[pt] Este trabalho envolve o desenvolvimento de um modelo de compensador estático do tipo reator saturado e sua implementação no programa de estabilidade transitória TRANSTAB, implantado no computador CYBER 170-835 da PUC/RJ. O modelo é composto por bancos de capacitores fixos, responsáveis pela geração de reativos, em paralelo com o reator saturado, responsável pela absorção de reativos. São obtidos em primeiro lugar as equações do modelo e, a partir destas, elabora-se o diagrama de blocos a ser implementado no programa. Vários testes (simulações digitais) são realizados utilizando sistemas de potência, sob condição de distúrbio. Os resultados obtidos são então comparados com outros da literatura e a partir daí se comprova a validade do modelo desenvolvido. Com a conclusão deste trabalho, o programa TRANSTAB passa a dispor de dois tipos de compensadores estáticos: Reator Saturado e Reator Controlado por Tiristores. / [en] The model comprises fixed capacitor banks, for the generation of reactive power, in parallel with the saturated reactor, for the absortion of reactive power. The model equations are obtained in first place and from them the block diagram is developed for implementation in the program. Tests are carried out (digital simulations) using power systems under disturbance conditions. The results are then compared with others from the literature to access the validity of the model. With the conclusion of this work the TRANSTAB program stay with two types of static compensators: Saturated Reactor Type and Thyristor Controled Reactor.

[pt] Programas de estabilidade transitória são ferramentas indispensáveis no planejamento e na operação de sistemas de potência. Compensadores estáticos têm por objetivo o controle de tensão em regime permanente e a melhoria da estabilidade transitória e dinâmica. São equipamentos modernos que encontram no sistema de transmissão brasileiro um vasto campo de aplicação. Este trabalho envolveu a implementação de um programa de estabilidade transitória (TRANSTAB) no computador CYBER 170-853 da PUC/RJ e a inclusão neste programa de um modelo de compensadores estáticos tipo reator controlador por tiristores e de uma rotina de geração de relatórios de saída. O TRANSTAB faz uso das mais modernas técnicas de simulação e está fartamente documentado ao longo deste trabalho. São feitas sugestões de inclusão de modelos que visam adequar o programa ao sistema elétrico brasileiro. Foi realizada uma rápida revisão acerca dos tipos, aplicados e princípios de funcionamento dos compensadores estáticos. O seu sistema de controle foi objeto de uma análise mais detalhada principalmente nos aspectos com a sua representação e modelagem em estudos de estabilidade. / [en] A transient stability program is a very important tool for power system planning and operation. Static compensators are designed to provide voltage control on normal operation and to improve the transient and dinamic stability. They are modern equipments with a great field of application on the brazilian transmission system. This work envolves the transient stability program (TRANSTAB) implementation in PUC´s computer (CYBER 170- 835) and the inclusion of a static compensator (Thyristor Controlled Reactor Type) model and a new output printout routine in this program. The TRANSTAB program makes use of the most recent simulation techniques and it is very well documented in this work. Suggestions are made on the inclusion of new equipment models, in order to extend the program modelling capability. A quick review is made on the static compensator types, applications, and functioning basics. Its control system is the object of a more detailed study, mainly on the aspects related to the modelling and representation on stability studies.

[pt] Equivalentes estáticos e dinâmicos de sistemas externos representam um importante papel tanto em projeto e planejamento bem como na operação de sistemas de energia elétrica (SEE), devido sobretudo à redução da complexidade do modelo conduzindo à melhoria da análise e do esforço computacional. Além desses aspectos, o uso de equivalentes contorna o problema da capacidade limitada de memória dos sistemas de computação e se enquadra na estrutura física e conceitual dos recentes minicomputadores. O modelo para o fluxo de potência de uma certa área de um sistema interligado exige uma representação satisfatória afim de simular corretamente o comportamento do seu estado permanente. Equivalente estático do sistema externo está diretamente ligado com esta representação. O objetivo do equivalente externo é obter o melhor modelo válido para uma faixa ampla de condições de operação. Os equivalentes dinâmicos são necessários para diferentes estudos em SEE onde o sistema interno é representado em detalhe e o sistema externo é representado pelo equivalente para simular os efeitos interativos do sistema externo no sistema interno para perturbações originadas no sistema interno. O grande valor deste tipo de simplificação reside no reconhecimento fornecido sobre a tendência dinâmica do sistema. Esta pesquisa apresenta métodos para obtenção de equivalentes tanto para estudos de fluxos de potência como de estabilidade transitória. / [en] The external system static and dynamic equivalents play na impotant role in electric power system desing and planning as well as in system operation. This is due to a reduction in modeling complexity leading to a saving in computing effort to analyse the system. In addition to that, the static and dynamic equivalents overcome the computer storage capacity limitation and are also suitable for the recent minicomputers. The load-flow model of a certain are an interconnected system requires a satisfactory representation of the ramaining areas in order to simulate its steady-state behavior correctly. External system static equivalent is concerned with this representation. The objective of external equivalencing is to obtain the best model over a wide range of operating conditions. The external system dynamic equivalents are needed for different system studies where the internal system is represented in detail and the external system is represented by the equivalent to simulate the interaction effects of the external system on the internal system for disturbances originating in the internal system. The greatest value of this type of system simplification lies in the insight it provides about the dynamic tendencing of the system. In this research, the equivalents obtained by the proposed methods are for load-flowand transient stability studies.

This thesis develops a robust methodology for on-line identification of power system dynamic signature based on incoming system responses from Phasor Measurement Units (PMUs) in Wide Area Measurement Systems (WAMS). Data mining techniques are used in the methodology to convert real-time monitoring data into transient stability information and the pattern of system dynamic behaviour in the event of instability. The future power system may operate closer to its stability limit in order to improve its efficiency and economic value. The changing types and patterns of load and generation are resulting in highly variable operating conditions. Corrective control and stabilisation is becoming a potentially viable option to enable safer system operation. In the meantime, the number of WAMS projects and PMUs is rising, which will significantly improve the system situational awareness. The combination of all these factors means that it is of vital importance to exploit a new and efficient Transient Stability Assessment (TSA) tool in order to use real-time PMU data to support decisions for corrective control actions. Data mining has been studied as the innovative solution and considered as promising. This work contributes to a number of areas of power systems stability research, specifically around the data driven approach for real-time emergency mode TSA. A review of past research on on-line TSA using PMU measurements and data mining is completed, from which the Decision Tree (DT) method is found to be the most suitable. This method is implemented on the test network. A DT model is trained and the sensitivity of its prediction accuracy is assessed according to a list of network uncertainties. Results showed that DT is a useful tool for on-line TSA for corrective control approach. Following the implementation, a generic probabilistic framework for the assessment of the prediction accuracy of data mining models is developed. This framework is independent of the data mining technique. It performs an exhaustive search of possible contingencies in the testing process and weighs the accuracies according to the realistic probability distribution of uncertain system factors, and provides the system operators with the confidence level of the decisions made under emergency conditions. After that, since the TSA for corrective control usually focuses on transient stability status without dealing with the generator grouping in the event of instability, a two-stage methodology is proposed to address this gap and to identify power system dynamic signature. In this methodology, traditional binary classification is used to identify transient stability in the first stage; Hierarchical Clustering is used to pre-define patterns of unstable dynamic behaviour; and different multiclass classification techniques are investigated to identify the patterns in the second stage. Finally, the effects of practical issues related to WAMS on the data mining methodologies are investigated. Five categories of issues are discussed, including measurement error, communication noise, wide area signal delays, missing measurements, and a limited number of PMUs.

This work deals with the issue of evaluating transient stability in the simulation program PSCAD. Factors affecting transient stability were analyzed on a single-machine SMIB model. The results of this analysis confirmed the theoretical assumption that for more accurate results of the analysis of transient stability, it is necessary to consider the mentioned factors. A short circuit was simulated on the IEEE9 test model and subsequently the load angles of the generators were monitored using various methods. The method of reference of the largest generator in the system proved to be a more suitable method for the assessment of relative load angles from the results of the analysis.

[pt] O cálculo de equivalentes dinâmicos baseados em coerência apresenta três etapas básicas: a identificação de geradores coerentes, a redução estática da rede e a agregação dinâmica dos modelos das unidades geradoras coerentes. Esta dissertação trata do problema da agregação dinâmica de modelos de estabilizadores aplicados em reguladores de tensão de geradores coerentes, visando o cálculo de equivalentes dinâmicos precisos para estudos de estabilidade transitória de sistemas de energia elétrica. A determinação de um critério de escolha do melhor modelo equivalente, para uma dada composição de modelos de estabilizadores num grupo de geradores coerentes, é o objetivo principal. O ajuste dos parâmetros dos modelos equivalentes de estabilizadores dos grupos coerentes é realizado, a partir das respostas em freqüência dos modelos individuais de cada grupo, utilizando-se o método de Levenberg-Marquardt, o que caracteriza um problema de otimização multivariável. O desempenho dinâmico dos equivalentes calculados com a metodologia adotada é avaliado em um sistema teste. / [en] The calculation of coherency-based dynamic equivalents has three main steps: the identification of coherent generators, the network reduction and the dynamic aggregation of the coherent generating unit models. This dissertation deals with the problem of dynamic aggregation of power system stabilizer models to calculate coherency-based dynamic equivalents for power system transient stability studies. The determination of a criteria to choose the best equivalent model for a given composition of power system stabilizer models in a group of coherent generators is the main objective. The parameters of the power system stabilizer equivalent models for each group of coherent generating units are adjusted to match the frequency response of the individual models. This multivariable optimization problem is solved using the Levenberg-Marquardt method. The dynamic performance of the equivalents is evaluated in a test system.

The content of this dissertation consists of three parts. In the first part, optimal control strategies are developed for Unified Power Flow Controller (UPFC) following the clearance of fault conditions. UPFC is one of the most versatile Flexible AC Transmission devices (FACTs) that have been implemented thus far. The optimal control scheme is composed of two parts. The first is an optimal stabilization control, which is an open-loop ‘Bang’ type of control. The second is an suboptimal damping control, which consists of segments of ‘Bang’ type control with switching functions the same as those of a corresponding approximate linear system. Simulation results show that the proposed control strategy is very effective in maintaining stability and damping out transient oscillations following the clearance of the fault. In the second part, a new power market structure is proposed. The new structure is based on a two-level optimization formulation of the market. It is shown that the proposed market structure can easily find the optimal solutions for the market while takeing factors such as demand elasticity into account. In the last part, a mathematical programming problem is formulated to obtain the maximum value of the loadibility factor, while the power system is constrained by steady-state dynamic security constraints. An iterative solution procedure is proposed for the problem, and the solution gives a slightly conservative estimate of the loadibility limit for the generation and transmission system.

[pt] Este trabalho, relacionado com a área de modelagem de cargas para estudos de estabilidade transitória de sistemas elétricos, tem por objetivo discutir a adequação dos modelos clássicos normalmente utilizados, bem como o aprimoramento e desenvolvimento de representações para cargas com características específicas. Inicialmente, são enfocados os aspectos das representações clássicas de cargas e, através de desenvolvimentos teóricos e estudos computacionais, ressaltadas as adequações destas estratégias ao contexto atual. Reconhecendo algumas limitações quanto às técnicas para a obtenção dos parâmetros de motores de indução, apresenta- se procedimentos sistematizados para o tratamento destes componentes de carga. Tendo em vista a busca da melhoria de modelos e respostas aos questionamentos a respeito da relevância da inclusão dos efeitos da variação da freqüência sobre as cargas e parâmetros da rede, o trabalho prossegue com investigações nesta direção. Objetivando a análise do desempenho dos modelos simplificados de cargas através de funções algébricas, são discutidas as propostas atuais e verificadas suas adequações aos estudos de estabilidade. Finalmente, considerando a importância atual das cargas conversoras estáticas, são desenvolvidos modelos apropriados e realizados os estudos necessários à incorporação de unidades retificadoras em programas de estabilidade. / [en] This work, involved with the load modeling for electrical system transiente stability analysis, aim to discuss the classical load models normally used, and to develop and improve representations of specific types of loads. Initially, aspects concerned with classical load representations are dealt with aiming to evaluate, through theoretical and computational analyses, the current employment of such models. Knowing that the techiques to obtain induction motor parameters are still deficient, this work presents some systematic procedures for the treatment of such loads. Additionally, it continues seeking improvements in electrical system component models and answers to the questions about the need for inclusion of the frequency variation effects on loads and network parameters. Moreover, it takes into account the tendencies of using simplified load models represented by algebraic expressions. Some recent proposals in this area are discussed and tested with a view to acess the perfomance of the models in stability studies. Finally, considering the present importance of static load converters, it is developed the related models and presented the necessary studies to include rectifier units in stability programs.

Neste trabalho, as restrições de estabilidade transitória são incorporadas ao problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) por meio da aproximação de equações diferenciais do problema de estabilidade por um conjunto de equações algébricas provenientes de procedimentos de integração numérica. Uma contribuição original desta dissertação é a proposição de um procedimento de otimização multi-passos que minimiza problemas de convergência e acelera o processo computacional. O procedimento de otimização proposto foi testado com sucesso num sistema pequeno de 3 geradores, tendo as potências geradas como variáveis de controle. / In this work, transient stability constraints are incorporated into the Optimal Power Flow (OPF) problem by approximating differential equations constraints by a set of equivalent algebraic equations originated from numerical integration procedures. A contribution of this dissertation is the proposal of a multi-step optimization procedure, which minimizes convergence problems and speeds up computation. The proposed optimization procedure was successfully tested on a small 3-machine power system, having the generated powers as control variables.

Nesta pesquisa são analisados os mecanismos que levam um sistema elétrico de potência (SEP) à instabilidade proveniente de uma perturbação de grande porte e as formas de se avaliar diretamente a margem de estabilidade desse sistema quando o mesmo é modelado preservando a estrutura da rede de transmissão. O sistema foi matematicamente modelado por um conjunto de equações algébrico-diferenciais (EAD), que permite modelagens mais compreensivas da carga e da rede e possibilita melhor avaliação da estabilidade de um sistema quando comparado com o modelo de equações diferenciais ordinárias (EDO) utilizado tradicionalmente para o estudo de estabilidade transitória. A avaliação direta da margem de estabilidade do sistema de potência modelado por conjuntos de EAD foi realizada usando métodos diretos de análise com base no conceito de ponto de equilíbrio instável de controle (PEIC). Tais métodos permitem a obtenção da margem deforma local e rápida, sem requerer a integração numérica de equações diferenciais do modelo pós-falta. No entanto, existem alguns problemas abertos para se alcançar a completa fundamentação do método PEIC para modelos de EAD. Assim, neste estudo dá-se um passo nesta direção, mostrando que as definições existentes de PEIC e de outros pontos de interesse podem ser falhas, principalmente quando a trajetória de falta do sistema alcança superfícies singulares. Neste sentido, são propostos a correção destas definições e um método direto de detecção do PEIC. O método proposto é adequado para análise direta de estabilidade angular e de tensão de curto-termos devido a grandes perturbações e capaz de fornecer corretos tempos críticos de abertura e a identificação dos mecanismos de instabilização do sistema de EAD, mesmo quando as trajetórias do sistema alcançam superfícies singulares. / This thesis addresses to the mechanisms that lead an electric power system to instability due to large disturbances and to the methods to assess directly the stability margin when the system is modeled preserving the network structure. The system is modeled by a set of differential-algebraic equations (DAE) that permits more comprehensive models for the load and network and provides a better stability margin assessment when compared to the model of ordinary differential equations (ODE) traditionally used for transient stability analysis. The direct assessment of the stability margin was realized using direct methods based on the controlling unstable equilibrium point (CUEP) concept and permits to assess the margin in a local and fast manner, without requires the time integration of the post-fault system differential equations. Nevertheless, some open problems remain to be solved in order to provide a complete foundation of the CUEP method for DAE power system models. In this research a further step is given in this direction, showing that the existent definitions for the CUEP and other interest points may fail, mainly when the fault-on trajectory reaches singular surfaces. In this sense, it is proposed the correction of these definitions and a new CUEP method that is adequate to the angular and voltage short-term direct stability assessment due to large disturbances; capable to provide precise critical clearing times and the identification of the instability mechanisms for the DAE modeled power system, even in the presence of singular surfaces.