[pt] O cálculo do fluxo de potência em uma rede elétrica consiste em determinar o estado da rede, os fluxos e perdas elétricas nas linhas e as perdas internas totais no sistema. Nesse tipo de problema, a modelagem do sistema é estática e a rede é representada por um conjunto de equações e inequações algébricas. Diferentes métodos de solução foram propostos na literatura para realizar cálculos de fluxo de potência. No entanto, para redes de distribuição, esses métodos devem ser capazes de modelar, com detalhes suficientes, algumas características únicas desses sistemas, como sua estrutura quase radial, a natureza desequilibrada das cargas e a inserção de geradores distribuídos. Além disso, a modelagem do padrão de consumo nos sistemas de distribuição é mais complexa e os parâmetros das linhas são mais difíceis de serem obtidos, quando comparados com o sistema de transmissão. Portanto, a aplicação de métodos tradicionais para cálculos de fluxo de potência em redes de distribuição pode levar a soluções divergentes. Nesse contexto, o presente trabalho propõe uma nova abordagem para cálculos de fluxo de potência em sistemas de distribuição, baseada em Machine Learning. Os modelos propostos utilizam Redes Neurais Artificiais (RNAs) para prever as perdas ativas internas de uma rede de distribuição e os fluxos de potência nas fronteiras com o sistema de transmissão. Simulações numéricas demonstram o desempenho eficiente da abordagem proposta, além de suas vantagens computacionais em relação aos softwares normalmente utilizados nesse tipo de estudo pois, uma vez treinadas, as RNAs podem aproximar, de modo extremamente rápido, cálculos de fluxo de potência, já que apenas operações matriciais são realizadas. Além disso, o trabalho apresenta uma aplicação da metodologia proposta: as previsões, obtidas pela RNA, para os fluxos nas fronteiras com a rede de transmissão foram utilizadas para gerar contratos ótimos de demanda para um sistema de distribuição real no Brasil. / [en] The power flow calculation on an electric network consists of determining the network s state, power flows and electrical losses on the lines, and total losses on the feeder. In this type of problem, the system s modeling is static, and the network is represented by a set of algebraic equations and inequations. Different solution methods were proposed in the literature to perform power flow calculations. However, for distribution networks, these methods must be able to model, with sufficient details, some unique features of these systems, such as their near radial structure, the unbalanced nature of the loads, and distributed generators insertion. Besides that, modeling the consumption pattern in distribution systems is more complex, and the line parameters are more difficult to be obtained when compared to the transmission system. Hence, applying traditional methods for power flow calculations in distribution networks may lead to divergent solutions. Within this context, this work proposes a new approach for power flow calculations in distribution systems based on Machine Learning. The proposed models use Artificial Neural Networks (ANNs) to predict the active internal losses of a distribution network and the power flows at the borders with the transmission system. Numerical simulations demonstrate the effective performance of the proposed approach, as well as its computational advantages over benchmark software programs since, once trained, ANNs can approximate power flow calculations extremely fast, as only matrix operations are needed. Moreover, the work presents an application of the ANN methodology proposed: predictions of the flows at the borders with the transmission network were used to generate optimal demand contracts for a real distribution system in Brazil.

[pt] Com os sistemas elétricos cada vez mais sobrecarregados em virtude do aumento do consumo de energia elétrica e das restrições ambientais e econômicas, a avaliação das condições de estabilidade de tensão é cada vez mais necessária para os estudos de planejamento e na operação. Nesse contexto, os métodos para a avaliação do carregamento da rede auxiliam na compreensão do funcionamento dos sistemas em condições anormais. Para os diferentes tipos de rede, foram deduzidos os índices de avaliação da estabilidade de tensão para carregamentos selecionados, que indicam a região de operação nas curvas (Fator de Potência) constante no plano SV, para cada barra do sistema. Este trabalho tem por objetivo comparar e analisar os resultados obtidos para determinar o ponto de máximo carregamento entre o método do Fluxo de Potência Continuado e o método da Matriz D para diferentes tipos de sistemas teste. / [en] As electrical systems increasingly overloaded due to increased electricity consumption and environmental and economic constraints, the assessment of voltage stability conditions is increasingly needed for planning and operation studies. In this context, the methods for evaluating the load of the network help to understand the system operations under abnormal conditions. For different types of network, the evaluation indices of voltage stability for selected loads were deduced. These indices indicate the operating region in the curves constant in SV plane for each system bar. This study aims to compare and analyze the results obtained to determine the maximum load point between the Continuous Power Flow method and the Matrix D method for different types of test systems.

[pt] A sazonalidade das fontes de geração de energia impacta as etapas de operação e planejamento do setor elétrico, pois provocam, dentre outros, variações de perfil de geração ao longo do ano. Diferentes tipos de usinas, como as hidráulicas, eólicas e térmicas à biomassa, têm sua disponibilidade afetada por causa do regime de chuvas, da intensidade dos ventos ou dos períodos de safra, respectivamente. Nessa dissertação, conduz-se um estudo sobre o impacto da sazonalidade hídrica na precisão de equivalentes de redes, por meio de fluxo de potência probabilístico via simulação Monte Carlo. As redes reduzidas são amplamente empregadas em estudos de planejamento da operação e da expansão do sistema elétrico. Uma das vantagens em sua adoção é a possibilidade de realizar um elevado número de simulações, com menor exigência computacional. A precisão dos equivalentes, nessa dissertação, é quantificada, considerando incertezas na demanda, variação de perfil de geração e a ocorrência de contingências de elementos de transmissão. São avaliados três métodos de redução de redes, em dois ambientes de simulação: cronológico e não cronológico. O primeiro tem o objetivo de analisar o impacto da utilização de um equivalente, obtido a partir da configuração típica de um mês especifico, nos demais meses do ano. O segundo visa comparar as diferentes metodologias de redução de rede diante de variações no ponto de redução, como contingências na transmissão. Os estudos são realizados com os sistemas IEEE 24 barras e IEEE 118 barras. Os equivalentes são elaborados com o software Organon e avaliados em MATLAB. Os resultados das simulações são amplamente discutidos e ressalta-se a importância do uso da rede reduzida adequada para garantia de resultados coerentes. / [en] The seasonality of energy generation sources impacts the operation and planning stages of the electricity sector, as they cause variations in the generation profile throughout the year. Different types of plants, such as hydraulic, wind, and biomass thermal plants, have their availability impacted due to the rainfall regime, the intensity of the winds, or the harvest periods, respectively. In this dissertation, a study is conducted on the impact of hydrological seasonality on the accuracy of network equivalents through probabilistic power flow via Monte Carlo simulation. Reduced networks are widely used in planning studies to operate and expand the electrical system. One of the advantages of its adoption is the possibility of performing a high number of simulations with less computational demand. The precision of the equivalents in this dissertation is quantified, considering the uncertainties in demand, variation of the generation profile, and the occurrence of contingencies of transmission elements. Three network reduction methods are considered in two simulation environments: chronological and non-chronological. The first is to analyze the impact of using an equivalent obtained from the typical configuration of a specific month in the other months of the year. The second aims to compare the different network reduction methodologies in the face of variations in the reduction point, such as transmission contingencies. The studies are carried out with the IEEE 24 bus and IEEE 118 bus systems. The equivalents are created with the Organon software and evaluated in MATLAB. The simulation results are widely discussed, highlighting the importance of using the reduced network to guarantee consistent results.

[pt] O aumento significativo de pequenas usinas de geração, impulsionado pela privatização do mercado de oferta de energia elétrica e avanços tecnológicos, apresenta desafios no acesso desses empreendimentos ao sistema de transmissão. Em algumas regiões, o aumento da implantação de usinas cria filas para acesso à rede elétrica, potencialmente resultando em uma escassez de margem de transmissão. Isso é caracterizado pela saturação de escoamento de potência em áreas geográficas com elevado potencial para fontes renováveis (como eólica e solar), impactando negativamente o planejamento e operação do sistema de transmissão. Esta Dissertação de Mestrado propõe uma abordagem de avaliação probabilística dos riscos associados à entrada de novos geradores, com destaque para fontes eólicas e fotovoltaicas. A utilização do fluxo de potência probabilístico, por meio da simulação de Monte Carlo, estende as capacidades do método determinístico, proporcionando uma melhor representação da intermitência inerente das fontes renováveis variáveis e possíveis contingências de equipamentos. Os estudos realizados no sistema teste IEEE RTS 79 - 24 barras, considerando a incorporação de usinas renováveis, permitem compreender a importância do método probabilístico no fornecimento de informações mais representativas aos tomadores de decisão. A proposta de reformulação do processo de acesso, adaptando métodos de cálculo para refletir a complexidade do cenário atual de geração de energia, emerge como um caminho promissor à utilização eficiente do sistema de transmissão, especialmente diante da crescente presença de fontes renováveis. / [en] The significant increase in small generation plants, driven by the privatization of the electricity supply market and technological advances, presents challenges in terms of their access to the transmission system. In some regions, the increasing deployment of power plants creates queues for access to the grid, potentially resulting in a transmission margin shortage. This is characterized by the saturation of power flow in geographical areas with high potential for renewable sources (such as wind and solar), negatively impacting the planning and operation of the transmission system. This Master s Thesis proposes a probabilistic approach to assessing the risks associated with the entry of new generators, especially wind and photovoltaic sources. The use of probabilistic power flow, through Monte Carlo simulation, extends the capabilities of the deterministic method, providing a better representation of the inherent intermittency of variable renewable sources and possible equipment contingencies. The studies carried out on the IEEE RTS 79 - 24-bus test system, considering the incorporation of renewable power plants, allow us to understand the importance of the probabilistic method in providing decision-makers with more representative information. The proposal to reformulate the access process, adapting calculation methods to reflect the complexity of the current energy generation scenario, emerges as a promising way of making efficient use of the transmission system, especially given the growing presence of renewable sources.

[pt] Na década de noventa, no Brasil, havia uma predominância de empresas verticalizadas no setor elétrico, pertencentes aos governos estaduais e federais, que no decorrer do processo de reestruturação e privatização sofreram uma desverticalização das suas atividades, em geração, transmissão, distribuição e comercialização. Após iniciada a privatização das companhias foi criada a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL),responsável por regular as atividades do setor elétrico brasileiro. Estas mudanças acarretaram em diferentes modelos de mercado caracterizados pelo acentuado uso dos sistemas de transmissão. Neste cenário, foi definido pela ANEEL que as concessionárias de distribuição devem pagar às transmissoras pela utilização de suas instalações o Encargo de Uso do Sistema de Transmissão (EUST). Para isso, é necessário informar o Montante de Uso do Sistema de Transmissão (MUST) para cada ponto de conexão e período tarifário por meio do Contrato de Uso do Sistema de Transmissão (CUST). Em caso de ultrapassagem dos valores firmados neste contrato acima de um percentual estipulado, a contratante terá que pagar uma penalidade. Esta dissertação tem por finalidade apresentar uma nova metodologia na determinação do valor ótimo do MUST, baseado em equivalentes estáticos flexíveis, fluxo de potência probabilístico e técnicas de otimização estocástica de modo a equilibrar o custo do transporte de energia e o custo da penalidade. Primeiro, utiliza-se uma técnica de redução de rede, flexível e precisa. Segundo, as incertezas provenientes das cargas, geração e topologia da rede são mapeadas nos pontos de conexão em análise. Terceiro, utiliza-se uma técnica simples de otimização estocástica para obter o MUST a ser contratado, pela distribuidora de energia elétrica, em cada barra de fronteira. Por último, a metodologia proposta é empregada no sistema acadêmico IEEE RTS com o objetivo de demonstrar a sua eficiência sendo os resultados obtidos amplamente discutidos. / [en] In Brazil, during the 1990s, there was a predominance of vertical companies in the electricity sector, belonging to the state and federal governments, which in the course of the restructuring and privatization process suffered a deverticalization of their activities into generation, transmission, distribution, and commercialization. After the beginning of this privatization process, the National Electric Energy Agency (ANEEL) was created, which is responsible for regulating the activities of the Brazilian electricity sector. These changes have led to different market models characterized by the strong use of the transmission systems. In this scenario, it was defined by ANEEL that the distribution concessionaires must pay the transmission companies for the use of their equipment. Thus, it is necessary to inform the Transmission System Usage Amount (MUST) for each connection point and tariff period by means of the Transmission System Use Agreement (CUST). In case of exceeding a specified percentage of the contracted amounts, the contractor will have to pay penalties. This dissertation aims to present a new methodology to determine the optimal value of MUST, based on flexible static equivalents, probabilistic power flow, and stochastic optimization techniques, in order to balance the energy transport and penalty costs. First, a flexible and accurate network reduction technique is used. Second, the uncertainties arising from the load, generation, and topology of the network are mapped at the connection points under analysis. Third, a simple stochastic optimization technique is used to obtain the MUST to be contracted by the electric power distributor at each border bus. Finally, the proposed methodology is used in the IEEE RTS academic system in order to demonstrate its efficiency, and the obtained results are widely discussed.

[pt] Em planejamento e operação de sistemas de energia elétrica, é necessário realizar diversas avaliações utilizando o algoritmo de fluxo de potência, para obter e monitorar o ponto de operação da rede em estudo. Em sua utilização determinística, devem ser especificados valores de geração e níveis de carga por barra, bem como considerar uma configuração especifica da rede elétrica. Existe, porém, uma restrição evidente em se trabalhar com algoritmo de fluxo de potência determinístico: não há qualquer percepção do impacto gerado por incertezas nas variáveis de entrada que o algoritmo utiliza. O algoritmo de fluxo de potência probabilístico (FPP) visa extrapolar as limitações impostas pelo uso da ferramenta convencional determinística, permitindo a consideração das incertezas de entrada. Obtém-se maior sensibilidade na avaliação dos resultados, visto que possíveis regiões de operação são mais claramente examinadas. Consequentemente, estima-se o risco do sistema funcionar fora de suas condições operativas nominais. Essa dissertação propõe uma metodologia baseada na simulação Monte Carlo (SMC) utilizando técnicas de amostragem por importância via o método de entropia cruzada. Índices de risco para eventos selecionados (e.g., sobrecargas em equipamentos de transmissão) são avaliados, mantendo-se a precisão e flexibilidade permitidas pela SMC convencional, porém em tempo computacional muito reduzido. Ao contrário das técnicas analíticas concebidas para solução do FPP, que visam primordialmente à elaboração de curvas de densidade de probabilidade para as variáveis de saída (fluxos, etc.) e sempre necessitam ter a precisão obtida comparada à SMC, o método proposto avalia somente as áreas das caudas dessas densidades, obtendo resultados com maior exatidão nas regiões de interesse do ponto de vista do risco operativo. O método proposto é aplicado nos sistemas IEEE 14 barras, IEEE RTS e IEEE 118 barras, sendo os resultados obtidos amplamente discutidos. Em todos os casos, há claros ganhos de desempenho computacional, mantendo-se a precisão, quando comparados à SMC convencional. As possíveis aplicações do método e suas derivações futuras também fazem parte da dissertação. / [en] In planning and operation of electric energy systems, it is necessary to perform several evaluations using the power flow algorithm to obtain and monitor the operating point of the network under study. Bearing in mind its deterministic use, generation values and load levels per bus must be specified, as well as a specific configuration of the power network. There is, however, an obvious constraint in running a deterministic power flow tool: there is no perception of the impact produced by uncertainties on the input variables used by the conventional algorithm. The probabilistic power flow (PLF) algorithm aims to solve the limitations imposed by the use of the deterministic conventional tool, allowing the consideration of input uncertainties. Superior sensitivity is obtained in the evaluation of results, as possible regions of operation are more clearly examined. Consequently, the risk of the system operating outside its nominal conditions is duly estimated. This dissertation proposes a methodology based on Monte Carlo simulation (MCS) using importance sampling techniques via the cross-entropy method. Risk indices for selected events (e.g., overloads on transmission equipment) are evaluated, keeping the same accuracy and flexibility tolerable by the conventional MCS, but in much less computational time. Unlike the FPP solution obtained by analytical techniques, which primarily aim at assessing probability density curves for the output variables (flows, etc.) and always need to have the accuracy compared to MCS, the proposed method evaluates only the tail areas of these densities, obtaining results with greater accuracy in the regions of interest from the operational risk point of view. The proposed method is applied to IEEE 14, IEEE RTS and IEEE 118 bus systems, and the results are widely discussed. In all cases, there are clear gains in computational performance, maintaining accuracy when compared to conventional SMC. The possible applications of the method and future developments are also part of the dissertation.

[pt] A sub-divisão de um veículo em módulos é muito útil quando se quer estudar o comportamento dinâmico de um determinado subsistema e sua influência nos demais componentes. Em alguns casos, devido ao tipo de tratamento empregado para descrever os elementos, não se consegue perceber de que modo as variáveis inerentes a um subsistema interagem com as demais, e, por conseguinte, os subsistemas entre si. A abordagem modular baseada no fluxo de potência permite uma melhor identificação das relações de causa e efeito entre subsistemas, uma vez que se pode definir, de forma clara e consistente, quem são as variáveis de entrada e de saída de cada componente ou módulo, e, conseqüentemente, seus acoplamentos. Neste tipo de tratamento, aplicado aos sistemas mecânicos, uma vez estabelecida a cinemática de um subsistema, podese obter as relações entre os esforços que seus componentes produzem uns sobre os outros, a partir da caracterização da potência transmitida através dos seus diversos elementos. Este trabalho apresenta um procedimento semi-analítico de equacionamento modular aplicado à modelagem e integração dos sistemas de suspensão e direção de veículos terrestres, no qual as variáveis de entrada e saída indicam o fluxo de potência entre os elementos de todo o sistema. Tal abordagem tem como base a técnica dos Grafos de Ligação, empregada em sistemas multidomínio em geral, e usa alguns conceitos da metodologia dos Transformadores Cinemáticos, normalmente aplicada aos sistemas multicorpos. A partir da definição da geometria dos mecanismos em questão, encontram-se as matrizes que representam os vínculos cinemáticos entre seus elementos, das quais o funcionamento dos sistemas integrados pode ser simulado e analisado, e informações necessárias aos seus projetos determinadas. As equações (malhas) algébricas que existem em mecanismos com estrutura cinemática fechada são analiticamente resolvidas, evitando deste modo modelos matemáticos com equações diferenciais e algébricas simultâneas. Das relações cinemáticas, o modelo dinâmico (matrizes de inércia, rigidez e amortecimento, etc) é obtido, e novamente informações essenciais à análise e síntese dos sistemas podem ser determinadas. O comportamento no tempo desses modelos pode ser encontrado por um método de integração de equações diferenciais qualquer. Adota-se o Simulink/MatLab® para representar o modelo assim desenvolvido em diagrama de blocos, e conseqüentemente simulá-lo. Através deste tratamento, cada bloco da implementaçao em Simulink/MatLab® contém o correspondente modelo analítico de um único módulo, cujo estabelecimento depende das características dinâmicas do sistema que se deseja analisar. A vantagem de adotar tal representação, baseada no fluxo de potência, consiste no fato de que um módulo pode ser substituído por outro, descritivo de um elemento ou subsistema com a mesma função, porém com configuração física distinta, e, conseqüentemente, modelo matemático específico, sem qualquer alteração nos demais componentes do sistema. Este procedimento está sendo adotado para modelagem dos diversos sistemas veiculares, como os de suspensão, direção, transmissão e freios, e também os pneus, inseridos em um chassi, incluindo os graus de liberdade desejados do veículo, todos descritos de forma modular semi- analítica através da mesma abordagem, empregando a técnica de modelagem mais apropriada para representá-los. / [en] The sub-division of a vehicle in modules is very useful when we want to study the dynamical behavior of a certain sub-system and its influence in other components. In some cases, due to the type of treatment employed to describe the dynamic behavior of the elements, we don`t get to notice the way that inherent variables in a sub-system interacts with the others, and, consequently, the subsystems amongst themselves. The modular approach based on the power flow allows a better identification of the causal relationships among sub-systems, once it can define, in clear and consistent way, what are the input and output variables of each component or module, and, consequently, their couplings. In this type of treatment applied to the mechanical systems, once established the kinematics of a sub-system, it can be obtained the relationships among the efforts that their components produce on the other ones, from the characterization of the power transmitted through their several elements. This paper presents a semi-analytical procedure of modular modeling applied to the suspension and steering systems of a ground vehicle, in which the input and output variables indicate the power flow among the elements of the whole system. Such approach has as base the Bond Graphs technique, used in multidomain systems in general, and uses some concepts of the Kinematic Transformers methodology, usually applied to the multibody systems. From the mechanisms geometry, the matrices that represent the kinematics links between its elements are found, the operation of the integrated systems can be simulated and analyzed, and information about its design can be obtained. The algebraic loops (equations) inherent to mechanisms with closed kinematic structure are solved analytically, and there is not a mathematical model with simultaneous algebraic and differential equations. From the kinematic relations, the dynamic model (inertial, stiffness and damping matrices) is obtained, and again essential information to the systems analysis and synthesis can be determined. The models time behavior can be found by any differential equations integration method. The Simulink/Matlab is adopted to represent the model developed by block diagrams, and consequently to simulate it. Through this treatment, each block in the Simulink/Matlab implementation contains the correspondent analytical model of a single module, whose establishment depends on the dynamic characteristics of the system to be analyzed. The advantage of adopting such representation, based on the power flow, consists in the fact that a module can be substituted for other, descriptive of an element or sub-system with the same function, however with different physical configuration, and, consequently, specific mathematical model, without any alteration in the other components of the system. This procedure is being adopted for modeling all vehicular systems, like the suspension, steering, transmission and brakes systems, and also the tires, inserted in the chassis, including the desired degrees of freedom of the vehicle, all described in a semi- analytical modular way by the same approach, using the most appropriate modeling technique to represent them.

[pt] Mecanismos são essencialmente (mas não exclusivamente) compostos por vários corpos rígidos que possuem movimento relativo entre si. Cada corpo rígido está ligado através de uma junta a um ou mais corpos, sendo a sequência de corpos conectados chamada de cadeia cinemática. Cadeias cinemáticas abertas (ou em série) não têm restrições sobre uma de suas extremidades, já cadeias fechadas (ou paralelas) têm restrições em ambas as extremidades. O foco neste trabalho será dado no estudo de mecanismos com cadeias cinemáticas fechadas ou mecanismos paralelos. Assim, este trabalho apresenta a determinação da solução analítica do modelo dinâmico de um mecanismo paralelo plano com três graus de liberdade através da caracterização do fluxo de potência entre os seus componentes. A partir das relações geométricas associadas ao deslocamento dos seus graus de liberdade, as relações cinemáticas associadas às suas velocidades são determinadas. Considerando o fluxo de potência entre os graus de liberdade, e também entre estes e os elementos de atuação (atuadores lineares elétricos), as relações de equilíbrio das forças e torques são obtidas. Levando em consideração os efeitos inerciais dos componentes do sistema, a rigidez e efeitos de amortecimento, as equações de movimento ou as equações de estado são analiticamente determinadas e representadas em qualquer sistema de referência, local ou global. Além disso, as relações entre a cinemática inversa e a dinâmica direta são apresentadas. Esta abordagem adota os mesmos fundamentos, conceitos e elementos da técnica dos grafos de ligação, com a sua notação simbólica e representação gráfica. A metodologia proposta é generalizada e aplicável em qualquer tipo de mecanismo (aberto ou fechado, plano ou espacial). O modelo cinemático inverso do mecanismo de cadeia fechada, que tem uma solução fácil quando comparado com o modelo direto, pode ser desenvolvido por qualquer metodologia conhecida. Neste trabalho, a técnica da cadeia vetorial é usada para determinar o modelo geométrico inverso, e com a sua derivação, as relações cinemáticas são obtidas, e, portanto, a matriz Jacobiana inversa. Desse modo, é construída a estrutura em grafos de ligação da cinemática inversa e, a partir das relações de causa e efeito, encontra-se o modelo dinâmico direto do mecanismo. Assim, esta metodologia (grafos de ligação ou fluxo de potência) é mais eficiente e segura para determinar os modelos dinâmicos analíticos (fechados) de mecanismos paralelos. Um conjunto de simulações foi realizado para validar esta abordagem, usando os dados reais (geometria, inércia, amortecimento, forças de atuação, etc.) a partir de um mecanismo plano projetado e construído especialmente para a finalidade de comparar os resultados simulados e experimentais. Uma estratégia de controle de malha fechada usando a cinemática inversa e os modelos dinâmicos diretos é proposta. Finalmente, testes experimentais validam esta estratégia. As equações analíticas levam a um processo de simulação e controle em tempo real mais eficientes destes sistemas. / [en] Mechanisms are essentially (but not exclusively) made up of multiple rigid bodies that have relative motion between themselves. Each rigid body is connected through a joint to one or more bodies, wherein the sequence of connected bodies is called kinematic chain. Open (or serial) kinematic chains have no restrictions on one of their ends, as closed (or parallel) chains have restrictions on both ends. The focus in this work will be given on the study of mechanisms with closed kinematic chains or parallel mechanisms. Thus, this work presents the analytical form determination of the dynamic model of a parallel planar mechanism with three degrees of freedom through the characterization of the power flow between its components. From the geometrical relations associated to the displacement of their degrees of freedom, the kinematic relations associated to their speeds are determined. Considering the power flow between the degrees of freedom, and also between these and the actuating elements (linear electric actuators) the equilibrium relations of the forces and torques are obtained. Accounting for inertial effects of system components, the stiffness and damping effects, the equations of motion or the state equations are analytically determined and represented in any reference frame, local or global. Besides, the relation between the inverse kinematics and the direct dynamics is presented. This approach adopts the same fundamentals, concepts and elements of the Bond Graph Technique, with its symbolic notation and graphical representation. The proposed methodology is generalized and applicable in any type of mechanism (open or closed, planar or spatial). The inverse kinematic model of the closed chain mechanism, which has easy solution when compared to the direct model, can be developed by any known methodology. In this work, the vector loop technique is used to determine the inverse geometric model, and with its derivation, the kinematic relations are obtained, and therefore the inverse Jacobian matrix. Thereby, the inverse kinematics bond graph is built and, from the cause and effect relations, the direct dynamic model of the mechanism is found. Thus, this methodology (bond graphs or power flow) is more efficient and secure to achieve the dynamic analytical (closed) models of parallel mechanisms. A set of simulations are performed to validate this approach, using the real data (geometry, inertia, damping, actuators forces, etc.) from a planar mechanism designed and built especially for the purpose to compare the simulated and experimental results. A closed-loop control strategy using the inverse kinematic and the direct dynamic models is proposed. Finally, experimental tests validate this strategy. The analytical equations lead to a more efficient simulation process and real-time control of these systems.

[pt] Este trabalho apresenta metodologias para definir a remuneração dos geradores que provêem serviços ancilares em função do benefício proporcionado ao sistema. São analisados os serviços ancilares de suporte de potência reativa e reserva de potência. Para o serviço ancilar de suporte de potência reativa, o valor do benefício proporcionado pelos geradores é obtido por meio do custo evitado de alocação de novas fontes de potência reativa. Já para o serviço ancilar de reserva de potência, o benefício é calculado a partir da redução observada no valor esperado de energia não suprida, multiplicada pelo custo unitário de interrupção do sistema de potência. O valor de benefício proporcionado por cada serviço ancilar é determinado por meio de um algoritmo de pontos interiores em um problema de fluxo de potência ótimo. A remuneração que cabe a cada gerador é definida por meio do emprego do método de repartição de custos de Aumann-Shapley, oriundo da Teoria dos Jogos Cooperativos. A aplicação deste método garante que a repartição do benefício entre os geradores seja realizada de forma justa e eficiente. As metodologias propostas para são ilustradas em dois sistemas de potência distintos: o sistema IEEE-RTS e o sistema Sul-Sudeste Brasileiro. Os resultados obtidos são discutidos e a eficácia da metodologia é analisada. / [en] This work presents methodologies to define the remuneration of the generators that provide ancillary services to the power system as a function of the benefit provided to the system. In this work the ancillary services considered are the reactive power supply and the generation reserve. To the ancillary service of reactive power supply, the benefit provided by the generators is calculated by the avoided cost of new reactive power sources. The benefit provided by the ancillary service of generation reserve is calculated as the reduction on the expected energy not supplied, multiplied by the interruption cost of the power system. An optimum power flow is used to determine the benefit provided by each ancillary service. The remuneration of each generator is defined through the cost allocation method of Aumann-Shapley, which belongs to the Cooperative Game Theory. The Aumann-Shapley method guarantees that the payment partition among the generators is fair and efficient. The proposed methodology is applied to the IEEE-RTS power system and the Brazilian South-Southwest power system. The numerical results are discussed and the efficiency of the methodology is analyzed.

[pt] As companhias regionais de distribuição não são autossuficientes em energia elétrica para atender seus clientes, e requerem importar a potência necessária do sistema interligado. No Brasil, elas realizam anualmente o processo de contratação do montante de uso do sistema de transmissão (MUST) para o horizonte dos próximos quatro anos. Essa operação é um exemplo real de tarefa que envolve decisões sob incerteza com elevado impacto na produtividade das empresas distribuidoras e do setor elétrico em geral. O trabalho se torna ainda mais complexo diante da crescente variabilidade associada à geração de energia renovável e à mudança do perfil do consumidor. O MUST é uma variável aleatória, e ser capaz de compreender sua variabilidade é crucial para melhor tomada de decisão. O fluxo de potência probabilístico é uma técnica que mapeia as incertezas das injeções nodais e configuração de rede nos equipamentos de transmissão e, consequentemente, nas potências importadas em cada ponto de conexão com o sistema interligado. Nesta tese, o objetivo principal é desenvolver metodologias baseadas no fluxo de potência probabilístico via simulação Monte Carlo, em conjunto com a técnica da entropia cruzada, para estimar os riscos envolvidos na contratação ótima do MUST. As metodologias permitem a implementação de software comercial para lidar com o algoritmo de fluxo de potência, o que é relevante para sistemas reais de grande porte. Apresenta-se, portanto, uma ferramenta computacional prática que serve aos engenheiros das distribuidoras de energia elétrica. Resultados com sistemas acadêmicos e reais mostram que as propostas cumprem os objetivos traçados, com benefícios na redução dos custos totais no processo de otimização de contratos e dos tempos computacionais envolvidos nas estimativas de risco. / [en] Local power distribution companies are not self-sufficient in electricity to serve their customers, and require importing additional energy supply from the interconnected bulk power systems. In Brazil, they annually carry out the contracting process for the amount of transmission system usage (ATSU) for the next four years. This process is a real example of a task that involves decisions under uncertainty with a high impact on the productivity of the distributions companies and on the electricity sector in general. The task becomes even more complex in face of the increasing variability associated with the generation of renewable energy and the changing profile of the consumer. The ATSU is a random variable, and being able to understand its variability is crucial for better decision making. Probabilistic power flow is a technique that maps the uncertainties of nodal injections and network configuration in the transmission equipment and, consequently, in the imported power at each connection point with the bulk power system. In this thesis, the main objective is to develop methodologies based on probabilistic power flow via Monte Carlo simulation, together with cross entropy techniques, to assess the risks involved in the optimal contracting of the ATSU. The proposed approaches allow the inclusion of commercial software to deal with the power flow algorithm, which is relevant for large practical systems. Thus, a realistic computational tool that serves the engineers of electric distribution companies is presented. Results with academic and real systems show that the proposals fulfill the objectives set, with the benefits of reducing the total costs in the optimization process of contracts and computational times involved in the risk assessments.