Orientador: Prof. Dr. Edmarcio Antonio Belati / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2014.

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para localização e proposição de reforços no sistema de distribuição de energia elétrica através de programação linear, PL, e algoritmo genético, AG. A técnica de PL utilizada para a localização de pontos de reforços e, principalmente, novas subestações de distribuição, é baseada no algoritmo de ?out-of-kilter?, um conhecido algoritmo de transporte. A seleção de melhores alternativas é solucionada através do AG, que permite a modelagem de redes com proporções reais e possibilita a obtenção de resultados em tempos de execução compatíveis para aplicação de atividades em planejamento de sistemas de distribuição de energia. O modelo de algoritmo proposto aloca automaticamente novos reforços, como o recondutoramento de trechos da rede e a expansão de subestações existentes, complementando os reforços candidatos, novas subestações e novos alimentadores, propostos previamente pelo modelo de PL. A metodologia proposta é aplicada à resolução de uma rede de distribuição real, possibilitando a análise da potencialidade que esta modelagem pode oferecer. / This dissertation presents a methodology for the allocation and proposal of new reinforcements in electric distribution systems through linear programming (LP) and genetic algorithm (GA). The linear programming technique used for the allocation of new reinforcements, namely new distribution substation locations, is based on the ?out-of-kilter? algorithm, a well known transport algorithm. The selection of alternatives, determined by technical and economical criteria, is carried out through a genetic algorithm that allows the modeling of real sized distribution networks and makes possible the attainment of results in compatible execution times for distribution network planning. The proposed model places new reinforcements automatically, as it is the case of cable resizing in distribution lines and the expansion of existing substations, complementing the new substations and new feeders proposed by the linear programming model. The proposed methodology is applied to the solution of a real distribution network, showing the potential applications of the models.

Esta teste de doutorado tem como objetivo o desenvolvimento de um algoritmo de Estimação de Estados de Distorções Harmônicas (EEDH) em Sistemas Elétricos de Potência. Embora o custo dos medidores de qualidade de energia tenha diminuído, ainda é inviável a utilização de medidores para a monitoração de todas as barras de um sistema elétrico real, pois o sistema de monitoração tornar-se-ia demasiadamente oneroso. Sendo assim, torna-se necessária à utilização de algoritmo capaz de estimar, a partir de um pequeno número de pontos de monitoração, os valores das distorções harmônicas em demais pontos do sistema. Para resolver o problema em estudo, propõe-se a utilização de algoritmo de Estratégias Evolutivas. Tal algoritmo se mostra viável por sua facilidade de implementação e sua velocidade em encontrar uma solução dentro de um vasto espaço de soluções. Neste contexto, uma solução para o problema de estimação compreende um indivíduo que pode sofrer mutação e recombinação, sendo este avaliado a cada geração do algoritmo. A avaliação de cada indivíduo esta relacionada à minimização do erro quadrático de estimação de tensões nas barras monitoradas do sistema. Para esta realização são utilizadas as informações das distorções provenientes de medidores, bem como as informações da rede. O fluxo de carga para a freqüência fundamental é realizado e tomado como referência para ajustes de ângulos das distorções harmônicas na ausência de um sistema de sincronização. O algoritmo proposto foi submetido para analisar inicialmente uma rede elétrica hipotética de 4 barras com o intuito de se verificar a capacidade da metodologia. Em seguida uma rede elétrica de 14 barras foi utilizada para configurar os parâmetros do algoritmo de Estratégia Evolutiva. Esta mesma rede foi submetida à análise da estimação da Distorção Harmônica Total. Por fim, com o intuito de explorar as limitações e potencialidades, a metodologia proposta foi aplicada na análise de uma rede de subtransmissão de 50 barras, utilizando modelos por componentes simétricas e por componentes de fase. Os resultados obtidos foram promissores e indicam este ramo de estudos como sendo de grande viabilidade podendo diminuir os custos de um sistema de monitoramento de qualidade de energia elétrica, que se utiliza de EEDH. / The aim of the present thesis is to develop a Harmonic Distortion State Estimation algorithm for Power Systems. Although the cost of Power Quality Meters has decreased for a while now, it is still not practicable the use of one meter for each real system bus. This demands a Harmonic Distortion State Estimation (HDSE) algorithm to find the harmonic components in buses with no measurement. An Evolutionary Strategy algorithm is proposed in this work to solve the harmonic estimation problem. This algorithm shows good results due to its easy implementation and its quickness to find a solution for a complex problem, as the HDSE demands. In this context a solution for the estimation problem is based on a population of individuals that suffer mutation and recombination operations, and are evaluated in each generation. The individual evaluation is related to the minimization of the sum of square deviations of voltage estimation in buses with measurement. Harmonic data from meters and network data are taken as the model inputs. A load flow determines the system state for the fundamental frequency that provides the reference for the angle adjustment for harmonics. The proposed algorithm was first submitted to analyze a small four bus electrical network to verify the viability of this methodology. After this, a 14 bus electrical network was used to configure the evolutionary strategy algorithm parameters and to determine the Total Harmonic Distortion estimation. Finally, in order to understand the limitations and capability of the proposed methodology, a 50 bus subtransmission three-phase network was analyzed by models based on symmetrical components and phase components. The obtained results are very promising and indicate a considerable cost reduction in power quality monitoring systems.

Neste trabalho é proposta uma modelagem matemática para a otimização do problema de corte de carga em sistemas de distribuição de energia elétrica radiais. O problema de corte de carga consiste em uma estratégia de reconfiguração topológica da rede elétrica para interrupção do fornecimento de energia elétrica. O objetivo principal é desligar a quantidade mínima de carga do sistema, de forma a manter restrições físicas e operacionais dentro dos limites da rede elétrica. Um segundo objetivo é alterar o mínimo possível a estrutura topológica inicial do sistema. Para isso, é feita a minimização de chaveamentos. Inicialmente foi modelado como uma programação não-linear inteira mista, e transformado em uma programação cônica de segunda ordem inteira mista, que pode ser resolvida de forma eficiente usando vários solver comerciais. O modelo matemático foi implementado dentro do ambiente de programação matemática GAMS e resolvido utilizando o solver comercial CPLEX. Testes foram realizados no sistema de distribuição de 53 barras. Os resultados encontrados evidenciam a consistência e a eficiência da modelagem proposta neste trabalho. / This research proposed a mathematical model to optimize the load shedding problem in radial distribution power systems. The load shedding problem consists in a topological reconfiguration strategy of the power grid in order to interrupt the power supply. The main goal is to disconnect the minimum amount of system loads while respecting the physical and operational restrictions of the grid. The second goal of this research was to modify as little as possible the initial topological structure of the system. To achieve this, a switching minimization was performed. First, the problem was modeled as a mixed integer nonlinear programming, and then it was transformed into a mixed integer second order cone programming using various commercial solvers. The mathematical model was implemented in the mathematical programming environment GAMS and solved using the CPLEX commercial solver. Tests were performed at the 53 nodes distribution system. The test results showed the consistency and efficiency of the model proposed in this dissertation.

Os atuais paradigmas dos sistemas elétricos de distribuição buscam melhorias contínuas sob inúmeros aspectos, com destaque para a segurança e a qualidade do fornecimento, as quais constituem metas a serem sempre alcançadas pelas concessionárias do setor. Refletindo-se sobre as ocorrências que degradam simultaneamente ambos os aspectos, constata-se que as faltas fase-terra de alta impedância possuem um destaque diferenciado, pois, em diversas situações, as magnitudes envolvidas com as mesmas são incapazes de sensibilizar os dispositivos relacionados com a proteção do sistema. Assim sendo, os objetivos principais desta tese consistiram em desenvolver ferramentas matemáticas e computacionais dedicadas à identificação, classificação e localização de faltas fase-terra de alta impedância, assim como a estimação de suas prováveis resistências. Mais especificamente, desenvolveu-se a técnica de decomposição em componentes ortogonais para formas de onda de tensão e de corrente, propondo ainda uma metodologia para ajuste estrutural e paramétrico de sistemas fuzzy com a finalidade de integrar as variáveis advindas de tal decomposição. Resultados de simulações baseadas na modelagem de um alimentador real de distribuição são apresentados para demonstrar a eficiência das técnicas desenvolvidas. / The current paradigms of power distribution systems highlight their continuous improvement on several aspects, which safety and supply quality constitute goals to be always reached by the distribution companies. Taking into account the occurrences that degrade both aspects simultaneously, it is verified that the phase-ground faults with high impedance have a differentiated prominence, therefore, in several situations, their magnitudes are unable to sensitize the devices involved with the protection of the system. Thus, the main objectives of this thesis have consisted of developing mathematical and computational tools dedicated to the identification, classification and location of phase-ground faults with high impedance, as well as to estimate their probable resistances. More specifically, it has been developed the decomposition technique in orthogonal components for voltage and current waveforms, as well as proposed a methodology for structural and parametric adjustment of systems fuzzy in order to integrate all variables from such decomposition. Simulation results based on modeling of real distribution feeder are presented to demonstrate the efficiency of the developed techniques.

Os dispositivos indicadores de faltas são utilizados para sinalizar a passagem de uma corrente de curto-circuito nos alimentadores de distribuição de energia elétrica. Tais dispositivos permitem uma redução significativa no tempo de inspeção das equipes de manutenção durante a busca pela região faltosa. Entretanto, associada a estes dispositivos, encontra-se uma elevada taxa de falhas de suas operações, que comprometem a confiabilidade do equipamento e, conseqüentemente, o tempo de localização de faltas. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de ensaios laboratoriais a fim de complementar os testes padrões dos fabricantes de indicadores de faltas, buscando-se então identificar os fatores que colaboram para as falhas de tais equipamentos. Os resultados obtidos mostraram a eficiência da metodologia desenvolvida em detectar falhas de operação dos indicadores de faltas, as quais também não puderam ser detectadas por testes fornecidos por fabricantes. / Fault Indicators are devices used to signal the passage of a short-circuit current in electricity distribution feeders. Such devices allow a significant reduction in patrol time by maintenance linemen during the search for the faulty region. However, associated with these devices, it is a high failure rate of operations that compromise the equipment reliability and, consequently, the time of fault location. This work presents a new methodology for single-phase laboratory tests in order to complement the standard tests accomplished by the manufacturers of fault indicators, aiming to then identify the factors that contribute to failures of such equipment. The results showed the efficiency of the methodology developed to detect operation failures of faults indicators that could not be detected by tests provided by manufacturers.

Os geradores distribuídos em sistemas de distribuição de energia elétrica devem ser desconectados em eventos de ilhamento, que ocorrem quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da concessionária e o subsistema isolado continua a ser energizado pela geração distribuída. A proteção anti-ilhamento deve detectar tal condição operativa, porém pode não atuar em condições de pequenos desbalanços entre carga e geração, ou atuar incorretamente para eventos de outra natureza. Assim, um ajuste adequado dessa proteção deve desconectar o gerador rapidamente quando detecta o ilhamento e, simultaneamente, deve ser imune a eventos como curtos-circuitos e chaveamentos de carga, por exemplo. Esta pode ser uma tarefa muito difícil face às variações de carga e diferentes eventos de não ilhamento que podem ocorrer no sistema de distribuição. Portanto, nesta tese são propostas metodologias de ajuste das funções de proteção anti-ilhamento de sub/sobrefrequência, taxa de variação de frequência, salto de vetor e sub/sobretensão, que são técnicas convencionalmente utilizadas para a detecção de ilhamento de geração distribuída. O objetivo das metodologias é maximizar a detecção de ilhamento e minimizar a atuação incorreta, e são considerados cenários com múltiplos geradores distribuídos de diferentes tecnologias. Inicialmente, são explorados os principais fatores que afetam as proteções, tais como distribuição das cargas, fator de potência e desequilíbrio das cargas. Esta análise permite identificar os casos mais difíceis de detecção de ilhamento. Como segunda contribuição, foi proposta a metodologia de análise gráfica denominada Mapa de Ajustes, cuja eficácia foi comprovada por meio de casos de teste, mostrando ser capaz de melhorar a sensibilidade da proteção anti-ilhamento e minimizar atuação incorreta. Na sequência, é apresentado um método automático para ajuste e bloqueio de tensão e outro baseado em proteção adaptativa para ajuste das funções de proteção. Ambos são baseados na metodologia de mapa de ajustes. Os resultados indicam que é possível melhorar a detecção de ilhamento e diminuir a atuação incorreta quando utilizadas as metodologias propostas. / Distributed generators in power distribution systems must be disconnected after an islanding event, which occurs when part of the power grid becomes electrically isolated from the utility and the isolated subsystem continues to be energized by the distributed generation. The antiislanding protection has to detect such operating condition, which may fail for critical loading conditions, or operate incorrectly for events of other nature than islanding. Therefore, an appropriate protection setting should quickly disconnect the generator when an islanding event is detected, and simultaneously, must be immune to events such as short circuits and load switches. This can be a very difficult task due to load variations and different nonislanding events that may occur in the distribution system. Therefore, in this thesis is proposed methodologies to adjust the anti-islanding protection functions of under/overfrequency, rate of change of frequency, vector surge and under/overvoltage, which are techniques conventionally used for islanding detection of distributed generation. The methodologies goals are to maximize the performance of the anti-islanding protection and minimize the incorrect operation to events of other nature, and scenarios with multiple distributed generators of different technologies are considered. At first, the main factors that affect the frequency and voltage-based protection will be explored, such as load distribution, power factor and unbalanced loads. This analysis aims to identify the most critical cases of islanding detection. The second contribution of this thesis is the Setting Map methodology, which is a graphical analysis whose effectiveness has been proved by case studies, showing to be able to improve the sensitivity of anti-islanding protection, minimizing the chances of incorrect operation. In sequence, is presented an automatic method to adjust the protection functions and voltage blocking and other based on adaptive protection. Both methods are based on the Setting Map methodology. The results indicate that it is possible to improve the islanding detection and reduce the incorrect actuation when it is used the proposed methodologies.

Nos últimos anos, fatores como a reestruturação do setor de energia elétrica, a necessidade de aproveitamento de diferentes fontes primárias de energia, dificuldades na construção de grandes unidades geradoras e linhas de transmissão causadas por normas de proteção ambiental têm provocado o aumento considerável do interesse por geração distribuída. O conceito de geração distribuída tornou-se muito interessante, entretanto, sua aplicação pode provocar problemas de qualidade de energia elétrica, caso sua influência não seja devidamente estudada. Neste contexto, este documento caracteriza as variações de tensão causadas pela atuação da proteção anti-ilhamento de geradores síncronos distribuídos. Este problema pode ser considerado uma nova abordagem sobre os impactos dos geradores distribuídos na qualidade da energia elétrica, visto que as causas das variações de tensão são tipicamente relacionadas às tomadas ou alívios de grandes blocos carga, partidas de motores de indução, curtos-circuitos, desligamentos de linhas etc. Para estudar o problema, inicialmente foi feito um estudo sobre normatização técnica da área com um apanhado dos guias de diversas concessionárias. Posteriormente, simulações computacionais utilizando o programa SimPowerSystems e um sistema teste foram utilizados para que análises estáticas e dinâmicas do problema fossem feitas no intuito de investigar a natureza das variações de tensão e os fatores que influenciam suas magnitudes e durações. Índices para avaliar as variações de tensão foram criados, e um método para obtenção dos mesmos foi proposto. Tal método utiliza apenas ferramentas de análise estática (fluxo de carga) para a obtenção dos índices, evitando o uso de ferramentas dinâmicas (domínio do tempo) reduzindo o custo computacional e financeiro para análise do problema. Em seguida, o mesmo foi aplicado a um sistema que simula uma rede de distribuição real propondo-se a inserção de bancos de capacitores como medida mitigatória para o problema estudado neste trabalho. / In recent years, factors such as the restructuring of the electricity sector, the necessity to use different primary energy sources as a way to diversify sources of energy, barriers in the construction of large generating units and transmission lines caused by environmental protection standards, as well as technological advances in the generation of electricity, have caused a considerable increase in the interest for distributed generation. The concept of distributed generation has become very interesting; however, its application can result in poor power quality, if its influence is not well studied. In this context, this document characterizes voltage variations caused by the action of anti-islanding protection of distributed synchronous generators. This problem can be considered a new approach on the impact of distributed generators in power quality, since the cause of voltage variations are typically related load switching, induction motors start-up, short circuits, lines disconnection, etc. To investigate the problem, initially a study was carried out on technical standardization in the area with an overview of various utilities guides. Later, computer simulations using the SimPowerSystems software and a test system were employed for static and dynamic analysis of the problem, aiming at investigating the nature of voltage variations and the main factors that influence their magnitudes and durations. Indices to assess the voltage variations were created, and a method for obtaining them was proposed. This method uses only static approach tools (power flow calculations) to obtain the indices, avoiding the use of dynamic tools (time-domain simulations) and reducing computational and financial costs to analyses the problem. The proposed method was applied to a larger system and the insertion of capacitors bank was proposed as mitigating solution for the problem studied in this work.

A atual situação energética global demonstra a dependência pela energia elétrica, evidenciando a importância do uso racional da energia e da redução de poluentes em sua produção. A utilização de hidrogênio como fonte de geração de energia elétrica nas células a combustível utiliza um bem abundante na face terrestre, e produz energia elétrica sem poluição. A célula a combustível constitui-se de um conversor eletroquímico, que converte a energia química proveniente dos reagentes hidrogênio e oxigênio em energia elétrica (corrente contínua), água e calor. Esta tecnologia é promissora e apresenta uma gama de aplicações no cotidiano, sendo atrativa em relação às outras tecnologias convencionais, com incrementos na eficiência, emissão de poluentes, simplicidade, maior vida útil, tamanho e peso, sendo modular e silenciosa. As células a combustível possuem aplicações no setor automobilístico, como geração auxiliar em instalações elétricas, geração de energia para equipamentos portáteis e programas espaciais. Entre as restrições estão o custo da célula e a produção de hidrogênio e como estocá-lo. O hidrogênio não é uma fonte primária de energia, mas pode ser obtida a partir de processos tais como a eletrólise, fontes fósseis, pirólise a plasma, biocombustíveis como o lixo urbano e a biomassa. Este trabalho apresenta um estudo do estado da arte e uma sistematização das formas de utilização de células a combustível como geração auxiliar em instalações elétricas de grande porte. Esta tecnologia é de desenvolvimento recente, intensificando-se com as restrições ambientais às outras fontes, além da previsão da redução futura do custo deste tipo de aproveitamento. O trabalho faz uma comparação entre a geração auxiliar em instalações elétricas de grande porte feita com células a combustível com as outras gerações auxiliares convencionais, como o gerador a diesel, e é sugerido o seu emprego como opção, sendo feitas análises técnica e econômica. Também uma análise de seu funcionamento e um estudo de caso com a viabilidade econômica de seu emprego em um laboratório de informática em uma instituição de ensino. / The current global energy situation shows the dependence on the electric energy, and the importance of the rational use of energy and the reduction of pollutants in the production of energy. The hydrogen as source of generation of electrical energy in fuel cells uses an abundant resource in Earth, and produces electrical energy with no pollution. The fuel cell consists of an electrochemical converter, that converts the chemical energy from the hydrogen and oxygen reagents into electric energy (continuous current), water and heat. This technology is promising and presents a range of applications in every day life, being attractive in relation to the other conventional technologies, due to increments in the efficiency, emission of pollutants, simplicity, longer life and smaller weight, being modular and silent. The cells the fuel have applications in the automotive segment, as auxiliary generation in electrical installations, generation of energy for portable equipment and space programs. Among the restrictions there is the cost of the cell and the hydrogen production and how to store it. The hydrogen is not a primary source of energy, but can be obtained from processes such as fossil electrolysis, plasma pyrolysis, bio fuels as the urban garbage and the biomass. This paper presents a study of the state of the art of this technique and also a systematization of the ways in which it can be used as auxiliary generation in automated electric installations. This technology, of recent development, has its interest increased by the environmental restrictions to the sources of energy and also by the cost reduction that is forecast. There is also a case study with a comparison between fuel cells and other more conventional options as the diesel generation. The paper is carried out for an existing computer processing center in an educational institution.

O grau de integração entre as áreas de planejamento da expansão e de planejamento da operação de concessionárias de distribuição de energia elétrica ainda é insuficiente, pelo menos no caso brasileiro. Isso significa que a área de planejamento da operação não pode explorar plenamente e implementar os resultados e as recomendações trazidas pela área de planejamento da expansão em seus estudos de planejamento da operação. Como consequência, uma quantidade considerável de trabalho torna-se redundante, a eficiência é reduzida e há perda de qualidade. Além disso, uma concessionária de distribuição de energia elétrica geralmente possui vários sistemas independentes para a análise de redes elétricas de acordo com seu tipo (equilibrado ou desequilibrado), nível de tensão (subtransmissão, distribuição primária ou distribuição secundária) e sua topologia (radial ou malha). Obviamente, essa falta de integração também implica grandes dificuldades na realização de estudos de planejamento e de operação, ainda mais com a disponibilidade dos dados hoje difundida. Este trabalho tem como objetivo melhorar essa integração por meio de uma nova metodologia e de um sistema computacional de apoio. Uma das características mais interessantes da ferramenta é precisamente a sua capacidade de analisar qualquer tipo de rede elétrica, independentemente dos parâmetros. Por meio de alguns estudos de casos, demonstra-se como uma melhor integração entre as duas áreas dentro de um banco de dados significa redução de tempo na execução de atividades de ambas as áreas, eliminação de retrabalho e melhor qualidade dos resultados, que são posteriormente enviados para o operador nacional do sistema (ONS). / The degree of integration between the expansion planning and the operational planning areas in electricity distribution utilities is still insufficient, at least in the Brazilian case. This means that the latter cannot fully exploit and implement results and recommendations brought about by the former in its planning studies. As a consequence, a considerable amount of work becomes redundant, with reduced efficiency and loss of quality. In addition, an electricity distribution utility usually possesses various independent systems for analyzing electrical networks according to their type (balanced or unbalanced), their rated voltage (subtransmission, primary feeder or low-voltage circuit) and their topology (radial or meshed). Obviously, this lack of integration also implies considerable difficulties when carrying out planning and operational studies, even more with today´s widespread data availability. This work focuses on improving such integration through a new methodology and a supporting computational system. One of the most interesting features of the software is precisely its ability to analyze any type of electrical network, regardless of the above parameters. Through some study cases, it is shown how a better integration between the two areas within a utility means reduced overall time, elimination of redundant work and better quality of results, which are later sent to the independent system operator (ISO).