Nos últimos anos verificou-se um crescimento acentuado da complexidade da avaliação da segurança em Sistemas Elétricos de Potência (SEPs). O aumento das interligações, aliado à operação das redes com altos níveis de carregamento, aumenta a probabilidade de ocorrência de incidentes que podem levar o SEP à instabilidade de tensão, culminando com o colapso de tensão e grandes prejuízos à qualidade do fornecimento de energia elétrica. Neste trabalho foi proposta uma ferramenta rápida para a manutenção da segurança de SEPs no contexto da Estabilidade de Tensão (ET). Para tal, foi desenvolvida uma metodologia rápida para a análise de contingências. Selecionadas as críticas, a eliminação da criticalidade das mesmas é realizada via ações preventivas. Neste contexto, foram desenvolvidas duas abordagens para a seleção de ações preventivas. Na primeira procura-se minimizar o número de controles via técnicas de agrupamento de dados, para eliminar a criticalidade de uma contingência. Na segunda abordagem foi desenvolvida uma estratégia para obtenção de um grupo de controles para eliminar a criticalidade de todas as contingências. Ambas as abordagens baseiam-se em uma metodologia de análise de sensibilidade da margem de ET em relação aos controles preventivos que também foi proposta nesta tese. A eficácia da ferramenta foi comprovada por intermédio de simulações em um SEP. Os resultados foram bastante satisfatórios, os grupos de controles obtidos pela primeira abordagem representam um conjunto mínimo de ações preventivas para eliminar a criticalidade de uma contingência específica. Já na segunda abordagem, foi possível determinar um grupo de controles para a eliminar simultaneamente a criticalidade de todas as contingências. Como produto científico deste doutorado foram obtidas novas metodologias rápidas para a análise de segurança do SEP no contexto da ET. / The complexity of the security assessment in Electric Power Systems (EPS) has received much attention from researches in recent years. The continuous growth in the number of interconnections, allied to networks operating with high loading levels, enhance the probability of incidents that can lead the EPS to voltage instability. Voltage collapse and considerably loss of the electric supply are the principal consequences of this scenery. In this study, we propose a fast tool for supporting the EPS security, in the context of Voltage Stability (VS). To this end, a fast methodology was developed for contingency analysis. Once the critical contingencies are selected, their criticalities are eliminated through the selection of preventive actions. In this context, two approaches were developed. In the first one, we aim at minimizing eh number of controls by using clustering techniques. In this case, the principal objective is to eliminate the criticality of a contingency. In the second approach, we developed a strategy for obtaining a groups of controls in order to eliminate the criticality of all contingencies. Both approaches are based on a methodology for sensitivity analysis of the VS margin with respect to preventive controls which is also proposed in this thesis. The effectiveness of the tool was corroborated by simulations in a EPS. We found the results satisfactory, since the groups of controls achieved by the first approach represent a minimum set of preventive actions that can be taken to eliminate the criticality of a specific contingency. In the second approach, it was possible to determine a minimum group of controls that eliminate the criticality of all contingencies simultaneously. New fast methodologies for security analysis of the EPS in the context of the VS is considered the main scientific product result of this doctorate.

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

Até meados da década de setenta a atenção dos técnicos do setor elétrico estava voltada aos problemas advindos da chamada instabilidade de ângulo, onde perturbações mais severas, tais como curtos-circuitos, levam os sistemas a perderem estabilidade. À medida que os sistemas foram ficando mais sobrecarregados, algumas não linearidades tornaram-se mais evidentes e problemas que até então não eram observados passaram a ocorrer. Um desses problemas que passou a despertar maior atenção dos engenheiros de potência foi justamente o problema de colapso de tensão. Tal fenômeno está relacionado à incapacidade do sistema elétrico de prover o balanço entre a potência gerada e a requisitada pelas cargas, devido, principalmente, à limitada capacidade de transmissão, ou ainda, devido a um suporte de potência reativa local inadequada. Neste trabalho pretende-se avaliar o grau de impacto que uma contingência ou uma ação de controle teria sobre um sistema de potência. Para avaliar este grau de impacto pretende-se utilizar os conceitos de coerência de cargas, a partir da matriz de impedância nodal, determinando-se quais barras seriam mais influenciadas por uma certa perturbação no sistema. Quando este número de barras é elevado, indica que a contingência deveria ser classificada como mais grave do que uma contingência com margem baixa, porém de impacto local e de fácil solução. Durante o funcionamento do sistema podem ocorrer eventos que afetam as características de tensão e freqüência, causando inclusive a interrupção do fornecimento de energia. Portanto, o engenheiro de operação deve dispor de ferramentas que controlem e que permitam prever esta situação de risco e tomar medidas para evitá-las. Assim, é de extrema importância, a análise de estabilidade do sistema, a fim de em um futuro próximo, prevenir distúrbios no seu funcionamento normal. / Until the middle of the seventies the attention of the technicians of the electricity sector was focused on the problems arising from instability of the callangle, where the most severe, such as short circuits, take the systems to lose stability. As the systems were getting overloaded, some nonlinearities have become more evident and problems that were not seen until then began to occur. One such problem that has awaken the attention of power engineers was precisely the problem of voltage collapse. This phenomenon is related to the inability of the electric system to provide the balance between power generated and required by the loads, mainly due to the limited transmission capacity, or because a local reactive power support inadequate. This work aims to assess the degree of impact that a contingency or an action of control would have on a system of power. To assess the degree of impact is intended to use the concepts of consistency of loads from the nodal impedance matrix, it was determined that bars would be more influenced by a disturbance in the system. When this number of bars is high, indicates that the contingency should be classified as more serious than a contingency margin with low, but the local impact and easy solution. During operation of system events may occur that affect the characteristics of voltage and frequency, causing even the interruption of power supply. Therefore, the operating engineer should have the tools to monitor and to predict that this situation of risk and take steps to avoid them. It is therefore of extreme importance, the analysis of system stability, so that in the near future, to prevent disturbances in their normal operation.

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

A análise de estabilidade de tensão em tempo real exige o cálculo periódico da margem de estabilidade para um número grande de contingências. Isto motiva o desenvolvimento de técnicas rápidas para determinação da margem de estabilidade de tensão adequadas aos requisitos da operação em tempo real. Neste trabalho utiliza-se uma técnica rápida, denominada Look-Ahead, para estimar a margem de carregamento do sistema de potência. O método explora a propriedade quadrática da curva (\'lâmbda\'-V) , próximo ao ponto de bifurcação, e utiliza a informação de dois fluxos de potência e do vetor tangente para estimar com boa precisão o ponto de máximo carregamento (PMC) do sistema de potência. O método Look-Ahead estima o PMC do sistema de potência sem considerar as violações dos limites de potência reativa dos geradores. Este trabalho propõe uma nova metodologia para estimar o valor de carregamento no qual ocorre violação dos limites de potência reativa dos geradores do sistema. Essa técnica é baseada na característica aproximadamente quadrática da curva (Q-\'lâmbda\'). A metodologia proposta é mais rápida, em comparação com o fluxo de potência continuado, e calcula o PMC considerando as violações dos limites de reativos dos geradores. A eficácia do método proposto é comprovada por intermédio de vários testes com um sistema obtido a partir de uma redução do sistema sul sudeste brasileiro. / Real time voltage stability analysis requires the periodic calculation of the stability margin for a large number of contingencies. This requirement motivates the development of fast techniques to determine stability margin that are suitable for real time operation. This work uses a fast technique called Look-Ahead, to estimate power system loading margin. The method exploits the fact that close to the bifurcation point, the (\'lâmbda\'-V) curve has quadratic property, which enables a good loading margin estimate. It also uses the information of the tangent vector and two power flow results to estimate, with good precision, the power systems maximum loading point (MLP), the voltage profile at the MLP as well as the loading values for which voltage limits are violated. The Look-Ahead method estimates the power system MLP without considering generators reactive power limit violations. This dissertation proposes a new methodology to estimate the loading value at the points where generator reactive power limits are reached. This technique is based on nearly quadratic characteristic curve (Q-\'lâmbda\'). The proposed methodology is faster in comparison with continuation power flow and computes the MLP considering the violation of reactive limits of generators. To prove the effectiveness of the proposed method, several tests using the reduced brazilian south and southeast system were performed.

A operação de um Sistema Elétrico de Potência é complexa, principalmente, devido ao grande número de restrições impostas às variáveis e às grandezas do sistema, sejam elas de natureza física ou de requisito para a qualidade e a continuidade do fornecimento de energia elétrica entregue aos consumidores. O gerenciamento das tensões e dos fluxos de potência, ativa e reativa, é crucial para que o SEP opere de modo seguro, com qualidade e com o menor custo. O gerenciamento, das tensões e das potências, é realizado através dos ajustes dos dispositivos de controle do SEP, contudo, determinar os estados dos dispositivos controlados do SEP não é uma tarefa trivial. A determinação dos estados dos dispositivos controlados torna-se ainda mais difícil, pois, para garantir o fornecimento, de energia elétrica, contínuo e de qualidade, diversos cenários (contingências) devem ser analisados e as ações de controle impostas ao SEP devem satisfazer todos os requisitos operacionais do SEP para todos os cenários. Diversos blecautes ocorreram devido à instabilidade de tensão no SEP e quando estão em condições de alto carregamento, o problema torna-se ainda mais evidente. Este trabalho propõe uma ferramenta computacional para o planejamento das ações de controles de reativo e tensão em Sistemas Elétricos de Potência que mantenham, ao longo do dia, as variáveis e as grandezas do sistema dentro da região factível de operação e, ainda, garantam margem de estabilidade de tensão suficiente para que o colapso de tensão seja evitado. Para desenvolver esta ferramenta, o problema de planejamento de controle de tensão e reativo foi formulado como um problema de otimização, onde, neste problema, dois objetivos e metodologias foram realizados. No primeiro, buscou-se determinar os estados dos dispositivos controlados que minimizassem as perdas nas linhas de transmissão dentro de um intervalo de tempo e de potência e, no segundo, determinar os estados dos dispositivos controlados que mantivessem as variáveis e grandezas do sistema dentro da região factível durante o maior intervalo de potência, minimizando, assim, as mudanças nas ações de controle do SEP. Também foi proposta, neste trabalho, uma metodologia para identificação de contingências críticas do SEP. Os resultados obtidos através das resoluções dos problemas indicaram que as formulações propostas são capazes de determinar os estados dos dispositivos controlados do sistema ao longo do dia, de modo a garantir que não ocorressem violações nas restrições operacionais do sistema enquanto houvesse medidas de controle, onde foi considerado o caso base e uma lista de contingências. Além disso, as margens de estabilidade de tensão do caso base e das contingências foram sempre mantidas acima do valor de segurança especificado. Os resultados também mostraram que a metodologia para identificação da contingência crítica proposta é capaz de identificar a contingência que limita o crescimento de carga do sistema, de modo a garantir que o SEP esteja operando com o menor risco à instabilidade de tensão, mantendo as variáveis e as grandezas do sistema dentro da região factível para o maior número de cenários. / The operation of an Electric Power System is complex, mainly due to the great number of restrictions imposed on the variables and the magnitudes of the system, whether of a physical nature or a requirement for the quality and continuity of the electricity supply delivered to consumers. The management of voltage and the power flow, active and reactive, is crucial for the safely operation of the Electric Power System, with quality and low cost. The management of the voltages and powers is performed through the adjustments of the Electric Power System control devices, however, determine the states of the Electric Power System controlled devices is not a trivial task. The determination of the states of the controlled devices becomes even more difficult, since, to guarantee the supply of electricity, continuous and of quality, several scenarios (contingencies) must be analyzed and the control actions imposed on the Electric Power System must satisfy all the Electric Power System operational requirements for all scenarios. Several blackouts occurred due to the voltage instability in the Electric Power System and when they are in high load conditions, the problem becomes even more evident. This work proposes a computational tool for the planning of the actions of reactive and voltage controls in Electric Power Systems that maintain, throughout the day, the variables and the magnitudes of the system within the feasible region of operation and, also, guarantee voltage stability margin sufficient to avoid the voltage collapse. To develop this tool, the planning problem of voltage control and reactive control was formulated as an optimization problem, where, in this problem, two objectives and methodologies were used. In the first one, it was tried to determine the controlled devices states that minimize the transmission lines losses at a time and power interval, and, in the second, to determine the controlled devices states that maintain the variables and quantities of the system within feasible region during the largest power interval, thus the control actions changes in the Electric Power Systems are minimize. Was also proposed, in this work, a methodology for identify the critical contingencies of Electric Power Systems. The results obtained through problem resolutions indicated that the proposed formulations are able to determine the controlled devices states of the system throughout the day, so that there were no violations of the system\'s operational constraints while there were control measures, assessment the base case and a list of contingencies. In addition, the base case and contingencies voltage stability margins have always been maintained above the specified safety value. The results also showed that the methodology for the identification of the critical contingency is able to identify the contingency that limits the system load growth, in order to ensure that the Electric Power Systems is operating with the lowest risk to voltage instability, maintaining the system variables and magnitudes within the feasible region for the largest number of scenarios.

A análise de estabilidade de tensão em tempo real exige o cálculo periódico da margem de estabilidade para um número grande de contingências. Isto motiva o desenvolvimento de técnicas rápidas para determinação da margem de estabilidade de tensão adequadas aos requisitos da operação em tempo real. Neste trabalho utiliza-se uma técnica rápida, denominada Look-Ahead, para estimar a margem de carregamento do sistema de potência. O método explora a propriedade quadrática da curva (\'lâmbda\'-V) , próximo ao ponto de bifurcação, e utiliza a informação de dois fluxos de potência e do vetor tangente para estimar com boa precisão o ponto de máximo carregamento (PMC) do sistema de potência. O método Look-Ahead estima o PMC do sistema de potência sem considerar as violações dos limites de potência reativa dos geradores. Este trabalho propõe uma nova metodologia para estimar o valor de carregamento no qual ocorre violação dos limites de potência reativa dos geradores do sistema. Essa técnica é baseada na característica aproximadamente quadrática da curva (Q-\'lâmbda\'). A metodologia proposta é mais rápida, em comparação com o fluxo de potência continuado, e calcula o PMC considerando as violações dos limites de reativos dos geradores. A eficácia do método proposto é comprovada por intermédio de vários testes com um sistema obtido a partir de uma redução do sistema sul sudeste brasileiro. / Real time voltage stability analysis requires the periodic calculation of the stability margin for a large number of contingencies. This requirement motivates the development of fast techniques to determine stability margin that are suitable for real time operation. This work uses a fast technique called Look-Ahead, to estimate power system loading margin. The method exploits the fact that close to the bifurcation point, the (\'lâmbda\'-V) curve has quadratic property, which enables a good loading margin estimate. It also uses the information of the tangent vector and two power flow results to estimate, with good precision, the power systems maximum loading point (MLP), the voltage profile at the MLP as well as the loading values for which voltage limits are violated. The Look-Ahead method estimates the power system MLP without considering generators reactive power limit violations. This dissertation proposes a new methodology to estimate the loading value at the points where generator reactive power limits are reached. This technique is based on nearly quadratic characteristic curve (Q-\'lâmbda\'). The proposed methodology is faster in comparison with continuation power flow and computes the MLP considering the violation of reactive limits of generators. To prove the effectiveness of the proposed method, several tests using the reduced brazilian south and southeast system were performed.

A operação de um Sistema Elétrico de Potência é complexa, principalmente, devido ao grande número de restrições impostas às variáveis e às grandezas do sistema, sejam elas de natureza física ou de requisito para a qualidade e a continuidade do fornecimento de energia elétrica entregue aos consumidores. O gerenciamento das tensões e dos fluxos de potência, ativa e reativa, é crucial para que o SEP opere de modo seguro, com qualidade e com o menor custo. O gerenciamento, das tensões e das potências, é realizado através dos ajustes dos dispositivos de controle do SEP, contudo, determinar os estados dos dispositivos controlados do SEP não é uma tarefa trivial. A determinação dos estados dos dispositivos controlados torna-se ainda mais difícil, pois, para garantir o fornecimento, de energia elétrica, contínuo e de qualidade, diversos cenários (contingências) devem ser analisados e as ações de controle impostas ao SEP devem satisfazer todos os requisitos operacionais do SEP para todos os cenários. Diversos blecautes ocorreram devido à instabilidade de tensão no SEP e quando estão em condições de alto carregamento, o problema torna-se ainda mais evidente. Este trabalho propõe uma ferramenta computacional para o planejamento das ações de controles de reativo e tensão em Sistemas Elétricos de Potência que mantenham, ao longo do dia, as variáveis e as grandezas do sistema dentro da região factível de operação e, ainda, garantam margem de estabilidade de tensão suficiente para que o colapso de tensão seja evitado. Para desenvolver esta ferramenta, o problema de planejamento de controle de tensão e reativo foi formulado como um problema de otimização, onde, neste problema, dois objetivos e metodologias foram realizados. No primeiro, buscou-se determinar os estados dos dispositivos controlados que minimizassem as perdas nas linhas de transmissão dentro de um intervalo de tempo e de potência e, no segundo, determinar os estados dos dispositivos controlados que mantivessem as variáveis e grandezas do sistema dentro da região factível durante o maior intervalo de potência, minimizando, assim, as mudanças nas ações de controle do SEP. Também foi proposta, neste trabalho, uma metodologia para identificação de contingências críticas do SEP. Os resultados obtidos através das resoluções dos problemas indicaram que as formulações propostas são capazes de determinar os estados dos dispositivos controlados do sistema ao longo do dia, de modo a garantir que não ocorressem violações nas restrições operacionais do sistema enquanto houvesse medidas de controle, onde foi considerado o caso base e uma lista de contingências. Além disso, as margens de estabilidade de tensão do caso base e das contingências foram sempre mantidas acima do valor de segurança especificado. Os resultados também mostraram que a metodologia para identificação da contingência crítica proposta é capaz de identificar a contingência que limita o crescimento de carga do sistema, de modo a garantir que o SEP esteja operando com o menor risco à instabilidade de tensão, mantendo as variáveis e as grandezas do sistema dentro da região factível para o maior número de cenários. / The operation of an Electric Power System is complex, mainly due to the great number of restrictions imposed on the variables and the magnitudes of the system, whether of a physical nature or a requirement for the quality and continuity of the electricity supply delivered to consumers. The management of voltage and the power flow, active and reactive, is crucial for the safely operation of the Electric Power System, with quality and low cost. The management of the voltages and powers is performed through the adjustments of the Electric Power System control devices, however, determine the states of the Electric Power System controlled devices is not a trivial task. The determination of the states of the controlled devices becomes even more difficult, since, to guarantee the supply of electricity, continuous and of quality, several scenarios (contingencies) must be analyzed and the control actions imposed on the Electric Power System must satisfy all the Electric Power System operational requirements for all scenarios. Several blackouts occurred due to the voltage instability in the Electric Power System and when they are in high load conditions, the problem becomes even more evident. This work proposes a computational tool for the planning of the actions of reactive and voltage controls in Electric Power Systems that maintain, throughout the day, the variables and the magnitudes of the system within the feasible region of operation and, also, guarantee voltage stability margin sufficient to avoid the voltage collapse. To develop this tool, the planning problem of voltage control and reactive control was formulated as an optimization problem, where, in this problem, two objectives and methodologies were used. In the first one, it was tried to determine the controlled devices states that minimize the transmission lines losses at a time and power interval, and, in the second, to determine the controlled devices states that maintain the variables and quantities of the system within feasible region during the largest power interval, thus the control actions changes in the Electric Power Systems are minimize. Was also proposed, in this work, a methodology for identify the critical contingencies of Electric Power Systems. The results obtained through problem resolutions indicated that the proposed formulations are able to determine the controlled devices states of the system throughout the day, so that there were no violations of the system\'s operational constraints while there were control measures, assessment the base case and a list of contingencies. In addition, the base case and contingencies voltage stability margins have always been maintained above the specified safety value. The results also showed that the methodology for the identification of the critical contingency is able to identify the contingency that limits the system load growth, in order to ensure that the Electric Power Systems is operating with the lowest risk to voltage instability, maintaining the system variables and magnitudes within the feasible region for the largest number of scenarios.

Até meados da década de setenta a atenção dos técnicos do setor elétrico estava voltada aos problemas advindos da chamada instabilidade de ângulo, onde perturbações mais severas, tais como curtos-circuitos, levam os sistemas a perderem estabilidade. À medida que os sistemas foram ficando mais sobrecarregados, algumas não linearidades tornaram-se mais evidentes e problemas que até então não eram observados passaram a ocorrer. Um desses problemas que passou a despertar maior atenção dos engenheiros de potência foi justamente o problema de colapso de tensão. Tal fenômeno está relacionado à incapacidade do sistema elétrico de prover o balanço entre a potência gerada e a requisitada pelas cargas, devido, principalmente, à limitada capacidade de transmissão, ou ainda, devido a um suporte de potência reativa local inadequada. Neste trabalho pretende-se avaliar o grau de impacto que uma contingência ou uma ação de controle teria sobre um sistema de potência. Para avaliar este grau de impacto pretende-se utilizar os conceitos de coerência de cargas, a partir da matriz de impedância nodal, determinando-se quais barras seriam mais influenciadas por uma certa perturbação no sistema. Quando este número de barras é elevado, indica que a contingência deveria ser classificada como mais grave do que uma contingência com margem baixa, porém de impacto local e de fácil solução. Durante o funcionamento do sistema podem ocorrer eventos que afetam as características de tensão e freqüência, causando inclusive a interrupção do fornecimento de energia. Portanto, o engenheiro de operação deve dispor de ferramentas que controlem e que permitam prever esta situação de risco e tomar medidas para evitá-las. Assim, é de extrema importância, a análise de estabilidade do sistema, a fim de em um futuro próximo, prevenir distúrbios no seu funcionamento normal. / Until the middle of the seventies the attention of the technicians of the electricity sector was focused on the problems arising from instability of the callangle, where the most severe, such as short circuits, take the systems to lose stability. As the systems were getting overloaded, some nonlinearities have become more evident and problems that were not seen until then began to occur. One such problem that has awaken the attention of power engineers was precisely the problem of voltage collapse. This phenomenon is related to the inability of the electric system to provide the balance between power generated and required by the loads, mainly due to the limited transmission capacity, or because a local reactive power support inadequate. This work aims to assess the degree of impact that a contingency or an action of control would have on a system of power. To assess the degree of impact is intended to use the concepts of consistency of loads from the nodal impedance matrix, it was determined that bars would be more influenced by a disturbance in the system. When this number of bars is high, indicates that the contingency should be classified as more serious than a contingency margin with low, but the local impact and easy solution. During operation of system events may occur that affect the characteristics of voltage and frequency, causing even the interruption of power supply. Therefore, the operating engineer should have the tools to monitor and to predict that this situation of risk and take steps to avoid them. It is therefore of extreme importance, the analysis of system stability, so that in the near future, to prevent disturbances in their normal operation.

Nos últimos anos verificou-se um crescimento acentuado da complexidade da avaliação da segurança em Sistemas Elétricos de Potência (SEPs). O aumento das interligações, aliado à operação das redes com altos níveis de carregamento, aumenta a probabilidade de ocorrência de incidentes que podem levar o SEP à instabilidade de tensão, culminando com o colapso de tensão e grandes prejuízos à qualidade do fornecimento de energia elétrica. Neste trabalho foi proposta uma ferramenta rápida para a manutenção da segurança de SEPs no contexto da Estabilidade de Tensão (ET). Para tal, foi desenvolvida uma metodologia rápida para a análise de contingências. Selecionadas as críticas, a eliminação da criticalidade das mesmas é realizada via ações preventivas. Neste contexto, foram desenvolvidas duas abordagens para a seleção de ações preventivas. Na primeira procura-se minimizar o número de controles via técnicas de agrupamento de dados, para eliminar a criticalidade de uma contingência. Na segunda abordagem foi desenvolvida uma estratégia para obtenção de um grupo de controles para eliminar a criticalidade de todas as contingências. Ambas as abordagens baseiam-se em uma metodologia de análise de sensibilidade da margem de ET em relação aos controles preventivos que também foi proposta nesta tese. A eficácia da ferramenta foi comprovada por intermédio de simulações em um SEP. Os resultados foram bastante satisfatórios, os grupos de controles obtidos pela primeira abordagem representam um conjunto mínimo de ações preventivas para eliminar a criticalidade de uma contingência específica. Já na segunda abordagem, foi possível determinar um grupo de controles para a eliminar simultaneamente a criticalidade de todas as contingências. Como produto científico deste doutorado foram obtidas novas metodologias rápidas para a análise de segurança do SEP no contexto da ET. / The complexity of the security assessment in Electric Power Systems (EPS) has received much attention from researches in recent years. The continuous growth in the number of interconnections, allied to networks operating with high loading levels, enhance the probability of incidents that can lead the EPS to voltage instability. Voltage collapse and considerably loss of the electric supply are the principal consequences of this scenery. In this study, we propose a fast tool for supporting the EPS security, in the context of Voltage Stability (VS). To this end, a fast methodology was developed for contingency analysis. Once the critical contingencies are selected, their criticalities are eliminated through the selection of preventive actions. In this context, two approaches were developed. In the first one, we aim at minimizing eh number of controls by using clustering techniques. In this case, the principal objective is to eliminate the criticality of a contingency. In the second approach, we developed a strategy for obtaining a groups of controls in order to eliminate the criticality of all contingencies. Both approaches are based on a methodology for sensitivity analysis of the VS margin with respect to preventive controls which is also proposed in this thesis. The effectiveness of the tool was corroborated by simulations in a EPS. We found the results satisfactory, since the groups of controls achieved by the first approach represent a minimum set of preventive actions that can be taken to eliminate the criticality of a specific contingency. In the second approach, it was possible to determine a minimum group of controls that eliminate the criticality of all contingencies simultaneously. New fast methodologies for security analysis of the EPS in the context of the VS is considered the main scientific product result of this doctorate.