Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. 2005. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor F. Maciel Barbosa

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: José Carlos de Melo Vieira Júnior / Resumo: O atendimento comercial aos clientes de uma empresa de distribuição de energia elétrica (DEE) tem como principais ordens de serviços: o religamento de consumidores, corte de fornecimento, atendimento de clientes novos, solicitações dos clientes, entre outros. Para cumprir as ordens de serviços comerciais, as empresas de DEE possuem um grupo de viaturas e equipes de manutenção, localizadas em diversos pontos da cidade, prontas a atender as ordens de serviços comerciais. Os despachos dinâmicos de viaturas para o atendimento das ordens de serviços nas redes de DEE estão dentro da classe de problemas chamados "Alocação Generalizada" e podem ser modelados como problemas de programação linear inteiro-misto (PLIM), e dependendo das ordens de serviços, o número de viaturas e as restrições do problema podem ser considerados de grande porte. O presente trabalho desenvolve uma metodologia para a automação dos despachos dinâmicos com deslocamento de viaturas e suas equipes para o atendimento das ordens de serviços. O objetivo desta metodologia é hierarquizar o conjunto de ordens de serviços e atribuí-las a todas as viaturas disponíveis, segundo os critérios considerados pela empresa de DEE no período de trabalho diário e horas extras se fossem necessárias, abrangendo assim a maior quantidade de atendimentos possíveis com a consequente diminuição do tempo de duração das interrupções e a melhora do indicador coletivo DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) de acordo com as metas estipuladas pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANNEL). A metodologia proposta foi testada na área de concessão da Rede de Energia Caiuá na cidade de Presidente Prudente para dois casos básicos, considerando um 50% de ocorrências emergenciais e obtendo-se no primeiro caso... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The comercial attendance to clients of a company distribution of electrical energy (DEE) has as main service orders: reconnection of consumers, cutting the supply, new clients attendance, request from clients, among others. To meet the orders of commercial services the DEE companies have a group of vehicles and maintenance equipment, located at defferent points of the city, ready to meet the orders of commercial service. The dynamics dispatches of vehicles to the attendance of the orders of services in networks of distributions of electric power are within the general allocation problem and can be modeled as a linear programming problem mixed integer (PLIM) and depending on the services orders, the number of vehicles and the constraints of the problem can be considered large scale. The present work develops a methodology for automation of dynamic dispatch with displacement of vehicles to meet the orders from commercial services. The objective of this methodology is the set of hierarchize orders of commercial services and assign them to all vehicles available, according to the criteria considered in the daily work period and overtime if the were necessary (in case of emergencies attendance) so as to cover the most possivel amount of attendances with the consequent reduction of time duration of the interruptions and improving the collective indicator DEC (equivalent duration of interruption per consumer unit) according to the targets stipulated by the national electric energy agency (ANEEL). The proposed methodology was tested in the concession area of the power grid Caiuá in the city of Presidente Prudente for two basic cases, considering one 50% emergency occurrences and obtaining in the first case a total number of attendances, covering all emergency attendances, generating minimal expense to the concessionary. In the second case... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Banca: Falcondes José Mendes de Seixas / Banca: Guilherme de Azevedo e Melo / Banca: João Batista Vieira Junior / Banca: Luiz Carlos de Freitas / Resumo: Esta proposta de tese se baseia na necessidade atual e tendência mundial na busca por sistemas cada vez mais eficientes e que se baseiem em fontes de energia alternativas menos poluentes, renováveis e que produzam pouco impacto ambiental. Desta forma, são desenvolvidos sistemas de geração de energia elétrica de pequeno porte baseado em painéis solares fotovoltaicos. Com o intuito de aumentar o rendimento e a densidade de potência dos sistemas, são apresentadas novas estruturas de inversores monofásicos e trifásicos integrados para aplicação como sistemas isolados e/ou conectados à rede de distribuição em corrente alternada (CA), operando como sistemas de geração distribuídos. Os inversores integrados são apresentados com o intuito de substituir os usuais sistemas de conversão de energia a duplo estágio. Incorporado aos inversores integrados são implementados métodos e dispositivos para extração da máxima potência possível dos painéis fotovoltaicos (algoritmo de MPPT), aumentando assim o aproveitamento de energia advinda destes painéis. Além disso, em virtude da necessidade de conexão segura destes sistemas à rede de distribuição de energia elétrica em corrente alternada, são realizadas análises e a implementação de métodos de sincronismo com a rede de CA em baixa tensão; além da análise e síntese de métodos híbridos para detecção e gestão do efeito de ilhamento, a fim de garantir a segurança do sistema. O controle dos conversores e as técnicas de MPPT, gestão e detecção de ilhamento, bem como de sincronismo com a rede em CA são implementadas de forma digital, com o objetivo de propiciar maior flexibilidade na concepção das lógicas de controle adequadas às aplicações propostas. Finalmente, destaca-se que o trabalho trouxe contribuições significativas para a melhoria na implementação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work is based on the actual necessity and world tendency for high-efficiency systems based on renewable energy sources which are less pollutant and produces little environmental impact, and, for this purpose, it is developed some photovoltaic electrical generation systems to operate as a small distribution generation system (DG). With the purpose to increase efficiency and power density, new single-phase and three-phase integrated inverter topologies are presented for operating as stand-alone and/or grid-connected systems. The main idea of these inverters is the replacement of the conventional two-stage cascaded solutions. Main maximum power point tracking techniques are implemented and tested in order to increase energy utilization. Furthermore, because of safe-operation grid connection necessities this work presents analysis and implementation of active and hybrid anti-island detection techniques and synchronization methods with the AC low voltage grid. The converters control system and MPPT techniques, anti-island detection and management system together with the synchronization are implemented digitally, with the purpose of increasing flexibility for the overall control circuitry. Finally, this work has presented significant contributions regarding the P&O and IC based on PI MPPT techniques and has presented the integration procedures in order to obtain new families of single and three-phase inverters. Moreover, this is the first thesis that has presented the tri-state three-phase inverters injecting power into the grid. These inverters have inovations at its control and modulation that permit the input to... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Fabio Bertequini Leão / Banca: Luis Gustavo Wesz da Silva / Resumo: Neste trabalho propõe-se um algoritmo baseado na meta-heurística busca dispersa para o problema de reconfiguração de redes de distribuição de energia elétrica radiais, considerando como sistema de codificação uma estrutura denominada representação nó profundidade (RNP). O problema é modelado como não linear inteiro misto e considera como objetivo principal minimizar as perdas de potência ativa nos alimentadores do sistema de distribuição. Utiliza-se neste trabalho o modelo de cargas com potência constante, como também o modelo exponencial de cargas. O algoritmo proposto é implementado em linguagem de programação C++ e testado em quatro sistemas conhecidos na literatura, 14, 84, 136 e 202 barras. A partir dos resultados obtidos, verifica-se o bom desempenho do algoritmo, pois é capaz de gerar soluções de boa qualidade atendendo a todas as restrições físicas e operacionais do problema. / Abstract: This work proposes a scatter search algorithm to solve the electric power distribution system reconfiguration problem, considering the encoding system node depth representation. The problem is a mixed-integer nonlinear programming and the objective is to minimize the real power losses in the distribution system. It is used in the work load model with constant power, but also exponential model load. The proposed algorithm is implemented in C + +. The validity of the methodology is verified through four commonly case studies such as 14, 84, 136 and 202 bus system. Results show the effectiveness and good performance of the proposed algorithm, where it obtains the good quality solution satisfying the operational and physics constraints of problem. / Mestre

Orientador: Dionízio Paschoareli Júnior / Banca: Ailton Akira Shinoda / Banca: Gilson Paulillo / Resumo: Atualmente, a tecnologia da compensação que utiliza controladores eletrônicos para a flexibilização dos sistemas (controladores FACTS) provê recursos aos sistemas de transmissão de energia elétrica que permitem o controle dinâmico do fluxo de energia desde a geração até o consumo. Para que se torne factível o uso de FACTS no sistema de distribuição, faz-se necessária a implantação de um sistema de comunicação para o monitoramento em tempo real de toda grade de energia até o centro de controle. Com o controle dinâmico e o monitoramento dos diversos equipamentos distribuídos no sistema de energia, tem-se o conceito das Redes Inteligentes ou Smart Grids (SG). Através deste conceito, as tecnologias de informação e comunicação (TIC) terão um papel relevante em todas as fases do ciclo de geração, transporte, comercialização e consumo. A realidade da SG deve transformar o sistema elétrico. Nesse sentido, este trabalho propõe, através da análise teórica, uma solução para comunicação entre o compensador série controlado a tiristores para rede de distribuição (D-TCSC), localizado em uma rede de distribuição na zona rural, com o centro de controle, localizado a centenas de quilômetros de distância. A tecnologia sugerida, de acordo com as características do estudo de caso, foi a GPRS. A sugestão foi feita analisando a relação entre a quantidade de dados a ser transmitida e o tempo de transmissão. Os resultados das análises mostram que a utilização de a tecnologia GPRS, para efetuar a comunicação em aplicações de teleproteção, é factível. Entretanto, para alcançar melhor desempenho, sugere-se a utilização das tecnologias 3G e 4G, quando estas oferecerem cobertura de sinal para ambientes remotos / Abstract: Nowadays, FACTS controllers are very important for allowing dynamic control of power flow from generation to consumption. The use of FACTS controllers in distribution systems has become more feasible with the implementation of communication system for real-time monitoring. The dynamic control and monitoring of several equipment in distributed power system has arisen the Smart Grids concept. Through this concept, the information and communication technologies (ICT) have important role in all stages of generation, transportation, marketing and consumption. The SG shall transform the electrical system. This work proposes, through theoretical analysis, the communication between a thyristorcontrolled series compensator, located in a distribution network in the countryside, with the control center, located several hundred kilometers away. The suggested technology, according to the characteristics of the study case, was the GPRS. The suggestion was based on the ratio among the distance, the amount of data to be transmitted and the transmission time. The analysis results show that the use of the GPRS-technology to provide communication in a SG is suitable / Mestre

Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Coorientador: Luis Gustavo Wesz da Silva / Banca: Marina Lavorato de Oliveira / Banca: Marcelo Escobar de Oliveira / Resumo: Neste trabalho, propõe-se um algoritmo baseado na meta-heurística busca tabu para o problema de restauração de redes de distribuição de energia elétrica radiais com geração distribuída, considerando como sistema de codificação uma estrutura denominada representação nó-profundidade (RNP). O problema é modelado como não linear inteiro misto e considera os principais objetivos da restauração de redes de distribuição: minimizar número de consumidores sem fornecimento de energia elétrica e o número de chaveamentos. Propõe-se, também, uma sequência lógica de chaveamentos que garante os aspectos operacionais. O algoritmo desenvolvido foi implementado em linguagem de programação C++ e testado em sistemas de distribuição de 136 e 7052 barras / Abstract: This work proposes a methodology based in the meta-heuristic tabu search to distribution power system restoration considering distributed generators installed on the system, using the encoding system node depth representation. The problem is established as a mixed-integer nonlinear programming taking into account the mainly goals: to minimize both the number of consumers without supply and the number of switching. This work also proposes a logic sequence of switching operations, taking care of operational issues. The proposed algorithm was implemented in C++ programming language and tested in a 136 and a 7052 bus distribution systems / Mestre

Orientador: Antonio Roberto Balbo / Coorientadora: Célia Aparecida dos Reis / Banca: Hassan Costa Arbex / Banca: Tatiana Miguel Rodrigues de Souza / Resumo: Atualmente a produção e o consumo de energia têm suma importância para a realização de diversas atividades humanas, o que implica em uma grande quantidade a ser produzida para atender a demanda, que, com o passar do tempo, aumenta cada vez mais. Esse aumento do consumo faz com que pesquisas sejam desenvolvidas com relação a sistemas de captação ou colheita de energia, que são chamados de "energy harvesting". Estas possibilitam sua conversão em energia elétrica, que pode ser diretamente utilizada ou armazenada para uso posterior. Um sistema de colheita de energia captada através de material piezoelétrico é aquele que colhe a energia gerada por vibração mecânica. Neste trabalho fez-se um estudo, em termos do plano de fase e estabilidade assintótica, de um modelo de vibração massa-mola-amortecedor associada a sistemas de colheita de energia, o qual é baseado em uma equação de Duffing. O modelo é formulado através de um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares e, para análise de suas soluções de equilíbrio, foi utilizado o método de Cardano - Tartaglia. Testes com um problema real são realizados apresentando as soluções obtidas pelo método, bem como uma simulação numérica do retrato de fase de dois pontos críticos destes, utilizando o software MatLab. / Abstract: Currently the production and consumption of energy is very important for the performance of various human activities, which entails a great demand to be met and, with the passage of time, increases more and more. This increase in energy consumption makes researches are developed in relation to energy harvesting systems called energy harvesting. These enable their conversion into electrical energy, which can be directly used or stored for later use. A system of energy harvesting captured by piezoelectric material is one that harvests the energy generated by mechanical vibration. In this work is investigated a mass-spring-damper vibration model associated with an energy harvesting system, which is based in a Duffing's equation. This model is formulated through a system of ordinary nonlinear differential equations and, to analyze of their equilibrium solutions, the Cardano - Tartaglia's method was used. Tests with an actual problem are done, presenting the solutions obtained by the method, as well as a numerical simulation a phase portrait analysis of two critical points of this, using the MatLab software. / Mestre

Orientador: Leonardo Nepomuceno / Banca: Edilaine Martins Soler / Banca: Gelson da Cruz Junior / Resumo: A curva cota-preço, também conhecida como curva de demanda residual, modela a relação entre o preço de equilíbrio de mercado com a cota que é despachada em leilões de energia por uma companhia geradora do tipo price-maker. No método tradicional de construção, esta curva é obtida por meio da subtração das curvas de demanda agregada e geração agregada. Este trabalho propõe um novo método de construção dessa curva por meio de um problema de otimização, baseado em procedimentos de equilíbrio de mercado, de modo que é possível incluir em sua modelagem aspectos físicos e operativos das usinas de geração e restrições referentes a rede de transmissão. Para verificar a qualidade da curva cota-preço, construída através do método proposto, este trabalho também propõe uma metodologia de comparação entre diferentes abordagens de construção de curvas cota-preço. Foram realizados testes numéricos com um sistema de 24 barras, com 12 unidades geradores termelétricas e 17 unidades de demandas em um período de 24 horas, utilizando curvas cota-preço construídas pelo método proposto e o pelo método tradicional, de modo a determinar qual curva cota-preço que efetivamente produz maiores lucros à empresa. / Abstract: The price-quota curve, also known as residual demand curve, models the relationship between the market clearing prices and the quota which is dispatched by a price-maker generating company in the energy auction. In the traditional method, this curve is obtained by subtraction of the consumption bid curve and production offer curve. This work proposes a new method for building this curve by means of an optimization problem, based on market equilibrium procedures, so that it is possible to include in its modeling physical and operational aspects of power plants and constraints regarding the transmission network. In order to verify the quality of the proposed price-quota curve, this work also proposes a methodology for comparing and evaluating different approaches of construction for such curves. We perform tests in a 24-bus system with 12 thermoelectric generating units and 17 demand units in a 24-hour period, using price-quota curves built by the proposed method and also by the traditional method, in order to determine which price-quota curve effectively produces higher profits to the company / Mestre

Orientador: Edilaine Martins Soler / Coorientadora: Maristela Oliveira dos Santos / Banca: Andrea Gonçalves Vianna / Banca: Marcos Mansano Furlan / Resumo: Os sistemas de abastecimento de água são de fundamental importância pois são responsáveis por levar água de qualidade a população. No Brasil, para as empresas de saneamento, o custo da energia elétrica é cobrado de acordo com a hora do dia, sendo o horário compreendido entre as 18h e as 21h chamado de horário de pico, onde a energia elétrica é mais cara. Grande parte dos gastos com energia elétrica nos sistemas de abastecimento de água são atribuídos as bombas hidráulicas, que, no geral, são acionadas quando os níveis dos tanques chegam ao mínimo, permanecendo ligadas até que se atinjam seus níveis máximos, sem levar em consideração o horário em que esta operação é feita. Diante disto, este trabalho propõe um modelo matemático para a otimização energética mais próximo da realidade dos sistemas de abastecimento de água. Testes numéricos foram realizados através da implementação do modelo no software GAMS e resolvido pelo pacote de otimização CPLEX para diferentes instâncias, afim de validar o modelo proposto e a comprovar à eficiência do planejamento da operação das bombas hidráulicas em relação a operação feita na prática nos sistemas de abastecimento de água. / Abstract: Water supply systems are of fundamental importance once they are responsible for providing quality water to the population. In Brazil, for sanitation companies, the cost of electricity is charged according to the period of the day, with the period between 6 and 9 p.m. known as the peak hours, during which electricity is more expensive. The majority of costs with electricity in the water supply systems are due to the hydraulic pumps, which are, usually, activated when tank levels reach the minimum level and then they remain on until their maximum levels are reached, without taking into account the period during which this operation is performed. With this in mind, this study proposes a mathematical model for the electricity usage optimization closer to the reality in water supply systems. Numerical tests were performed through the implementation of the GAMS software model and solved by the CPLEX optimization package for different instances, in order to validate the proposed model and to prove the efficiency of the planning of the operation of hydraulic pumps about the operation made in practice in water supply systems. / Mestre