[pt] Os incêndios florestais podem ser uma fonte de vulnerabilidade para sistemas de potência. Esses eventos podem afetar especialmente a operação de sistemas de distribuição, interrompendo o fornecimento de energia, aumentando os custos, e diminuindo a confiabilidade. Nesta dissertação, é considerada a relação entre as decisões operativas e a probabilidade de falha nas linhas sob o contexto de queimadas. Este tipo de estudo ainda não foi devidamente avaliado pelo meio acadêmico. Ao não reconhecer este aspecto, o funcionamento dos sistemas de potência pode estar sendo prejudicado. A modelagem adequada dessa dependência poderia reduzir a incidência de queimadas e perda de carga. Considerando este aspecto, um problema de otimização distributivamente robusto de dois estágios com incerteza endógena foi desenvolvido para considerar a operação multiperíodo de sistemas de distribuição. O primeiro estágio determina a topologia da rede e os investimentos nas linhas, e o segundo estágio avalia o custo operacional esperado no pior caso. Nessa estrutura, a incerteza é modelada de forma dependente das decisões do modelo, onde as probabilidades de falha da linha são em função do fluxo de potência das próprias linhas. Um método iterativo é proposto para resolver este modelo e uma análise fora da amostra é desenvolvida para validação através de diferentes estudos. Os resultados mostraram que, ao negligenciar a dependência da incerteza, uma maior perda de carga e um maior custo operacional são esperados. Ao considerar esta nova abordagem, a confiabilidade da rede pode ser melhorada e as consequências dos incêndios podem ser mitigadas com ações mais econômicas. / [en] Wildfires can be a source of vulnerability for power systems operations. These events can especially affect the operation of distribution systems. They can interrupt energy supply, increase costs, and decrease grid resilience. Numerous approaches can be executed to prevent them. In this dissertation, it is considered the relationship between operative actions and the probability of wildfire disruption. This type of study has not been properly evaluated in technical and scientific literature. By not recognizing this aspect, the operation of power systems may be impaired. Properly modeling this dependency could lower wildfire disruption and loss of load. Considering this, a two-stage distributionally robust optimization problem with decision-dependent uncertainty is developed to consider distribution system multiperiod operation. The first stage determines the optimal switching actions and line investments, and the second stage evaluates the worst-case expected operation cost. It is designed a decision-dependent uncertainty framework where the line failure probabilities are a function (dependent) of its power flow levels. An iterative method is proposed to solve this model and an out-of-sample analysis is developed to validate it through different case studies. Results showed that, by neglecting the uncertainty dependency on operative decisions, there could be a higher expected loss of load and a higher operational cost. By considering this new approach when operating power lines, the grid s resilience could be improved and wildfire consequences can be mitigated with less costly actions.

[pt] A otimização combinatória (OC) está presente em inúmeras aplicações práticas (por exemplo, planejamento de produção, logística, etc.). Ao longo dos anos, OC e aprendizado de máquina (AM) surgiram, juntas, como uma área prospectiva de pesquisa para melhorar processos de tomada de decisão. Nesse contexto, há interesse em utilizar algoritmos de AM para melhorar métodos de OC. Por outro lado, como muitas tarefas de AM podem ser reformuladas como problemas de otimização, há um amplo interesse em utilizar métodos de OC para resolver esses problemas. Nesta tese, três estudos que conectam OC e AM em torno de duas aplicações importantes são conduzidos: o problema de roteamento de veículos capacitado (PRVC) e máquinas de vetores de suporte com perda em margem rígida (SVM-HML – do inglês support vector machines with hard-margin loss). No primeiro estudo, uma estratégia para explorar vizinhanças de busca local de alta ordem por mineração de padrões em duas meta-heurísticas estado da arte para o PRVC é proposta. Em um segundo estudo, também no contexto do PRVC, critérios de relacionamento para nós de clientes baseados em saídas de redes neurais em grafos são explorados. Com base nessas saídas, medidas de relação podem ser exploradas para orientar a busca local e estender operadores de cruzamento em um algoritmo genético estado da arte. Por fim, no terceiro estudo, uma abordagem eficiente de programação inteira mista baseada em cortes combinatórios de Benders e estratégias de amostragem são utilizadas para treinar modelos de SVM-HML de maneira mais eficiente. / [en] Combinatorial optimization (CO) is ubiquitous in myriad practical applications (e.g., production planning, scheduling, logistics, etc.). Over the years, CO and machine learning (ML) have emerged, together, as a prospective area of research for improving decision-making processes. There is interest to harness ML algorithms to improve existing CO methods. Conversely, since many ML tasks can be reformulated as optimization problems, there is broad interest in leveraging state-of-the-art CO methods for them. In this thesis, we conduct three studies that connect CO and ML around two important applications: the capacitated vehicle routing problem (CVRP) and support vector machines with hard-margin loss (SVM-HML). Our first study proposes a strategy to explore high-order local-search neighborhoods by pattern mining into two state-of-the-art metaheuristics for the CVRP. In a second study, also in the context of the CVRP, we exploit relatedness criteria for customer nodes using predictions from graph neural networks. We show that relatedness measures can be exploited to steer local search and extend crossover operators in a stateof- the-art genetic algorithm. Lastly, in a third study, we propose an efficient mixed-integer programming approach based on Combinatorial Benders cuts and sampling strategies for optimally training the SVM-HML.

[pt] À medida que o mundo enfrenta a urgente questão das mudanças climáticas, a energia eólica se destaca como uma fonte crítica de energia limpa. No entanto, realizar seu pleno potencial depende da otimização dos layouts de parques eólicos, especialmente à luz do complexo efeito de esteira. Esta dissertação adentra na Otimização de Layout de Parques Eólicos (WFLO, na sigla em inglês) usando o Modelo de Efeito de Esteira de Bastankhah. O escopo deste estudo vai além do design de layout; abrange a intrincada tarefa de mitigar o impacto do efeito de esteira, juntamente com a busca por uma estratégia de negociação com aversão ao risco e maximização de valor. Para contabilizar a aversão ao risco, uma combinação entre o Valor Esperado e os funcionais de medida de risco baseados no quantil esquerdo, a medida de Valor em Risco Condicional (CVaR). Para apoiar esta pesquisa, um pacote de código aberto OptimalLayout.jl foi desenvolvido. Este pacote co-otimiza o posicionamento das turbinas eólicas para mitigar o impacto do efeito de esteira e a estratégia de contratação de um agente/gerador avesso ao risco. Através de uma série de estudos de casos práticos em diversos ambientes dinâmicos, esta pesquisa ilustra a aplicabilidade do WFLO no mundo real. Estas investigações examinam detalhadamente a sua influência na produção de energia e na dinâmica das receitas, oferecendo informações valiosas sobre soluções energéticas sustentáveis. / [en] As the world confronts the pressing issue of climate change, wind power stands out as a critical source of clean energy. However, realizing its full potential relies on the optimization of wind farm layouts, particularly in light of the complex wake effect. This dissertation delves into Wind Farm Layout Optimization (WFLO) using the Bastankhah Wake Model. The scope of this study goes beyond layout design; it encompasses the intricate task of mitigating the wake effect s impact along with the seek for a risk-averse-value maximizing trading strategy. To account for risk-averseness, a combination between Expected Value and the left-side-quantile-based risk-measure functionals, the Conditional Value-at-Risk (CVaR) measure. To support this research, an opensource package OptimalLayout.jl was developed. This package co-optimizes the positioning of wind turbines to mitigate wake effect impact,and the contracting strategy of a Risk-Averse agent/generator. Through a series of practical case studies across diverse dynamic environments, this research illustrates the real-world applicability of WFLO. These investigations intricately examine its influence on power production and revenue dynamics, offering valuable insights into sustainable energy solutions.

[pt] A possível mudança no paradigma de formação de preço no Brasil do modelo vigente por custos auditados para o modelo por oferta, com o objetivo de modernizar o Setor Elétrico e buscar práticas que incentivem a competição, implica a necessidade de estudos prévios para auxiliar o processo de transição e a definição do desenho de mercado adequado à realidade brasileira. Nesse sentido, o uso de modelos de equilíbrio, notadamente o Equilíbrio de Nash, desponta como uma poderosa ferramenta ex-ante que permite analisar o comportamento dos competidores para identificar possíveis ineficiências a serem mitigadas. Com esse fim, o presente trabalho modela o processo decisório de ofertas ótimas de um competidor em um mercado de energia elétrica de dia-seguinte de base hidrotérmica por um modelo de otimização binível, possibilitando a identificação do Equilíbrio de Nash do mercado através de um algoritmo baseado em Gauss-Seidel. Adicionalmente, o método é aplicado a dois experimentos numéricos: a um sistema-teste de três barras e a um caso representativo do sistema brasileiro completo, permitindo a análise do comportamento dos competidores a partir da comparação dos resultados com os modelos de Custos Auditados e Equilíbrio Competitivo. Foram observados os impactos das afluências e das cascatas de usinas hidrelétricas de múltiplos proprietários nas receitas e, consequentemente, no comportamento dos competidores. Por fim, foi verificada a ocorrência de competição exclusivamente pelas quantidades, além da prática de retenção de ofertas por parte dos competidores para a modificação do preço de equilíbrio de mercado, aumentando suas receitas. / [en] The potential shift in Brazil s energy pricing paradigm from the current Audited Costs model to the Bid-Bases model, with the aim of modernizing the electricity sector and seeking practices that encourage competition, implies the need for preliminary studies to assist the transition process and define the appropriate market design for the Brazilian reality. In this sense, the use of equilibrium models, notably the Nash Equilibrium, emerges as a powerful ex-ante tool that allows the analysis of competitors behavior to identify possible inefficiencies to be mitigated.To this end, this thesis models the optimal bidding decision process of a competitor in a hydrothermal day-ahead electricity market using a bilevel optimization model, enabling the identification of the Nash Equilibrium of the market through an algorithm based on the Gauss-Seidel. Additionally, the method is applied to two numerical experiments: a three-bus test system and a representative case of the complete Brazilian system, allowing for the analysis of competitors behavior by comparing the results with the Audited Costsand Competitive Equilibrium models. The impacts of water inflows and hydro plants in cascade with distinct ownership on revenues and consequently competitors behavior were observed. Finally, the occurrence of competition exclusively in quantities was verified, as well as the practice of quantity bids retention by competitors in order to modify the market equilibrium price, increasing their revenues.

[pt] Desenvolver e construir uma prótese ou órtese com fácil adaptação para o usuário ainda é um grande desafio na área de engenharia em geral. Além disso, o uso de elementos eletromecânicos insere a autonomia e a portabilidade como fatores de dificuldade na construção. Outro ponto é que variações de fatores humanos, como espasticidade, tônus muscular ou alterações decorrentes de doenças como paralisia cerebral ou lesão nervosa, interferem na construção do aparelho. Deste modo, a construção de uma órtese é um trabalho desafiador e multidisciplinar, que envolve uma análise profunda e detalhada desde a aplicação até a construção propriamente dita. O uso de técnicas de indústria 4.0 para tornar a órtese confortável, leve e de facil uso é fundamental para isso, assim como a análise e processamento de biosinais e o controle, fazendo com que cada etapa estaja ligada e ajustada para que o funcionamento esteja correto. Esta tese tem como objetivo avaliar os métodos teóricos e experimentais de construção e avaliação dinâmica de uma bio-órtese de membros superiores utilizando o conceito de indústria 4.0, processos de manufatura digital, otimização multiestrutural, processamentos de biossinais e técnicas de controle não linear. Este estudo foi motivado pelo avanço do uso da manufatura digital no campo da biomedicina, pelo grande desafio sob o ponto de vista de controle, pela variabilidade que esses processos podem ter na construção de órteses na melhoria da qualidade de vida das pessoas com deficiência. / [en] Developing and building a prosthesis or orthosis with easy adaptation for the user is still a major challenge in the engineering area in general. In addition, the use of electromechanical elements inserts autonomy and portability as factors of difficulty in construction. Another point is that variations in human factors, such as spasticity, muscle tone or changes resulting from diseases such as cerebral palsy or nerve damage, interfere with the construction of the device. Therefore, the construction of an orthosis is a challenging and multidisciplinary job, which involves a deep and detailed analysis from the application to the actual construction. The use of Industry 4.0 techniques to make the orthosis comfortable, lightweight, and easy to use is fundamental to this, as is the analysis and processing of biosignals and control, making sure that each step is connected and adjusted so that it functions correctly. This aims to evaluate the theoretical and experimental methods of construction and dynamic evaluation of a bio-orthosis of upper limbs using the concept of industry 4.0, digital manufacturing processes, multi-structural optimization, bio-signal processes and non-linear control techniques. This study was motivated by the advancement of the use of digital manufacturing in the field of bio-medicine, by the great challenge from the point of view of control, by the variability that these processes can have in the construction of orthoses in improving the quality of life of people with disabilities.

[pt] A dissertação é composta por três ensaios empíricos que usam dados históricos de ações americanas. O primeiro avalia o desempenho de uma abordagem de otimização de carteiras baseada na otimização de Markowitz. Os resultados mostram valor econômico positivo do portfólio resultante, mesmo na presença de custos de transação. O segundo artigo visa comparar e combinar a técnica desenvolvida no artigo anterior à abordagem paramétrica e avalia o desempenho da combinação das técnicas. Os resultados mostram que o desempenho da técnica paramétrica é inferior à técnica de Markowitz modificada e pouco melhor do que o mercado agregado. Isto sugere que o valor econômico de explorar a estrutura de covariância entre as ações é superior a aumentar pesos em ações cujas características oferecem relações risco-retorno maiores até o período. O terceiro ensaio avalia modelos de previsão da variação de retornos entre ações. As estatísticas utilizadas apontam que os modelos padrão não possuem poder preditivo superior a modelos que supõem que não há variação ou que usam a média histórica. Por meio do uso tanto de combinações de modelos lineares quanto estimação restrita de modelos com muitos fatores, mostro que é possível obter resultados ligeiramente superiores. / [en] The dissertation consists of three empirical essays which use historical data of stocks listed in NYSE. The first essay evaluates a portfolio selection approach based on the Markowitz optimization. Results show the portfolios have positive economic value, even after including transaction costs. The second essay compares the technique proposed in the first essay to the parametric approach. Results show the parametric approach performs worse than the modified Markowitz approach and shlightly better than the aggregated market. This suggests that exploring the covariance structure of stocks provides better results than overweighting stocks with characteristics associated to better riskreturn ratios in the past. The third essay evaluates models that forecast the cross-sectional variation in stock returns. Given the statistics used, benchmark models do not show greater forecasting power than skeptical or naive models. By using linear model combination or lasso technique on a model with several factors, I show it is possible to obtain slightly better results.

[pt] Este trabalho apresenta um método de Monitoramento Não Intrusivo de Carga de Aparelhos elétricos (do inglês Non-Intrusive Appliance Load Monitoring – NIALM) supervisionado, usando técnicas de análise de estados estacionários, para desagregação do consumo elétrico residencial a partir de uma única medição, sem a necessidade de instalação de medidores individuais nos dispositivos. A metodologia proposta divide o problema em duas etapas. Inicialmente, há um pré-processamento para identificação e desagregação dos aparelhos que apresentam comportamento periódico, modelados a partir da estimação dos parâmetros da série de Fourier. Na etapa seguinte, os resultados obtidos são combinados a um modelo de otimização linear-inteiro misto para desagregação dos equipamentos não-periódicos, buscando minimizar a diferença entre a curva de carga total lida e a soma das curvas de carga desagregadas por dispositivo. Uma aplicação didática é realizada para validação do método proposto com dados reais e, por fim, é apresentada uma análise de viabilidade econômica da migração para a tarifa branca aplicada no Brasil. Os resultados mostram que, ao utilizar dessa metodologia, é possível que o usuário avalie se há ou não vantagem em deslocar parte do seu consumo de energia para fora do horário de ponta para obter benefício na sua fatura de energia elétrica. / [en] This work presents a supervised Non-Intrusive Appliance Load Monitoring (NILM) method, or energy disaggregation, for residential consumption, which aims to decompose the aggregate energy consumption data collected from a single measurement point into device-level consumption estimation using steady state analysis techniques with no need to install individual meters on appliances. The proposed methodology considers two steps to face the problem. Firstly, periodical appliances are modeled from the estimation of Fourier series parameters and extracted from the total power measured. Secondly, the results obtained are combined with a Mixed Integer Linear Programming proposed to disaggregate the remaining appliances, which minimize the difference between the total aggregated load and the sum of the estimated load curves per appliance. A study case is performed with a real case to validate the proposed method and indicates that the model can be useful for practical applications, such as helping evaluate the possibility of the consumers changing the modality of their tariff contract from the conventional tariff to the new Brazilian modality called white tariff.

[pt] A dificuldade de se prever movimento de ativos financeiros é objeto de estudo de diversos autores. A fim de se obter ganhos, se faz necessário estimar a direção (subida ou descida) e a magnitude do retorno do ativo no qual pretende-se comprar ou vender. A proposta desse trabalho consiste em desenvolver um modelo de otimização matemática com variáveis binárias capaz de prever movimentos de subidas e descidas de ativos financeiros e utilizar um modelo de otimização de portfólio para avaliar os resultados obtidos. O modelo de previsão será baseado no Support Vector Machine (SVM), no qual faremos modificações na regularização do modelo tradicional. Para o gerenciamento de portfólio será utilizada otimização robusta. As técnicas de otimização estão sendo cada vez mais aplicadas no gerenciamento de portfólio, pois são capazes de lidar com os problemas das incertezas introduzidas na estimativa dos parâmetros. Vale ressaltar que o modelo desenvolvido é data-driven, i.e, as previsões são feitas utilizando sinais não-lineares baseados em dados de retorno/preço histórico passado sem ter nenhum tipo de intervenção humana. Como os preços dependem de muitos fatores é de se esperar que um conjunto de parâmetros só consiga descrever a dinâmica dos preços dos ativos financeiros por um pequeno intervalo de dias. Para capturar de forma mais precisa essa mudança na dinâmica, a estimação dos parâmetros dos modelos é feita em janela móvel. Para testar a acurácia dos modelos e os ganhos obtidos foi feito um estudo de caso utilizando 6 ativos financeiros das classes de moedas, renda fixa, renda variável e commodities. Os dados abrangem o período de 01/01/2004 até 30/05/2018 totalizando um total de 3623 cotações diárias. Considerando os custos de transações e os resultados out-of-sample obtidos no período analisado percebe-se que a carteira de investimentos desenvolvida neste trabalho exibe resultados superiores aos dos índices tradicionais com risco limitado. / [en] The difficulty of predicting the movement of financial assets is the subject of study by several authors. In order to obtain gains, it is necessary to estimate the direction (rise or fall) and the magnitude of the return on the asset in which it is intended to be bought or sold. The purpose of this work is to develop a mathematical optimization model with binary variables capable of predicting up and down movements of financial assets and using a portfolio optimization model to evaluate the results obtained. The prediction model will be based on the textit Support Vector Machine (SVM), in which we will make modifications in the regularization of the traditional model. For the portfolio management will be used robust optimization. The robust optimization techniques are being increasingly applied in portfolio management, since they are able to deal with the problems of the uncertainties introduced in the estimation of the parameters. It is noteworthy that the developed model is data-driven, i.e., the predictions are made using nonlinear signals based on past historical price / return data without any human intervention. As prices depend on many factors it is to be expected that a set of parameters can only describe the dynamics of the prices of financial assets for a small interval of days. In order to more accurately capture this change in dynamics, the estimation of model parameters is done in a moving window To test the accuracy of the models and the gains obtained, a case study was made using 6 financial assets of the currencies, fixed income, variable income and commodities classes. The data cover the period from 01/01/2004 until 05/30/2018 totaling a total of 3623 daily quotations. Considering the transaction costs and out-of-sample results obtained in the analyzed period, it can be seen that the investment portfolio developed in this work shows higher results than the traditional indexes with limited risk.

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

[pt] Demonstramos como aprender a função objetivo e as restrições de problemas de otimização enquanto observamos sua solução ótima no decorrer de múltiplas rodadas. Nossa abordagem é baseada em técnicas de Online Learning e funciona para funções objetivo lineares sob conjuntos viáveis arbitrários generalizando trabalhos anteriores. Os dois algoritmos, um para aprender a função objetivo e o outro par aprender as restrições, convergem a uma taxa de O (1 sobre raiz de T) que nos permitem produzir soluções tão boas quanto as ótimas em poucas observações. Finalmente, mostramos a eficácia e possíveis aplicações de nossos métodos em um amplo estudo computacional. / [en] We demonstrate how to learn the objective function and constraints of optimization problems while observing its optimal solution over multiple rounds. Our approach is based on Online Learning techniques and works for linear objective functions under arbitrary feasible sets by generalizing previous work. The two algorithms, one to learn objective function and other to learn constraints, converge at a rate of O (1 on t root) that allow us to produce solutions as good as the optimal in a few observations. Finally, we show the efficacy and possible applications of our methods in a significant computational study.