This thesis demonstrates the value of integrating electrical distribution engineering analysis with Geographic Information Systems (GIS). The 37-Node IEEE Feeder model was used as the base distribution system in this study. It was modeled separately, both in software capable of unbalanced load-flow and in an industry-standard GIS environment. Both tools utilized were commercially available, off-the shelf products indicative of those used in academia and in basic GIS installations. The foundational data necessary to build these models is representative of information required by a variety of utility departments for a multitude of applications. It is inherent to most systems within an enterprise-level, business-wide data model and therefore can be used to support a variety of applications. In this instance, infrastructure information is assumed to be managed and housed with the GIS. This data provides the required information as input for load-flow calculations. The engineering analysis is performed within DistributionSystem 4.01 and its output is passed back to the GIS in tabular format for incorporation. This thesis investigates the transfer of information between GIS and DistributionSystem 4.01 and demonstrates the extended display capabilities in the GIS environment. This research is implemented on a small scale, but is intended to highlight the need for standardization and automatic integration of these systems as well as others that are fundamental to the effective management of electrical distribution systems. / Master of Science

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Os smart grids são tidos como a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas distribuídos e inteligência artificial para prover maiores funcionalidades sobre acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta abordagem alteraria fundamentalmente a maneira como se dá o planejamento e a operação de sistemas de distribuição, e há grandes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca de implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem a partir do uso de sistemas multiagentes para estudar o gerenciamento de sistemas de distribuição, do ponto de vista da reconfiguração da topologia da rede, simulando as características de um smart grid. Nesta dissertação, foi desenvolvido um sistema multiagente para simulação computacional de um sistema de distribuição elétrico do tipo smart grid, buscando executar a reconfiguração topológica do sistema a partir de dados de carga capturados de forma distribuída pelos agentes dispersos na rede elétrica. Espera-se que o desenrolar da pesquisa conduza à vários estudos sobre algoritmos e técnicas que melhor implementem tais funcionalidades a serem transpostas para um ambiente de produção. / Smart grids are taken as the new generation of electric power systems, combining advances in computing, distributed systems and artificial intelligence to provide more features on real-time monitoring of demand and consumption of electricity, managing large-scale distributed generators, among others, from a distributed control system on the grid. This approach fundamentally alter the way how is the planning and operation of distribution systems, and there are great possibilities for research and development offered in the quest to implement these features. With that environment, this text uses an approach through the use of multi-agent systems to study the management of the distribution system, from the reconfiguration of grid topology, simulating the characteristics of a smart grid. In this text, was developed a multiagent system to computational simulation of a distribution system like smart grid to topological reconfiguration, from datas collected for agents in electrical grid. It is expected that the conduct of research leads to several studies about better algorithms and techniques that would implement such functionality in a production environment.

Os smart grids são tidos como a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas distribuídos e inteligência artificial para prover maiores funcionalidades sobre acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta abordagem alteraria fundamentalmente a maneira como se dá o planejamento e a operação de sistemas de distribuição, e há grandes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca de implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem a partir do uso de sistemas multiagentes para estudar o gerenciamento de sistemas de distribuição, do ponto de vista da reconfiguração da topologia da rede, simulando as características de um smart grid. Nesta dissertação, foi desenvolvido um sistema multiagente para simulação computacional de um sistema de distribuição elétrico do tipo smart grid, buscando executar a reconfiguração topológica do sistema a partir de dados de carga capturados de forma distribuída pelos agentes dispersos na rede elétrica. Espera-se que o desenrolar da pesquisa conduza à vários estudos sobre algoritmos e técnicas que melhor implementem tais funcionalidades a serem transpostas para um ambiente de produção. / Smart grids are taken as the new generation of electric power systems, combining advances in computing, distributed systems and artificial intelligence to provide more features on real-time monitoring of demand and consumption of electricity, managing large-scale distributed generators, among others, from a distributed control system on the grid. This approach fundamentally alter the way how is the planning and operation of distribution systems, and there are great possibilities for research and development offered in the quest to implement these features. With that environment, this text uses an approach through the use of multi-agent systems to study the management of the distribution system, from the reconfiguration of grid topology, simulating the characteristics of a smart grid. In this text, was developed a multiagent system to computational simulation of a distribution system like smart grid to topological reconfiguration, from datas collected for agents in electrical grid. It is expected that the conduct of research leads to several studies about better algorithms and techniques that would implement such functionality in a production environment.

Outages in the electric grid can be costly for society. Because of this, reliability is one of the parameters used to regulate network companies. Reliability in electrical grids can be measured with SAIDI, system average interruption duration index, which for Fortum Distribution has increased in Stockholm’s distribution network (11 kV) in the early 2000’s. By using outage data for Stockholm from 2011-2013, sets of parameters to be used for reliability calculations in the network information program Tekla NIS were derived. Two different options for investment were then analysed: changing old cables with high fault frequencies, and installing automatic switching in distribution substations. These options were also analysed in a simplified model built in Microsoft Excel. The model calculates the reliability of Stockholm’s distribution network using Markov chains and the network’s average line from a transmission substation’s feeder. The Excel model is faster than Tekla NIS but is limited and less detailed, however the results from Tekla NIS and the Excel model were found to be almost equivalent. The priority for reliability investments in Stockholm should be to change old cables of the type FCJJ since it increases the fault frequencies in the network, while an ageing network decreases the grid fees Fortum Distribution can charge. Simplifications and assumptions, due to insufficient outage data and some problems with Tekla NIS, had to be made when deriving parameters for reliability calculations in both Tekla NIS and the Excel model. However, Tekla NIS can be used to incorporate reliability analysis in network planning, but since Fortum Distribution currently only uses it sparsely, further testing and analysis of the programme is recommended if the usage is to increase. The Excel model can be used for making fast and rough estimates of the result of the two analysed options of investment. / <p>I den tillgängliga fulltexten är tre figurer med tillhörande information i kapitel 2.4 borttagna från originalrapporten efter önskemål från samarbetspartner.</p>

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O objetivo deste trabalho é apresentar uma nova abordagem para obtenção de configurações para sistemas de distribuição de energia elétrica com o intuito de minimizar o valor de perdas ativas sem violar as restrições operacionais. Para isso, considera-se que os sistemas de distribuição estão operando em regime permanente e que suas fases estão equilibradas e simétricas, podendo o sistema ser representado por um diagrama unifilar. A reconfiguração é feita de forma a redistribuir os fluxos de corrente nas linhas, transferindo cargas entre os alimentadores e melhorando o perfil de tensão ao longo do sistema. O problema de reconfiguração do sistema pode ser formulado como um problema de programação não-linear inteiro misto. Devido à explosão combinatorial inerente a este tipo de problema, a resolução do mesmo por técnicas de otimização clássicas torna-se pouco atraente, dando espaço para técnicas heurísticas e metaheurísticas. Essas outras, mesmo não garantindo o ótimo global, são capazes de encontrar boas soluções em um espaço de tempo relativamente curto. Para a resolução do problema de reconfiguração, utilizou-se uma nova metodologia baseada no comportamento de colônias de formigas em busca de alimento na natureza. Nesta, formigas artificiais (agentes) exploram o meio ambiente (sistema de distribuição) e trocam informações para tentar encontrar a topologia que apresente os menores valores de perdas ativas. Para o cálculo das perdas, este trabalho também apresenta uma nova abordagem para resolução do problema de fluxo de potência (FP) em sistemas de distribuição radial. O fluxo de potência é uma ferramenta básica utilizada pelos centros de controle para determinar os estados e condições operacionais desses sistemas de potência. Basicamente, as metodologias empregadas para o cálculo do fluxo de potência são baseadas nos métodos clássicos de Newton ou Gauss. Mas em sistemas de distribuição de energia, devido a particularidades inerentes a estes, como a alta relação entre resistência e reatância das linhas (r/x) e a operação radial, estes métodos apresentam problemas de convergência e se tornam ineficientes na maioria das vezes. A abordagem consiste na associação dos métodos da função penalidade e de Newton. O mal-condicionamento da matriz Jacobiana de Newton é resolvido pela associação com o método da função penalidade. São apresentados testes realizados em sistemas de 5 barras, 16 barras, 33 barras, 69 barras e 136 barras para avaliar a potencialidade das técnicas propostas. Os resultados são considerados bons ou muito bons quando comparado com as técnicas existentes atualmente. / The objective of this work is to present a novel methodology for obtaining new configurations of the distribution system in order to minimize the active power losses without violating operational constraints. For this, it is considered that any distribution system is operating in a steady state and that it is balanced, therefore it can be represented by a one-line diagram. The reconfiguration is done in order to redistribute de current flows on the distribution power lines, transferring loads among the feeders and improving the voltage profile along the system. Such problem can be formulated as a mixed integer nonlinear programming problem. Due to its inherent combinatorial characteristic and since its solution by classic optimization techniques is not appealing, heuristic and metaheuristic techniques are thus better suited for its solution. Although these latter do not guarantee a global optimum, they are able to find good solutions in a relatively short time. The solution of the reconfiguration problem in this approach makes use of a novel methodology based on ant colony behavior, when these search for victuals in nature. In this technique, the artificial ants (agents) explore the environment (distribution system) and exchange information among them in order to find the topology that provides the smallest active losses. For the active losses calculation, this work also presents a novel approach for the solution of the power flow problem for radial distribution systems. The solution of the power flow problem is used by system operators in order to determine the state and operational conditions of power systems. Basically, the most common techniques used in the power flow solution are based on either Newton\'s or Gauss\' approaches. However, due to particular characteristics of distribution systems such as the high ratio of r/x and the radial topology, these methods present convergence problems and are not efficient in most of the cases. Thus, this novel technique consists in associating Newton\'s and the penalty function approaches. The matter of the ill-conditioned Jacobian matrix in Newton\'s method is overcome with the penalty function method. Some tests performed in different systems are then presented in order to assess the effectiveness of both proposed techniques.

As Faltas de Alta Impedância (FAI) causadas pelo rompimento de um condutor da rede primária podem trazer risco à segurança pessoal e ao patrimônio. A detecção deste defeito se faz, portanto, necessária. Não há na literatura um método que estabeleça a solução definitiva para este problema. Ainda, os estudos, quando não baseados em sinais reais, utilizam, por vezes, modelos determinísticos ou que não representam por completo as características geradas pelo defeito. Por este motivo, este trabalho propõe um modelo de falta de alta impedância que visa representar, com elevado detalhamento, a natureza do evento. O modelo desenvolvido é parametrizável para que possa representar as características dos sinais de falta e suas variações, inclusive as não determinísticas, as quais se referenciam na literatura, reproduzindo o comportamento típico de uma falta de alta impedância. O programa de simulação computacional empregado para este fim foi o ATPDraw. Para a validação do sinal gerado pelo modelo, além da comparação visual com sinais de falta reais, foi elaborado um algoritmo de detecção de FAI, o qual busca por características do fenômeno já conceituadas na literatura, com o propósito de analisar o sinal da corrente de falta gerado pelo modelo quando inserido em um sistema de distribuição de energia elétrica. Foi observada a progressão temporal do fenômeno, desde o rompimento do condutor até a formação dos arcos voltaicos. Do sinal de falta, em síntese, foram observadas características como: assimetria, variação de assimetria, ocorrência de buildup, presença e variação dos componentes harmônicos e inter-harmônicos. A observação dessa variedade de características é necessária na detecção de FAI e é coerente com o modelo proposto, já que este é o único presente na literatura capaz de reproduzi-las simultaneamente. Dos casos de falta simulados, todos foram detectados pelo algoritmo de detecção, indicando que os sinais de falta de alta impedância produzidos pelo modelo possuem as características que ele foi projetado para gerar. / High Impedance Faults (HIF) caused by primary conductor rupture can pose personal safety risk and danger to property. Detection of this event is, therefore, required. There is no proposed method in the literature that establishes a decisive solution to this problem. Studies, when not based on real signals, sometimes use deterministic models or models that do not entirely represent the event\'s characteristics. For this reason, this research proposes a high impedance fault model that intend to represent, with high level of details, the nature of this event. The developed model is parametrizable so it can represent fault signal characteristic and its variations, reproducing the typical high impedance fault behavior. The software ATPDraw was used for this purpose. For model\'s behavior and signal validation, in addition to visual comparison with real HIF signals, a detection algorithm was developed, which searches for HIF characteristics presented on literature, with the intent of analyzing the fault current signal generated by the model when inserted on an electrical distribution system. The temporal progression of the event was observed from the conductor rupture until electric arc ignition. From the fault current, characteristics such as: asymmetry, asymmetry variation, buildup, presence and variation of harmonic and inter-harmonic frequencies were analyzed. The evaluation of this variety of characteristics is needed for HIF detection and it only makes sense because the proposed model is the only one presented in literature capable of reproducing of all them simultaneously. All detection tests resulted in positive identification, confirming that the proposed HIF model possesses the intended characteristics.

A ocorrência de faltas em sistemas elétricos de distribuição de energia é algo indesejável, porém, inerente ao mesmo devido a sua topologia normalmente aérea. Entre essas faltas, destacam-se as de alta impedância devido às características de corrente de baixa magnitude que surgem quando de sua ocorrência. No presente trabalho, um método baseado em três módulos é apresentado para a detecção e localização de faltas de alta impedância (FAI). No Módulo 1, é realizado um monitoramento contínuo dos sinais de corrente de forma a detectar a ocorrência de uma descontinuidade que pode estar vinculada a ocorrência de uma FAI. Caso haja essa detecção, o Módulo 2 é ativado de forma a analisar se o evento é realmente uma FAI. Por último, depois de detectada a FAI, o Módulo 3 é inicializado e a localização da falta, estimada. Para possibilitar a análise do método proposto e validar os resultados obtidos, um sistema de distribuição real, em conjunto com todas as etapas do sistema de aquisição de dados, foi modelado no software ATP/EMTP. Essa modelagem foi validada a partir de dados reais obtidos quando da ocorrência em campo de um curto-circuito bifásico. Vale ressaltar que um estudo de caso referente à importância da detecção e localização de um evento relacionado a uma FAI em uma concessionária de energia foi também analisado no início do trabalho de forma a mostrar o possível impacto da localização de FAIs nos indicadores de qualidade de serviço na mesma. Pelos resultados observados, a abordagem como um todo se mostra promissora e passível de aplicação no sistema real simulado e avaliado. / The occurrence of faults in overhead distribution networks is undesirable but common based on its topology. Among these events, High Impedance Faults (HIF) is one of the most important due to the fact that it has a small magnitude current. In this dissertation, a modular three-phase method is presented to enable HIF´s detection and location in a distribution system. In the Module 1, the phase currents are monitored in order to detect a discontinuity that can be associated with a HIF´s occurrence. If the Module 1 detected a discontinuity, the Module 2 is initiated and it analyses if the event can be classified as a HIF. Finally, if the Module 2 returns the event as a HIF, the Module 3 is initiated and the possible location of the HIF is estimated. To enable analysis of the proposed method and to validate the results, a real-based distribution system and the acquisition system of a digital relay were modeled in ATP/EMTP software. In order to validate the model, a simulated twophase fault were compared with the data obtained in a real event occurred in the analyzed distribution system. In order to present the importance of detecting and locating a HIF to a distribution utility, a case study was developed in the beginning of its work. Its importance is based on the improvement of the service quality indicators. Based on the results, the proposed method seems to be promising and applicable in a real distribution system.