review of relevant collisional processes and associated cross sections for an iodine plasma is also presented.

"The development of Retarding Potential Analyzers (RPAs) capable of measuring high-density stationary and flowing plasmas is presented. These new plasma diagnostics address the limitations of existing RPAs and can operate in plasmas with electron densities in excess of 1x1018 m-3. Such plasmas can be produced by high-powered Hall Thrusters, Pulsed Plasma Thrusters (PPTs), and other plasma sources. The Single-Channel micro-Retarding Potential Analyzer (SC-microRPA) developed has a minimum channel diameter of 200 microns, electrode spacing on the sub-millimeter scale and can operate in plasmas with densities of up to 1x1017 m-3. The electrode series consists of 100 micron thick molybdenum electrodes and Teflon insulating spacers. The alignment process of the channel, as well as the design and fabrication of the stainless steel outer housing, the Delrin insulating tube, and all other microRPA components are detailed. To expand the applicability of the SC-microRPA to densities above 1x1018 m-3 a low transparency Microchannel Plate (MCP) has been incorporated in the design of a Multi-Channel micro-Retarding Potential Analyzer (MC-microRPA). The current collection theory for the SC-microRPA and the MC-microRPA is also derived. The theory is applicable to microRPAs with arbitrary channel length to diameter ratios and accounts for the reduction of ion flux due to the microchannel plate in the case of the MC-microRPA, due to absorption of ions by channel walls, and due to the applied potential. Current-voltage curves are obtained for incoming plasma flows that range from near-stationary to hypersonic, with temperatures in the range of 0.1 to 10 eV, and densities in the range of 1x1015 m-3 to 1x1021 m-3. The SC-microRPA current collection theory is validated by comparisons with the classical RPA theory and particle-in-cell simulations. Determination of unknown plasma properties is based on a fuzzy-logic approach that uses the generated current-voltage curves as lookup tables."

As redes elétricas inteligentes significam um novo paradigma de fornecimento de energia, cuja concepção integra várias áreas de concentração, novas funcionalidades e funções até então não realizáveis, bem como uma pluralidade de tecnologias e a necessidade de infraestrutura de apoio para a sua realização. A transição das redes elétricas atuais para o modelo de rede inteligente constitui-se num processo complexo, que envolve aspectos técnicos, econômicos, regulatórios e sociológicos. Esta pesquisa visa contribuir significativamente para a solução dessa questão pela proposição das bases conceituais para realizar efetivamente um plano de implementação, respeitando condições vigentes e impostas por cenários de outros setores. O modelo proposto, centrado na expansão da automação, lança as bases para a análise dos impactos da rede elétrica inteligente, para a formulação, análise e seleção de alternativas de implementação. É introduzido o conceito e forma de avaliação de uma rede por meio da definição de um índice de inteligência de uma rede elétrica, composto de vários indicadores, de forma a expressar padrões de eficiência energética e operativa, aspectos de gestão de ativos e da qualidade do serviço. A proposta de alternativas para evolução da automação se baseia em um conjunto de funções pré-estabelecidas, que melhoram os indicadores de desempenho e apresentam custos e benefícios quantificáveis. / The smart grids mean a new paragon for energy supply, whose concept integrates several areas of concentration, functionalities and functions non achievable up to now, as well as a plurality of technologies and the need of supporting infrastructure for its accomplishment. The transition of the present electrical networks to the smart grid model constitutes a complex process, which involves technical, economical, regulatory and sociological aspects. This research aims to contribute significantly to the solution of this issue by proposing the conceptual basis for effectively perform an implementation plan taking into account the constraints imposed by scenarios from other sectors. The proposed model, focused in automation expansion, launches the basis for the impact analysis of Smart Grid in order to formulate, analyze and selection alternatives of implementation. The concept and evaluation method of grid through the definition of a grid intelligence index, composed by several indicators is introduced in order to express standards of energy and operational efficiency, asset management and quality of supply. The proposal of alternatives for automation evolution is based on a set of pre established functions, which improve the performance indicators and present valuable costs and benefits.

O presente trabalho tem por objetivo propor uma metodologia de estimação de estado (EE) para sistemas de distribuição de energia que auxilie na identificação das regiões de fornecimento das concessionárias de distribuição que possam conter perdas não técnicas, de modo a orientar as ações para sua redução. As perdas não técnicas de energia elétrica são um grande desafio não só no Brasil como também em outros países em desenvolvimento. Face à dificuldade e ao custo para fiscalizar anualmente toda a área de concessão, faz-se necessário um diagnóstico para avaliar em quais grupos de clientes e regiões encontram-se este tipo de perda. Destarte, fica evidenciada a necessidade do desenvolvimento de uma ferramenta que, além de tratar de uma modelagem completa do sistema, utilize informações provenientes de medições diversas. Para isso, a estimação de estado se torna a metodologia ideal. A metodologia utilizada na estimação de estados foi a dos Mínimos Quadrados Ponderados (do inglês, Weighted Least Squares - WLS) (Schweppe & Wildes, 1970) e algumas técnicas foram aplicadas para permitir a EE em sistemas de distribuição, tais como a utilização da corrente complexa dos trechos como variáveis de estado, que decompõe a estimação de estados em três subproblemas, um para cada fase, permitindo a utilização de uma modelagem trifásica da rede e a introdução de pseudomedidas obtidas dos dados de faturamento dos clientes através de um processo estatístico. O trabalho apresenta exemplos de aplicação, sendo estes em sistemas de distribuição reais, mostrando os resultados obtidos e termina destacando as principais vantagens da metodologia. / This work focuses on the development of a distribution system state estimation (SE) algorithm for application to radial distribution networks which assists the identification of regions of the distribution network containing non-technical energy losses, helping the electric utilities to evaluate and reduce it. Non-technical energy losses represent an important challenge for distribution companies in developing countries, such as Brazil. However, economical limitations and measurement problems make impossible to have a perfect picture of the complete system, then a diagnoses method is required to evaluate which group of consumers and the regions have that type of loss. Therefore, is evidenced the necessity of a tool development which, farther on using the complete system modeling, works with information from various measurement instruments. Consequently, the SE becomes the ideal method. The SE applied is the Weighted Least Square approach (WLS) (Schweppe & Wildes, 1970) and some techniques where applied to allow the SE for distribution systems, such as, using the branch currents as the system state, which decouples the state estimation problem into three sub problems, one for each phase, allowing the three phase system modelling and the introduction of pseudo measurements from historical load data produced based on customer billing data through statistical processes. This work shows the results obtained by applying the computational tool to a real distribution system. Such results are compared with the ones obtained by using other methodologies, and the main advantages of this new methodology are outlined.

Atualmente, o setor elétrico se prepara para o terceiro ciclo de revisões tarifárias das distribuidoras. Com o cenário regulatório mais consolidado em termos de definição da receita requerida, os agentes estão voltando suas atenções para a necessária adequação e correção da estrutura de tarifas. De fato, a ANEEL definiu temas para os projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) considerados estratégicos para o desenvolvimento do setor elétrico nacional, dentre eles, o de Estrutura Tarifária. Recentemente, a agência também divulgou consultas públicas que tratam da alocação dos custos de referência que formam as tarifas, dos sinais de preço e das tarifas para os consumidores atendidos em BT. Em sintonia com a discussão atual do setor de distribuição de energia elétrica, a tese defendida neste trabalho procura analisar a metodologia de cálculo das tarifas, sistematizando um conhecimento disperso em várias referências bibliografias. Para isso são discutidos os principais aspectos da teoria de precificação de ponta, abrangendo as abordagens americana, britânica e francesa, e pesquisada a conexão entre a lógica embutida na alocação horária dos custos e os critérios de dimensionamento do sistema de distribuição de energia elétrica. Visando refletir os custos decorrentes do atendimento de cada tipo de consumidor, indicando o melhor aproveitamento do sistema elétrico de distribuição, são apresentadas propostas de aprimoramentos e inovação cujos destaques são a mudança de paradigma da alocação dos custos de expansão somente no horário de ponta do sistema, a definição ex-post dos postos tarifários, a agregação média dos custos horários para formar as tarifas de referência dos postos tarifários e um estudo de caso com a aplicação da metodologia sobre as curvas de carga abstraídas do possível efeito do sinal tarifário existente. A tese defendida neste trabalho busca provar, então, que a metodologia atual, embora desenhada na época em que o setor elétrico era verticalizado, pode ser adaptada segundo os aprimoramentos e inovações propostas e, assim, aplicada ao ambiente atual no qual as empresas e as tarifas estão segregadas. / Currently, the electric energy sector is preparing for the third round of the distributors tariff revisions. Since the regulatory environment is more consolidated in terms of required revenue, the agents are turning their attention to the necessary adjustment and correction of the tariff structure. In fact, ANEEL (regulatory agency) set topics for R&D projects considered strategic for the development of national energy sector, among them, the Tariff Structure Project. Recently, the regulatory agency also announced public hearings dealing with the costs allocation, price signals and tariffs for low-voltage consumers. In line with this debate, the thesis finds to analyze the methodology for calculating tariffs, systematizing knowledge dispersed in various references. For this, it discusses the major aspects of peak pricing theory, including American, British and French approaches, and researches the connection between the logic built into the costs allocation by hour and the criteria for electricity distribution system planning. Aiming to reflect the costs of each customer type, indicating a better utilization of the distribution system, are proposed improvements and innovation whose highlights are: shifting the idea that expansion costs should be only allocated in peak time of the system, setting the periods after calculating the costs, changing how to derive the reference charges by average aggregation of the costs and applying the methodology on altered load curves. Finally, this thesis seeks to prove that the current methodology, although designed by the time in which the electricity sector was aggregated, can be adapted according to the proposed improvements and innovations, and thus applied to the current environment in which electric energy businesses and tariffs are separated in generation, transmission, and distribution and retail areas.