Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Coorientador: Marina Lavorato de Oliveira / Banca: Jose Roberto Sanches Mantovani / Banca: Carmen Lucia Tancredo Borges / Resumo: O problema de Planejamento da expansão de Sistemas de Distribuição (PSD) de energia elétrica apresentado neste trabalho tem como objetivo a construção/recondutoramento de circuitos e construção/repotenciação de subestações de forma otimizada avaliando os custos de construção de circuitos e/ou subestações e de operação do sistema em um horizonte de planejamento pré-estabelecido. Para resolver este problema, uma metaheurística de Busca em Vizinhança Variável (VNS) foi desenvolvida. Inicialmente, foi implementado um Algoritmo Heurístico Construtivo (AHC) para fornecer um ponto inicial de boa qualidade para a metaheurística. A vantagem do algoritmo VNS é sua fácil implementação e adaptação ao problema de PSD além da possibilidade de avaliar diferentes estruturas de vizinhança garantindo adequada exploração do espaço de busca. O algoritmo VNS foi escrito na linguagem de modelagem matemática AMPL onde a cada iteração é resolvido um problema de programação não linear utilizando o solver comercial KNITRO / Abstract: Distribution System expansion Planning (DSP) problem presented in this work aims to build/reconducting circuits and to build/repower substations optimally assessing the cost of building circuits and/or substations and operating system in a horizon planning pre- established. To solve this problem, a metaheuristic Variable Neighbourhood Search in (VNS) has been developed. Initially, a Constructive Heuristic Algorithm (HCA) was implemented to provide a good starting point for the metaheuristic. The advantage of the VNS algorithm is its easy implementation and adaptation to the DSP problem and the opportunity to assess different neighborhood structures ensuring adequate exploitation of the search space. The VNS algorithm was written in mathematical modeling language AMPL where each iteration is solved by a nonlinear programming problem using the commercial solver KNITRO / Mestre

Orientador: José Matheus Yalenti Perosa / Banca: Elias José Simon / Banca: Thais Tostes Graziano / Resumo: O presente trabalho analisou a eficiência de dois sistemas de distribuição de rosas no Estado de São Paulo, a Companhia de Entrepostos e Armazéns Gerais do Estado de São Paulo (CEAGESP) e a Central de Abastecimento - Ceasa Campinas, utilizando como parâmetro as perdas físicas, econômicas e energéticas ocorridas no processo de distribuição. Foram analisadas as estruturas organizacionais predominantes nos dois sistemas, tendo como unidade de análise as transações econômicas realizadas entre distribuidores e varejo, com base no referencial teórico da Economia dos Custos de Transação. As perdas energéticas contribuíram para uma análise da sustentabilidade dos sistemas, em termos energéticos, se colocando como suporte para futuras pesquisas. Também foram analisadas as inter-relações entre os agentes econômicos e entre os diferentes sistemas de distribuição através do referencial teórico da Dependência de Recursos, que estariam interferindo nas perdas e nos arranjos organizacionais dos sistemas. A pesquisa foi realizada com questionários abertos, aplicados aos distribuidores de rosas de corte dos dois sistemas de distribuição, nos diferentes tipos de padronização encontrados no mercado. Os resultados obtidos mostram que no período analisado, 2002 a 2005, o sistema CEAGESP apresentou maiores perdas físicas com 2.007.221,7 dúzias de rosas, o que representa um valor estimado de R$ 12.406.595,89. No sistema de distribuição Ceasa Campinas a perda física foi de 661.629,5 de dúzias de rosas, com valor estimado de R$ 2.918.514,50. Em termos energéticos, as perdas foram de 509.776,7 MJ no sistema CEAGESP e 168.034,8 MJ no sistema Ceasa Campinas. 2 O estudo conclui que as perdas verificadas, nas suas dimensões física, econômica e energética, estão relacionadas não apenas às relações verticais entre os agentes... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The present work analyzed the efficiency of two systems of distribution of roses in the State of São Paulo, the CEAGESP and Ceasa Campinas, using as parameter physical, economic and energetic losses occurred in distribution process. The predominant organizational structures were analyzed in the two systems by having as a unit of analysis the economic transactions that were carried out between deliverers and retail, on the basis of the theoretical referential Transaction Costs Economy. The energetic losses contributed for an analysis of sustentabilidade of the systems, in energy terms, being placed as a support for future research. Also the interrelations had been analyzed between economic agents and the different systems of distribution through theoretical referential of the Dependence of Resources, that would be intervening with losses and in the organizational arrangements of the systems. The research was carried out by applying open questionnaires to deliverers of roses of cut in the two distribution systems, in the different found types of standardization in market. The obtained results show that in the analyzed period, 2002 the 2005, CEAGESP system presented greater physical losses with 2.007.221,7 dozens of roses, that it represents an estimate of R$ 12.406.595,89. In the system of distribution Ceasa Campinas the physical losses were of 661.629,5 of dozens of roses, with estimate of R$ 2.918.514,50. In energy terms, the losses had been of 509.776,7 MJ in CEAGESP system and 168.034,8 MJ in the Ceasa Campinas system. The study concludes that the verified losses, in its dimensions physical, economic and energetic, they are related not only to the vertical relations between the economic agents of each system, determinative in the structure organizational of each 4 one, but also to the horizontal relations and of dependence between same and the among... (Complete abstract, click electronic access below) / Mestre

A maior presença de correntes harmônicas no sistema de distribuição, principalmente devido à geração distribuída, tem chamado atenção sobre suas possíveis consequências. O trabalho apresenta um método para a avaliação de harmônicas em um sistema elétrico através de um estimador de estados. A proposta é um método de supervisão da rede de distribuição utilizando o menor número de medidores possível. Isso foi feito identificando topologias de rede que viabilizam o uso de pseudomedidas no lugar de medidores. O método é aplicado a um estudo de caso baseado no modelo IEEE 13 barras e os resultados do estimador de estados foram comparados a uma simulação. Também é feita uma análise de sensibilidade do código, observando os resultados quando se adicionam erros sobre as medidas e sobre os parâmetros das linhas do sistema. / The growth of harmonic currents in distribution system, mainly due the distributed generation, is calling attention of the specialists to its possible consequences. This work presents a method to assessment of harmonics in an electric power system through a state estimator. The proposal is a method to monitor the distribution network using as few measurement devices as possible. It was performed identifying network topologies where a pseudomeasurement can replace a measurement device. The method was applied to a study case based on the IEEE 13 buses model and its results were compared to a simulation. A sensitivity analysis of the code also was performed, errors were added to measurements and lines parameters to assess the errors in the state estimator results.

Os Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão constantemente expostos à ocorrência de faltas, o que torna de primordial importância para as concessionárias que estas sejam localizadas com rapidez e precisão. Com isso, a degradação da confiabilidade do sistema e as perdas econômicas são minimizadas. Com este intuito, diversas pesquisas vêm sendo conduzidas nas últimas décadas tendo em vista o desenvolvimento de métodos computacionais para Localização de Faltas (LF) em SDEE. Embora as técnicas disponíveis atualmente sejam capazes de estimar a distância das faltas com relativa exatidão, algumas características intrínsecas aos SDEE ainda impõem limitações à LF em alimentadores radiais. Em geral, o aspecto econômico requer o uso de dados provenientes de um único terminal de medição. Ainda, a quantidade significativa de ramais laterais tipicamente presentes nos SDEE faz com que o problema das múltiplas estimativas da LF seja considerado como a principal limitação à efetividade das técnicas existentes na atualidade. Neste contexto, este trabalho apresenta uma metodologia baseada na análise dos transitórios de alta frequência gerados pelas faltas, a qual é capaz de fornecer uma estimativa única para a LF em SDEE ramificados a partir de medições somente no terminal local. O ramal em falta e a distância da falta em relação ao terminal de medição são determinados através da comparação entre as frequências características identificadas no espectro do transitório, e as frequências teóricas calculadas para os possíveis caminhos de propagação. Uma das principais contribuições deste trabalho consiste na formulação de um modelo detalhado das linhas de distribuição desequilibradas. A formulação proposta é baseada na modificação nas equações de Carson, considerando a dependência da frequência e a inclusão dos efeitos pelicular e da corrente de retorno pela terra para altas frequências. Como resultado, esta abordagem permite uma maior exatidão na determinação dos parâmetros modais que descrevem a propagação de transitórios em SDEE desequilibrados, eliminando as aproximações adotadas pela maioria das técnicas propostas na literatura atual. A técnica proposta foi avaliada considerando simulações de faltas nos alimentadores IEEE 13 e 34 barras através do ATP/EMTP. Os resultados apresentados incluem diversos cenários de faltas, bem como a comparação com um método de LF para SDEE considerado estado da arte atualmente. / Electric power distribution systems (EPDS) are continuously exposed to faults, therefore fast and accurate fault location is of paramount importance for utilities. Thus, degradation of system reliability and economic losses are minimized. In this sense, several studies have been conducted in the last decades aiming to the development of computational methods for Fault Localization (FL) in EPDS. Although the currently available techniques are able to estimate fault distance with relative accuracy, some intrinsic characteristics of EPDS still impose limitations to FL in radial feeders. In general, the economic aspect requires use of data from one-terminal measurements. Also, typical EPDS have a large number of branches, which makes the problem of multiple FL estimates the main limitation to the effectiveness of the existing techniques. In this context, this work presents a methodology based on the analysis of the high frequency transient generated by faults, which is able to provide a unique FL estimate in branched EPDS by using only one-terminal measurements. The faulted branch and the fault distance from the measurement terminal are determined by correlating the characteristic frequencies identified in the transient spectrum and theoretical frequencies calculated for the possible propagation paths. One of the main contributions of this work is the formulation of a detailed model of unbalanced distribution lines. The proposed formulation is based on the modification of Carson’s equations, considering frequency dependence and inclusion of skin effects and the ground current return at high frequencies. As a result, this approach allows a greater accuracy in determining the modal parameters that describe the transients’ propagation in unbalanced EPDS, thus eliminating the approximations adopted by most of the techniques proposed in the current literature. The proposed technique was evaluated considering fault simulations in the IEEE 13 and 34 nodes feeders through the ATP/EMTP. Results presented include several fault scenarios as well as the comparison with a FL method for SDEE currently considered as the state of the art.

Os afundamentos de tensão são distúrbios que afetam grandemente a qualidade da energia fornecida aos consumidores, se mostrando especialmente danosos para os consumidores industriais que dependem de tensões em níveis adequados para a continuidade de seus processos de fabricação. O desempenho das redes elétricas frente aos afundamentos de tensão é usualmente mensurado através de indicadores, que dentre outros propósitos, fornecem as informações necessárias ao planejamento de ações voltadas à mitigação dos efeitos dos afundamentos de tensão causados por faltas. Em geral, as regiões da rede vulneráveis a este tipo de distúrbio são identificadas através de medições em pontos de interesse ao longo da rede. No entanto, esta abordagem se mostra restritiva, pois abrange áreas pontuais e intervalos de tempo pouco representativos. Neste contexto, o presente trabalho propõe uma metodologia para estimar os indicadores de afundamentos de tensão, utilizando medições em um único terminal da rede. A técnica é baseada na determinação da localização das faltas para estimar as magnitudes dos afundamentos em todos os nós da rede. Estas informações são utilizadas para caracterizar o desempenho dos sistemas de distribuição em relação aos afundamentos de tensão que ocorrem em um dado período de estudo. A validação da metodologia foi efetuada a partir de simulações de faltas nos sistemas testes IEEE 13 nós e 34 nós. Os testes incluem a análise da sensibilidade da técnica frente a variações no carregamento da rede, considerando diversos cenários de faltas. / Voltage sags are disturbances that greatly affect the power quality supplied to customers and are especially damaging to industrial customers which rely on adequate voltage levels for the continuity of manufacturing processes. Electrical networks’ performance against voltage sags is usually measured by indices that among other purposes, provide the necessary information for planning actions aiming to mitigate the effects of voltage sags caused by faults. In general, areas vulnerable to this type of disturbance are identified by measurements at points of interest along the network. However, this approach is restrictive, since it covers punctual areas and reduced time intervals. In this context, this work proposes a methodology for estimating voltage sags indices using measurements at a single terminal. The technique is based on the fault location to estimate the magnitudes of voltage sags in all network nodes. This information is used to evaluate the performance of distribution systems in relation to the occurrence of voltage sags in a given period of study. The method’s validation was performed by fault simulations in the IEEE 13 node and 34 node test systems. The tests include a sensitivity analysis considering load variation and several fault scenarios.

Este documento apresenta uma metodologia analítica adaptativa para localização de faltas baseada na estimativa da impedância para sistemas de distribuição ativos. A metodologia proposta combina a informação fornecida por dispositivos eletrônicos inteligentes alocados na subestação principal e nos terminais de cada unidade de Recurso Energético Distribuído (do inglês Distributed Energy Resources - DER), o conhecimento da topologia da rede e os seus parâmetros para estimar a localização da falta. A característica adaptativa é dada pelo uso de modelos elétricos lineares para considerar o efeito das DER conectadas à rede, quando a informação fornecida pelos Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (do inglês Intelligent Electronic Devices - IED) não é disponível. Adicionalmente, uma estratégia baseada na técnica Ladder é desenvolvida para estimar a contribuição de corrente desde as DER até o ponto de falta. Esta estratégia permite considerar vários geradores conectados e seus diferentes modos de operação. A metodologia proposta foi validada com o sistema IEEE 34 barras. Este sistema foi modelado no Alternative Transients Program (ATP) e modificado pela inserção de várias unidades DER. A metodologia proposta foi validada em vários cenários. Estes cenários avaliam o efeito da distância até a falta, resistência da falta, incerteza na carga, nível de penetração de DER, número de geradores conectados e erros nas medidas ou na estimação dos parâmetros das DER quando seus modelos forem utilizados. Para estas considerações, o desempenho da formulação proposta é satisfatório, apresentando erros menores do que 3%. / This document presents an adaptive analytical impedance-based fault location methodology for active distribution systems. The proposal combines information provided by Intelligent Electronic Devices (IEDs) located in the substation, each Distributed Energy Resources units terminal, the knowledge of the network topology as well as its parameters to estimate the fault location. Its adaptive feature is given by the use of linear analytical equivalent models to consider of DER effect in case the information provided by a local IED is not available. Additionally, a ladder-based technique is proposed to estimate the current contribution from of DER to the fault point. This process allows considering several DER connected and their different operation modes. The proposed methodology is validated on the IEEE 34-node test feeder. This system is modeled on ATP/EMTP and modified with the insertion of several DER units. The methodology is validated by considering several scenarios. These scenarios evaluate the effect of fault distance, fault resistance, load variation, DER penetration level, numbers of DERs connected and errors in the DER parameters. For these considerations, the proposed methodology performance is satisfactory, presenting fault location errors below 3%.

abstract: The Smart Grid initiative describes the collaborative effort to modernize the U.S. electric power infrastructure. Modernization efforts incorporate digital data and information technology to effectuate control, enhance reliability, encourage small customer sited distributed generation (DG), and better utilize assets. The Smart Grid environment is envisioned to include distributed generation, flexible and controllable loads, bidirectional communications using smart meters and other technologies. Sensory technology may be utilized as a tool that enhances operation including operation of the distribution system. Addressing this point, a distribution system state estimation algorithm is developed in this thesis. The state estimation algorithm developed here utilizes distribution system modeling techniques to calculate a vector of state variables for a given set of measurements. Measurements include active and reactive power flows, voltage and current magnitudes, phasor voltages with magnitude and angle information. The state estimator is envisioned as a tool embedded in distribution substation computers as part of distribution management systems (DMS); the estimator acts as a supervisory layer for a number of applications including automation (DA), energy management, control and switching. The distribution system state estimator is developed in full three-phase detail, and the effect of mutual coupling and single-phase laterals and loads on the solution is calculated. The network model comprises a full three-phase admittance matrix and a subset of equations that relates measurements to system states. Network equations and variables are represented in rectangular form. Thus a linear calculation procedure may be employed. When initialized to the vector of measured quantities and approximated non-metered load values, the calculation procedure is non-iterative. This dissertation presents background information used to develop the state estimation algorithm, considerations for distribution system modeling, and the formulation of the state estimator. Estimator performance for various power system test beds is investigated. Sample applications of the estimator to Smart Grid systems are presented. Applications include monitoring, enabling demand response (DR), voltage unbalance mitigation, and enhancing voltage control. Illustrations of these applications are shown. Also, examples of enhanced reliability and restoration using a sensory based automation infrastructure are shown. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2012

abstract: The past few decades have seen a consistent growth of distributed PV sources. Distributed PV, like other DG sources, can be located at or near load centers and provide benefits which traditional generation may lack. However, distribution systems were not designed to accommodate such power generation sources as these sources might lead to operational as well as power quality issues. A high penetration of distributed PV resources may lead to bi-directional power flow resulting in voltage swells, increased losses and overloading of conductors. Voltage unbalance is a concern in distribution systems and the effect of single-phase residential PV systems on voltage unbalance needs to be explored. Furthermore, the islanding of DGs presents a technical hurdle towards the seamless integration of DG sources with the electricity grid. The work done in this thesis explores two important aspects of grid inte-gration of distributed PV generation, namely, the impact on power quality and anti-islanding. A test distribution system, representing a realistic distribution feeder in Arizona is modeled to study both the aforementioned aspects. The im-pact of distributed PV on voltage profile, voltage unbalance and distribution sys-tem primary losses are studied using CYMDIST. Furthermore, a PSCAD model of the inverter with anti-island controls is developed and the efficacy of the anti-islanding techniques is studied. Based on the simulations, generalized conclusions are drawn and the problems/benefits are elucidated. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2013

Neste trabalho apresentar-se-à um novo método para a localização de faltas em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica. Este combina duas técnicas, uma baseada na Impedância Aparente e outra nas Ondas Viajantes. A técnica de localização por impedância aparente utiliza o sinal armazenado pelo relé, analisando-o na sua frequência fundamental. O resultado desta análise é a estimativa da distância da falta. Esta representa a distância elétrica desde o rele até a falta, o que em sistemas de distribuição radiais, com laterais, pode gerar mais de uma resposta como certa. A técnica das ondas viajantes é utilizada para a localização da seção faltosa utiliza os sinais de alta frequência presentes no sinal. O resultado desta análise é a estimativa da seção onde ocorreu a falta. Assim, estas duas técnicas complementam-se para fornecer a posição da falta. / This work presents a new hybrid method to Fault Location in Power Distribution Systems. This work combines two techniques, one based on Apparent Impedance and the other based on Traveling Waves. Apparent Impedance based methods use the signals stored in the relay. That signals are analyzed in their fundamental frequency. It is obtained as result the distance from sub-station to the fault. This distance represents the electrical distance from the sending end to the fault, but in Power Distribution Systems with several laterals these fault location could be more than one. The Traveling waves method use the high frequencies presents in faulted signals. Obtain with this the faulted section. Thus both techniques are complements, resulting in only one distance to the fault point.

As metodologias de análise de curto-circuito aplicadas a sistemas elétricos de potência apresentaram uma considerável evolução ao longo do último século e foram desenvolvidas inicialmente para o estudo de faltas em sistemas de transmissão de energia elétrica. Estes sistemas possuem características equilibradas e utilizam o método de componentes simétricas para a estimativa do estado do sistema no período durante a falta. O emprego deste método para a determinação das correntes de cur-tos-circuitos em sistemas desequilibrados, por requerer simplificações e considera-ções que viabilizem sua aplicação, incorre em erros que crescem com o aumento do grau de desequilíbrio dos sistemas. Para o estudo de faltas em sistemas de distribui-ção de energia elétrica, que são inerentemente desequilibrados, a aplicação do mé-todo de componentes de fase permite a obtenção de resultados mais precisos, pois considera modelos que representam o desequilíbrio do sistema. Este trabalho apre-senta um estudo analítico e numérico que analisa a influência dos desequilíbrios e da resistência de falta no cálculo das correntes de curtos-circuitos em sistemas de distri-buição empregando o método de componentes de fase, que constitui atualmente o estado da arte para o estudo de faltas nestes sistemas. A partir de um sistema de dis-tribuição simplificado, modelado com matrizes de impedâncias e admitâncias trifási-cas, calculadas na frequência fundamental do sistema, é apresentada uma equação matricial generalizada, que determina a corrente de falta que flui por uma impedância de falta, para uma dada condição faltosa. A equação proposta é analisada analítica e numericamente para o caso de faltas fase-terra. Simulações numéricas de estudos de caso em um sistema sem laterais ou cargas intermediárias, considerando diferentes graus de desequilíbrios e resistências de falta, apresentam resultados que quando comparados com os resultados para um sistema idealmente equilibrado mostram a influência que o efeito do desequilíbrio possui na determinação das correntes de curtos-circuitos e ratificam a contribuição do estudo proposto. / The approaches to short-circuit analysis of electric power systems have con-siderably improved over the last century. They were initially developed to study faults in electric power transmission systems, that have balanced characteristics and the symmetrical component method is used. As the use of this method to determine short-circuit currents in unbalanced systems requires simplifications and considera-tions to suit its application, it incurred a error increase as the systems unbalance de-gree grows. The phase components method allows more accurate results for faults study in electric power distribution systems which are inherently unbalanced as it takes into consideration models that represent the systems unbalance. Therefore an analytical and numerical study that analyses imbalance and fault resistance influence over short-circuits currents calculation in distribution systems is discussed in this work. The currently state-of-the-art method, phase components, is used to calculate faults in unbalanced systems. From an elementary distribution system modeled with three-phase impedances and admittances matrices, it is presented a general matrix equation that expresses the fault current that flows through a fault impedance due to certain fault conditions. The resulting equation is analytically and numerically ana-lysed for this fault type. Numerical simulations of a system with no lateral or inter-mediate loads, considering different imbalance degrees and fault resistances, gener-ate results that compared to the results of an ideally balanced system show the influ-ence of the systems unbalance on the fault.