Os métodos diretos são adequados à análise de estabilidade transitória em sistemas de potência, já que não requerem a resolução, integração numérica, do conjunto de equações diferenciais que representam o sistema. Os métodos diretos utilizam as idéias de Lyapunov associadas ao princípio de invariância de LaSalle para estimar a área de atração dos sistemas de potência. A grande dificuldade dos métodos diretos está em encontrar uma função auxiliar V, denominada função de Lyapunov que satisfaça as condições estabelecidas pelo Teorema de Lyapunov. Neste trabalho é realizada uma revisão bibliográfica das funções de Lyapunov utilizadas para análise de estabilidade transitória em sistemas de potência. Analisa-se o problema da existência de funções de Lyapunov quando as condutâncias de transferência são consideradas. Utilizando-se de uma extensão do princípio de Invariância de LaSalle, apresenta-se uma nova função a qual é uma função de Lyapunov no sentido mais geral da extensão do princípio de invariância de LaSalle quando as condutâncias de transferência da matriz admitância da rede reduzida são consideradas. Estudou-se também a existência de funções de Lyapunov no sentido mais geral de extensão do princípio de invariância de LaSalle para modelos que preserva a estrutura da rede. Neste caso, infelizmente não encontramos uma função satisfazendo todas as hipóteses requeridas. / The direct methods are well-suited for transient stability analysis to power systems, since they do not require the solution of the set of differential equations of the system model. The direct methods use the Lyapunov\'s ideas related to the LaSalle\'s invariance principle to estimate the power system attraction area. The great difficulty of the direct methods is to find an auxiliar function V, called Lyapunov function, which satisfies the conditions of Lyapunov\'s theorem. In this work, a bibliographic review of the Lyapunov functions used in transient stability analysis of power systems is done. The problem of existence of Lyapunov functions, when the transfer conductances are considered, is analysed. Using LaSalle\'s invariance principle extension, a Lyapunov function considering the transfer conductances is presented. The existence of Lyapunov functions for models that preserv the network structure was studied using the LaSalle\'s invariance principle. Unfortunately, in these cases, we did not find a function satisfing all the required hypothesis.

Online stability assessment is an important problem that has not been solved completely yet. The purpose of this research is to tackle online transient stability assessment. Currently, most utility companies use step-by-step integration in order to set protective equipment so that they effectively work for critical contingencies. However, there are times an unforeseen contingency may occur which may cause the system to transit and the protective equipment to misoperate and does not isolate the disturbed part of the system. This research introduces a method that automatically determines a group of generators that participate in system separation and hence transient instability. The method consists of four phases: modeling and simulation, critical machines identification, online transient stability assessment, and critical clearing time calculation. In the modeling and simulation phase, the power system is built and the generators’ rotor angles and speeds are captured. In the critical machines identification phase, the average instantaneous rotor accelerating powers, coherency measures, the during-fault rotor angles and speeds characteristics, and the pre- and post-fault rotor angles are used to identify the Severely Disturbed Group (SDG) of machines. The results of this phase are used to calculate the kinetic energy of the SDG and potential energy of another (or possibly the same) group of generators. Utilization and success of the proposed method will be documented using results from the IEEE 39-Bus test system. Each step of each phase will be demonstrated as needed. The proposed method is compared to step-by-step integration and two direct methods. The suitability of the proposed method for operation will be shown in cases where the Y-Bus matrix and rotor angles and speeds are given. The proof of concept of the proposed method was used in simulating the test system and encouraging results of the simulation were published in ‎[1] and ‎[2]. The proof of concept is the foundation of the method proposed in this dissertation to determine transient stability of large-scale power systems.

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.

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.

The problem addressed in this research is the in-flight generation of trajectories for autonomous unmanned aircraft, which requires a method of generating pseudo-optimal trajectories in near-real-time, on-board the aircraft, and without external intervention. The focus of this research is the enhancement of a particular inverse dynamics direct method that is a candidate solution to the problem. This research introduces the following contributions to the method. A quaternion-based inverse dynamics model is introduced that represents all orientations without singularities, permits smooth interpolation of orientations, and generates more accurate controls than the previous Euler-angle model. Algorithmic modifications are introduced that: overcome singularities arising from parameterization and discretization; combine analytic and finite difference expressions to improve the accuracy of controls and constraints; remove roll ill-conditioning when the normal load factor is near zero, and extend the method to handle negative-g orientations. It is also shown in this research that quadratic interpolation improves the accuracy and speed of constraint evaluation. The method is known to lead to a multimodal constrained nonlinear optimization problem. The performance of the method with four nonlinear programming algorithms was investigated: a differential evolution algorithm was found to be capable of over 99% successful convergence, to generate solutions with better optimality than the quasi- Newton and derivative-free algorithms against which it was tested, but to be up to an order of magnitude slower than those algorithms. The effects of the degree and form of polynomial airspeed parameterization on optimization performance were investigated, and results were obtained that quantify the achievable optimality as a function of the parameterization degree. Overall, it was found that the method is a potentially viable method of on-board near- real-time trajectory generation for unmanned aircraft but for this potential to be realized in practice further improvements in computational speed are desirable. Candidate optimization strategies are identified for future research.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um programa computacional para análise de contingências, no contexto da estabilidade transitória, capaz de identificar as contingências críticas do sistema elétrico de potência via métodos diretos. A análise de estabilidade é realizada em diversas etapas, onde serão aplicados diversos filtros, baseados em métodos de análise de ilhamento, não existência de pontos de equilíbrio, PEBS, BCU e simulação computacional, no domínio do tempo, do sistema. Em cada etapa da análise, os casos serão classificadas como sendo estáveis, instáveis ou incertos segundo diferentes critérios, restando portanto, ao fim de cada etapa, um conjunto menor de possíveis contingências críticas. A metodologia proposta foi desenvolvida para modelos de SEPs com rede reduzida, porém as técnicas discutidas neste trabalho aplicam-se também a modelos que preservam a estrutura do sistema de transmissão. / The main objective of this work is to design a transient stability screening contingency program that is able to identify all critical contingencies in an electric power system using direct methods. The stability assessment is performed through several steps by mean of filters based on islanding detection, nonexistence of equilibrium points, PEBS, BCU and time-domain simulation of the power system. In each step of the analysis, all cases are classified as stable, unstable or uncertain cases by different criteria, resulting at the end of each step in a small number of possible critical contingencies. The proposed methodology was designed for reduced models of electric power systems, but all the techniques discussed in this work are also suitable for preserving structure models.

Este trabalho está dividido em duas partes distintas que constituem contribuições inéditas ao estudo da estabilidade em sistemas elétricos de potência. A primeira parte do trabalho é a mais importante e trata do problema da identificação das soluções de baixa tensão críticas do fluxo de carga. Esta parte do trabalho se presta a análise de estabilidade de tensão a pequenas perturbações. Os últimos capítulos deste trabalho apresentam também uma proposta de função energia estendida que modela as cargas dependentes da tensão segundo o modelo ZIP de carga, considerando a estrutura da rede preservada. Assim, a função energia proposta pode ser utilizada para analisar tanto a estabilidade de tensão como a estabilidade de ângulo em sistemas de potência. Esta proposta também é inédita na literatura. Embora a função energia proposta tenha sido aplicada apenas a sistemas de dimensão reduzidas, os resultados apresentados neste trabalho nos levam a acreditar que essa mesma função energia pode ser utilizada na análise de estabilidade de sistemas de potência de grandes dimensões. Já o método proposto para identificação das soluções de baixa tensão das equações de fluxo de carga se utiliza de um sistema dinâmico auxiliar das equações de fluxo de carga. O sistema dinâmico auxiliar utilizado não tem significado físico, mas pode ser escolhido de tal forma que a solução usual das equações de fluxo de carga seja um ponto de equilíbrio estável do sistema dinâmico auxiliar, eque as soluções de baixa tensão do fluxo de carga sejam pontos de equilíbrio instáveis do sistema dinâmico auxiliar. Dessa forma, é possível calcular as soluções de baixa tensão do fluxo de carga, calculando-se os pontos de equilíbrio instáveis do sistema dinâmico auxiliar. Assim, é possível utilizar partes da teoria de sistemas dinâmicos para estudar as soluções das equações de fluxo de carga. Baseado nestes princípios, foi desenvolvido um programa para calcular trajetórias do sistema dinâmico auxiliar, que se iniciam e se mantêm nas vizinhanças da fronteira da área de atração do ponto de equilíbrio estável do SEP. Dessa forma é possível afirmar que a trajetória calculada tende a convergir para a solução crítica das equações de fluxo de carga. O programa foi inicialmente concebido para calcular as soluções de baixa tensão de sistemas elétricos sem perdas. Em seguida o programa desenvolvido foi adaptado para calcular as soluções de baixa tensão de sistemas de potência completos, incluindo também as resistências das linhas de transmissão. Esta última versão do programa foi testada para os sistemas IEEE 39 e IEEE 118 barras, e os resultados obtidos se mostraram bastante satisfatórios. Assim, o método proposto é uma ferramenta original e eficaz para a solução do problema de calcular a solução crítica das equações de fluxo de carga de sistemas elétricos de potência. / This work may be divided into two distinct parts. Both of them are new contributions to stability analysis of power systems. In the first part it is proposed a new method to calculate the critical load flow low voltage solutions, and it is the main part of this work. Meanwhile, the last two chapters of this work presents a proposed extended energy function that consider the common load ZIP models. It allows the analysis of angle and voltage stability for power systems subjected to large disturbances. This work proposes a method to calculate the low voltage solutions (LVS) of the load flow equations of an electrical power system. The proposed method identifies the LVS involved in the saddle-node bifurcation leading the power system to a voltage collapse. This solution is known as the critical low voltage solution. In order to perform the proposed calculation, an auxiliary dynamical gradient system is used. It is shown that the equilibrium points of that associated auxiliary dynamical gradient system are the solutions of the load flow equations. In such manner, the paper proposes identifying the critical LVS calculating the equilibrium points of an auxiliary dynamical gradient system. The proposed method was tested on the Stagg 5-bus, on the IEEE 39-bus and on IEEE 118-bus test systems, and the results are presented at the end of the text.

O objetivo geral deste trabalho é a extensão dos métodos diretos para o estudo de estabilidade de tensão em sistemas de potência. Devido à diversidade dos dispositivos com distinta velocidade de atuação, propriedades de escalas de tempo foram exploradas para viabilizar essa extensão. O presente trabalho de pesquisa tem como contribuições (i) o estabelecimento de uma metodologia geral para análise de estabilidade de sistemas elétricos de potência em escalas de tempo e (ii) a extensão dos métodos diretos para a análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas de potência. Com base na teoria dos sistemas singularmente perturbados, propõe-se um algoritmo geral de análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas elétricos de potência e estabelecem-se os fundamentos teóricos deste algoritmo que validam a decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo. Assim, a análise de estabilidade de um sistema elétrico de potência pode ser decomposta na análise de estabilidade de seus correspondentes subsistemas rápido e lento, de menor ordem. Estes fundamentos preenchem uma lacuna que existia entre as análises de estabilidade no curto-prazo e médio-prazo e estabelece uma relação entre elas. Em particular, o método quase estático (QSS) para análise de estabilidade na escala de médio prazo, que pressupõe que as dinâmicas rápidas são estáveis e a análise de estabilidade transitória são casos particulares do algoritmo proposto. A partir dos fundamentos da decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo, estenderam-se os métodos diretos de análise de estabilidade, em particular o método CUEP, inicialmente desenvolvidos para análises de estabilidade transitória, para o problema de análise de estabilidade no médio prazo via decomposição da análise em escalas de tempo. Essa extensão é importante na medida em que os métodos diretos são rápidos, e viabilizam o desenvolvimento de técnicas de análise de estabilidade de tensão que sejam adequadas para aplicações em tempo real. A metodologia proposta foi testada em sistemas de potência de pequeno porte com bons resultados na avaliação de tempos de atuação dos equipamentos de controle e proteção, fornecendo também um melhor entendimento dos mecanismos de estabilização dos sistemas de potência analisados. / The aim of this study is the extent of direct methods for the study of voltage stability in power systems. Because of the diversity of devices with different speed of action, time-scales properties were explored to enable this extension. This research work has as contributions (i) establishing a general methodology for stability analysis of electric power systems on time scales and (ii) the extent of direct methods for the analysis of stability in time-scales scales of electric power systems. Based on the theory of singularly perturbed systems, we propose a general algorithm of stability analysis in time-scales electric power systems and develop the theoretical foundations of this algorithm to validate the decomposition of stability analysis in time scales. Thus, the stability analysis of a power system can be decomposed in the stability analysis of their corresponding fast and slow subsystems of lower order. These fundamentals fill the gap that existed between the stability analysis in the short-term and mid-term and establishes a relationship between them. In particular, the quasi steady state method (QSS) for stability analysis of the mid-term scale, which presupposes that the fast dynamics are stable and transient stability analysis are particular cases of the algorithm proposed. From the fundamentals of decomposition of time scales stability analysis, the direct methods of stability analysis will be extended, in particular CUEP method initially developed for transient stability analysis, for the mid-term stability problem via time-scale analysis. This extension is important because the direct methods are fast, and enable the development of voltage stability analysis techniques that are suitable for real time applications. The proposed methodology was tested in small power systems with good results in the evaluation of operating times of the control and protection equipment, also providing a better understanding of the stabilization mechanisms of the analyzed power systems.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um programa computacional para análise de contingências, no contexto da estabilidade transitória, capaz de identificar as contingências críticas do sistema elétrico de potência via métodos diretos. A análise de estabilidade é realizada em diversas etapas, onde serão aplicados diversos filtros, baseados em métodos de análise de ilhamento, não existência de pontos de equilíbrio, PEBS, BCU e simulação computacional, no domínio do tempo, do sistema. Em cada etapa da análise, os casos serão classificadas como sendo estáveis, instáveis ou incertos segundo diferentes critérios, restando portanto, ao fim de cada etapa, um conjunto menor de possíveis contingências críticas. A metodologia proposta foi desenvolvida para modelos de SEPs com rede reduzida, porém as técnicas discutidas neste trabalho aplicam-se também a modelos que preservam a estrutura do sistema de transmissão. / The main objective of this work is to design a transient stability screening contingency program that is able to identify all critical contingencies in an electric power system using direct methods. The stability assessment is performed through several steps by mean of filters based on islanding detection, nonexistence of equilibrium points, PEBS, BCU and time-domain simulation of the power system. In each step of the analysis, all cases are classified as stable, unstable or uncertain cases by different criteria, resulting at the end of each step in a small number of possible critical contingencies. The proposed methodology was designed for reduced models of electric power systems, but all the techniques discussed in this work are also suitable for preserving structure models.

O objetivo geral deste trabalho é a extensão dos métodos diretos para o estudo de estabilidade de tensão em sistemas de potência. Devido à diversidade dos dispositivos com distinta velocidade de atuação, propriedades de escalas de tempo foram exploradas para viabilizar essa extensão. O presente trabalho de pesquisa tem como contribuições (i) o estabelecimento de uma metodologia geral para análise de estabilidade de sistemas elétricos de potência em escalas de tempo e (ii) a extensão dos métodos diretos para a análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas de potência. Com base na teoria dos sistemas singularmente perturbados, propõe-se um algoritmo geral de análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas elétricos de potência e estabelecem-se os fundamentos teóricos deste algoritmo que validam a decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo. Assim, a análise de estabilidade de um sistema elétrico de potência pode ser decomposta na análise de estabilidade de seus correspondentes subsistemas rápido e lento, de menor ordem. Estes fundamentos preenchem uma lacuna que existia entre as análises de estabilidade no curto-prazo e médio-prazo e estabelece uma relação entre elas. Em particular, o método quase estático (QSS) para análise de estabilidade na escala de médio prazo, que pressupõe que as dinâmicas rápidas são estáveis e a análise de estabilidade transitória são casos particulares do algoritmo proposto. A partir dos fundamentos da decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo, estenderam-se os métodos diretos de análise de estabilidade, em particular o método CUEP, inicialmente desenvolvidos para análises de estabilidade transitória, para o problema de análise de estabilidade no médio prazo via decomposição da análise em escalas de tempo. Essa extensão é importante na medida em que os métodos diretos são rápidos, e viabilizam o desenvolvimento de técnicas de análise de estabilidade de tensão que sejam adequadas para aplicações em tempo real. A metodologia proposta foi testada em sistemas de potência de pequeno porte com bons resultados na avaliação de tempos de atuação dos equipamentos de controle e proteção, fornecendo também um melhor entendimento dos mecanismos de estabilização dos sistemas de potência analisados. / The aim of this study is the extent of direct methods for the study of voltage stability in power systems. Because of the diversity of devices with different speed of action, time-scales properties were explored to enable this extension. This research work has as contributions (i) establishing a general methodology for stability analysis of electric power systems on time scales and (ii) the extent of direct methods for the analysis of stability in time-scales scales of electric power systems. Based on the theory of singularly perturbed systems, we propose a general algorithm of stability analysis in time-scales electric power systems and develop the theoretical foundations of this algorithm to validate the decomposition of stability analysis in time scales. Thus, the stability analysis of a power system can be decomposed in the stability analysis of their corresponding fast and slow subsystems of lower order. These fundamentals fill the gap that existed between the stability analysis in the short-term and mid-term and establishes a relationship between them. In particular, the quasi steady state method (QSS) for stability analysis of the mid-term scale, which presupposes that the fast dynamics are stable and transient stability analysis are particular cases of the algorithm proposed. From the fundamentals of decomposition of time scales stability analysis, the direct methods of stability analysis will be extended, in particular CUEP method initially developed for transient stability analysis, for the mid-term stability problem via time-scale analysis. This extension is important because the direct methods are fast, and enable the development of voltage stability analysis techniques that are suitable for real time applications. The proposed methodology was tested in small power systems with good results in the evaluation of operating times of the control and protection equipment, also providing a better understanding of the stabilization mechanisms of the analyzed power systems.