[pt] Esta dissertação apresenta um novo modelo de tarifação de redes elétricas. Este modelo é baseado no planejamento ótimo da expansão para a obtenção da rede elétrica economicamente adaptada. Com ele, são extraídas as tarifas de transmissão bem como os custos de déficit em cada barra, instrumentos necessários ao Órgão Regulador para a expansão de redes elétricas. São apresentados estudos de caso envolvendo o Sistema elétrico Peruano, formado por 50 barras, 70 linhas de transmissão e 27 geradores. / [en] This thesis presents a new model of transmission pricing. The proposed model is based in optimum expansion planning to achieve an electric network economically adapted. By this model, the price of transmission network is obtained, as such as Deficit Cost in each bus of the system, issue necessary for a regulator to allow competition in transmission expansion. Case studies, considering a system of fifty buses, seventy transmission lines and twenty seven generators of peruvian national system.

[pt] A simulação de sistemas lineares excitados por senóides tem solução bastante simples envolvendo métodos utilizando transformadas. Contudo, quando a rede é de grande porte e a freqüência de excitação desconhecida, estes métodos de análise fasorial deixam a desejar, por sua complexidade. Diversos processos de análise por computador foram desenvolvidos recentemente, abrangendo o problema do grande porte. Entretanto, implementados para operar no tempo estes métodos não descrevem o caso considerado (excitação no entorno de uma freqüência) de uma análise transitória geral. O método proposto permite a operação no tempo de redes de grande porte, beneficiando-se da estreita faixa de freqüências, em que pode estar atuando a rede elétrica. Sem perda de generalidade, o método foi implementado com base na análise nodal e em técnicas de filtragem digital multitaxa. A rede elétrica é assim transformada em um filtro digital de vários acessos, em que operações de decimação do sinal acarretem sensível redução de complexidade computacional. São apresentados exemplos e comparações com à técnica de Dommel que sustentam as propriedades da nova técnica. / [en] The simulation of linear systems with sinusoidal input has a very simple solution by transform methods. However, when the network is of large scale and the frequency of excitation is unknown, this fasorial analysis method is not satisfactory because of its complexity. Several processes of computer analysis have been developed recently addressing the problem of large-scale networks. However, when implemented to operate in time domain, these methods do not describe the former case (excitation in the neighborhood of a frequency) of a transitory general analysis. The proposed method allows the operation in time domain of large-scale networks, taking advantage of the narrow frequency band in which the electric network is working. Without loss of generality, the above method was implemented based on nodal analysis and multi-rate digital filtering techniques. The electrical network is transformed into a multiple- access digital filter, where signal decimation operations lead to a sensible reduction in the overall computational complexity. Some examples and comparisons with Dommel classical technique are presented, validating the new approach.

[pt] Esta pesquisa propõe a implementação de um simulador para investigar o comportamento dinâmico dos sistemas elétricos de potência e a sua estabilidade. É introduzida uma nova abordagem para simulação de redes elétricas lineares, que segue as técnicas básicas e os modelos utilizados no EMTP (simulador tradicional), porém levando vantagem ao utilizar propriedades de filtragem digital multitaxa. O simulador proposto decompõe o sinal e a rede em sub-bandas de freqüência, cada uma delas operada independentemente, o que torna o processo bastante interessante para a implementação utilizando processamento em paralelo. O passo de integração nas simulações das sub-bandas é sempre maximizado, reduzindo a carga computacional. A simulação permite a detecção em tempo real de sub-bandas que poderiam ser momentaneamente desconectadas, sem perda de precisão no resultado final. Este comportamento adaptativo aumenta a eficiência do simulador, ajustando a complexidade do modelo de acordo com os requisitos da simulação. / [en] This work proposes the implementation of a simulator to investigate the dynamic behavior and the stability of electric power systems. A new approach to linear electric network simulation is introduced, closely following the EMTP basic techniques and models, but taking advantage of multirate digital filter properties. The final simulator decomposes signals and network models into subbands of frequencies, each of them independently operated, allowing parallel processing The integration time step in the subband simulations is always maximized, reducing computational burden. The simulation permits online detection of subbands that could be momentarily disconnected with negligible loss of accuracy in the final result. This adaptive feature further improves efficiency, adjusting the network model complexity, according to the simulation requirements.

[pt] A sociedade está vivendo em uma época de forte convergência tecnológica, onde novas tecnologias são descobertas e extintas em um prazo cada vez menor. Esta revolução tecnológica também já chegou para o setor de infraestrutura de distribuição de energia que são as Redes Elétricas Inteligentes, sendo o medidor inteligente o principal equipamento desta revolução. Apesar da evolução do parque de medidores brasileiros, a regulação comercial não acompanhou esta modernização e continua tendo como referência o sistema de medição convencional com a atuação de leituristas e não considerando as oportunidades de usar dados de consumo, mesmo que não sejam da data do faturamento nos casos de falhas de transmissão da informação e aplicação de ferramentas estatísticas para estimação no faturamento. Neste contexto, esta dissertação tem como objetivo avaliar as regras regulatórias de faturamento considerando as ausências de leituras, propor uma nova metodologia para definir como realizar o faturamento na ausência de leituras considerando consumos anteriores e usar ferramentas estatísticas para a definição do valor a ser faturado. A metodologia pode ser dividida em duas fases: (i) imputação de dados faltantes na base de dados decorrentes de possíveis erros de transmissão dos medidores; (ii) previsão do consumo de energia elétrica por cliente. O presente trabalho cumpriu os objetivos aos quais se propôs e apresentou uma alternativa promissora para o faturamento com medidores inteligentes e que utilize tecnologias de comunicação de baixo custo e que possam apresentar uma efetividade de medição abaixo da ideal, no caso, 100 por cento. / [en] Society is living in a time of strong technological convergence, where new technologies are discovered and extinguished in an ever shorter time frame. This technological revolution has also arrived for the energy distribution infrastructure with the Smart Grid, in which the smart meter being the main equipment of this revolution. Despite the evolution of the Brazilian meter park, the commercial regulation did not go along with this modernization and continues with reference to the conventional metering system and not considering the opportunities to use consumption data comes from out of the billing date, in cases of data transmission failures, being thus possible use statistical tools for billing estimation. In this context, this dissertation aims to evaluate the regulatory rules of billing considering the absences of readings, proposing a new methodology to define how to estimate the billing in the absence of readings, considering previous consumption and using statistical tools to define the value to be billed. The methodology can be divided into two phases: (i) imputation of missing data in the database, resulting from possible transmission errors of the meters; (ii) forecast of electricity consumption per customer. The present work fulfilled the objectives proposed and presented a promising alternative for billing with smart meters using low cost communication technologies that could have low measurement effectiveness, in this case, 100 percent.

[pt] O Objetivo dessa dissertação é propor um conjunto de indicadores e métricas para avaliar e mensurar a eficiência das subestações de um microgrid. No conceito institucional o qual a pesquisa se insere, considera-se que o esforço proporcionará a empresa em questão avaliar a eficiência e inteligência das suas subestações em seu microgrid. A pesquisa pode ser considerada aplicada, descritiva e metodológica. Quanto aos meios de investigação, foi usado o método de construção de indicadores para avaliação da eficiência energética aliada a dois métodos de apoio à decisão: AHP (Analytic Hierarchy Process) para definição dos pesos dos critérios classificatórios e a técnica TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) para hierarquização dos indicadores propostos por categoria dos requisitos de eficiência energética e inteligência, a partir dos graus atribuídos pelos especialistas. Destacam-se como resultados: a ferramenta de seleção e classificação de subestações e um conjunto consistente de indicadores de eficiência e inteligência. Como resultados, espera-se obter a melhoria da eficiência das subestações de um microgrid e poder acompanhar o processo de melhoria contínua. / [en] The aim of this study is to propose a set of indicators and metrics to evaluate and measure the efficiency and intelligence on microgrid electric substations. It was used a methodology to stablish indicators for evaluating the energy efficiency combined with two decision support methods: AHP (Analytic Hierarchy Process) for definition the importance of criteria selected, and TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal of Solution) to classify the most efficiency and intelligent substation. As a result, it is expected to obtain the improvement of efficiency of power substations of a microgrid and follow the process of continuous improvement of their intelligence. Geller (2004) emphasizes the importance to adopt energy efficiency measures, through the use of alternative energy resources. The author states that the numbness in the current energy sources will result in irreparable harm to the environment, generating major climate change .It is necessary consider an innovative energy management model capable for meeting the challenges to meet the new standards of consumption, combining environmental, social and economic aspects . Smart Grids (SG) are able to incorporate information and communication technology in all aspects of generating electricity, allowing the entrance of new suppliers in the energy network, generating a better management of distribution and consumption, optimizing efficiency, minimizing costs, and diminishing environmental impacts. Currently, the SG is in development stage, with large spaces for research and development of enhancements and applications. Countries like USA, Japan and other European Community are planning to implement this novel grid till mid-2020 to 2030 Rivera (2013). In Brazil, this trend follows a different reality, due to economic crisis and regulatory aspects. In this country, most of smart grid projects are in development research and they are in slower progress status when compared to developed countries Rivera (2013). The implementation of a smart grid, with various alternatives of energy sources, provides better management and optimal use of each alternative. So, the necessity of managing the power distribution network more efficiently as possible increases Caneppele (2011). Microgrid is a concept widely disseminated in the literature. It can be defined as an intelligent electrical network applied in a smaller scale. As example we can cite: large commercial centers, a large industries; a large condominiums, a neighborhoods, etc. The aim of this article is to propose a set of indicators and metrics to evaluate and measure the efficiency and intelligence on microgrid electric substations. The methodology proposed will support mathematically the decision maker in the energy management of a huge television studio, which can be considered a microgrid. The research methodology followed a procedural structure analysis based on literature review focused on central themes of research: (i) substations (ii) energy efficiency (iii) microgrids (iv) multiple criteria decision methods (MCDM), trying to select the best methods to be considered in the context of energy efficiency of substations in microgrids. The model used in this work considered a hybrid multi-criteria decision-making (MCDM) method, putting together two methods widely used in literature: AHP (Analytic Hierarchy Process), and (TOPSIS Technique for Order Preference by Similarity to Ideal of Solution). AHP method was proposed by Saaty (2000). It is a multi-criteria support tool for decision making, which reveals the wide number of applications in current literature. Through peer comparisons, it is possible to perform the trials because the priorities calculated by the method will capture both the subjective measures, and the depth the particular criterion (or alternative) n relation to another. The second method used will be the TOPSIS. The technique is used to examine the performance of options by similarity to ideal solution. It was introduced by Hwang and Yoon Hwang (1981), in 1981, since then, it

[pt] Nos últimos anos tem se verificado um papel mais ativo do pequeno consumidor com relação ao uso da energia elétrica. O acesso mais facilitado às tecnologias de geração distribuída, principalmente produção local fotovoltaica em telhados de residências e também às novas gerações de medidores inteligentes, despertou o interesse de pequenos consumidores para gerar sua própria energia, reduzindo sua fatura com a distribuidora e também sua dependência da rede de distribuição. Nesse contexto, o objetivo da dissertação é avaliar, com base em medições inteligentes reais, o impacto nas faturas de consumidores residenciais causado pela introdução de uma Tarifa de Uso do Sistema de Distribuição, em reais/quilowatt, aplicada sobre a demanda máxima registrada. A opção pelo tema buscou atender lacunas na bibliografia nacional por tratar-se de um assunto inovador, não só no Brasil, e que está sendo estudado em diversos países no mundo simultaneamente. A metodologia pode ser dividida, basicamente, em quatro fases: (i) Apuração da receita de referência; (ii) Cálculo das tarifas de distribuição nas modalidades horária e em reais/quilowatt; (iii) Cálculo e avaliação das receitas obtidas pela aplicação das tarifas às medições dos clusters de estudo; e (iv) Cálculo e avaliação das receitas obtidas pela aplicação das tarifas às medições dos clusters de estudo, considerando geração fotovoltaica distribuída. Os resultados permitiram identificar os perfis de consumo que seriam mais impactados pela introdução de uma tarifação sobre a demanda e também os efeitos resultantes da instalação de painéis solares nas residências, assim demonstrar que essa modalidade de tarifação, ao refletir os custos da atividade de distribuição de energia, propicia estabilidade das tarifas e evita subsídios cruzados. / [en] In recent years there has been a more active role of small consumers in relation to the use of electricity. The easier access to distributed generation technologies, mainly local photovoltaic production in residential roofs and also the new generations of intelligent meters, has brought the interest of small consumers to generate their own energy, reducing their invoice with the distributor and also their dependence on the distribution network. In this context, the objective of this dissertation is to evaluate, based on real smart measurements, the impact on the invoices of residential customers caused by the introduction of a demand charge, in real/kilowatt, applied on the registered maximum demand. The option for the theme sought to address gaps in the national bibliography because it is an innovative subject, not only in Brazil, and which is being studied in several countries simultaneously. The methodology can be divided into basically four phases: (i) Calculation of the reference revenue; (ii) Calculation of distribution tariffs: hourly and based in real/kilowatt; (iii) Calculation and evaluation of the revenues obtained by applying the tariffs to the measurements from the clusters to be studied; and (iv) Calculation and evaluation of the revenues obtained by applying the tariffs to the measurements from the clusters to be studied, considering distributed photovoltaic generation. The results allowed to identify the consumption profiles, whether they would be more impacted by the introduction of a demand charge and the impacts caused by the installation of solar panels by the residences as well as demonstrating that this type of charge, reflecting the costs of distribution, provides tariff stability and avoids cross subsidies.

[pt] Esta tese de doutorado é composta de dois artigos científicos com contribuições na área de Smart Grid. Além disso, a tese também contribui para o desenvolvimento de soluções computacionais eficientes para problemas de programação linear mista e inteira. Outra importante contribuição é o desenvolvimento de método de decomposição benders com segundo estágio inteiro e não convexo aplicado ao problema de Transmission Switching. O primeiro artigo científico mostra os benefícios com o advento de uma rede inteligente e o aumento da capacidade do operador do sistema de energia elétrica em tomar ações corretivas em face de ocorrências de contingências. O artigo também analisa consequências práticas na capacidade de self-healing da rede pós-contingência. Em nosso contexto, uma rede self-healing é uma rede com total flexibilidade para ajustar a geração e as linhas de transmissão antes e depois da ocorrência de alguma contingência. Resultados numéricos mostram significantes reduções no corte de carga para cada contingência e no total. Foi considerado um único período que representa a demanda de pico do sistema, comparou-se o novo método com os utilizados em publicações anteriores. O segundo artigo contribui também para a aplicação da tecnologia de Smart Grid, em particular a teoria de Transmission Switching. De fato, desenvolvemos uma estratégia de solução para lidar com a complexibilidade NP-Hard criada pelas variáveis de transmission switching e unit commitment do problema de otimização. Foi desenvolvida uma solução algorítmica baseada na teoria dos grafos. Estudou-se a estrutura topológica desses problemas. Além disso, a maior contribuição foi o desenvolvimento de um novo método de decomposição de benders aplicado para o problema de transmission switching com o segundo estágio inteiro e não convexo. Para lidar com este problema de não convexidade, foi desenvolvido um método de convexificação sequencial, implícito a decomposição de benders. / [en] This PhD Thesis is composed by two papers with contributions on operations research applied to smart grid theory. The first paper highlights the economic and security benefits of an enhanced system operation with the advent of a smart grid technology by introducing a novel model, which is a joint energy and reserve scheduling that incorporates the network capability to switch transmission lines as a corrective action to enhance the system capability to circumvent contingency events. The main goal is to reduce operating costs and electric power outages, by adjusting the network connectivity when a contingency occurs. In such a framework, results show that, with a limited number of corrective switches, the system operator is able to circumvent a wider range of contingencies, while resulting in lower operational costs and reserve levels. In our context, a grid that is capable to adjust its generation and also its topology through post-contingency line switching is called a self-healing grid, and its importance in network security and operating costs is demonstrated in this work. The graph structure is explored in the algorithmic solution of the post-contingency transmission switching problem. Numerical results demonstrate a significant reduction in total load shedding and operating cost. It has been also illustrated an expressive improvement in terms of security and operating cost, in comparison to the transmission switching models previously published. The second paper is an application of a modified Benders decomposition to the post-contingency transmission switching problem. The decomposition is an attempt to deal with the NP-hard optimization problem created by the transmission switching and unit commitment variables. The major contribution is the application of a new benders decomposition approach to the problem of transmission switching, in which the first and second stages problems are a mixed-integer program. To deal with this issue, it is used a Branch and Bound (B&B) procedure for the first-stage problem and a sequential convexification procedure for the second-stage problem.