O método de Lyapunov, também conhecido como método direto, é eficiente para análise de estabilidade transitória em sistemas de potência. Tal método possibilita a análise de estabilidade sem requerer o conhecimento das soluções das equações diferenciais que modelam o problema. A maior desvantagem da utilização dos métodos diretos, é sem dúvida encontrar uma função (V) que satisfaça as condições do Teorema de Lyapunov, ou seja, V > 0 e V \'< ou =\' 0. Durante muitos anos a inclusão das condutâncias de transferência na modelagem do sistema de potência, com a rede reduzida aos nós dos geradores, foi um assunto que despertou interesse em vários pesquisadores. Em 1989, Chiang provou a não existência de uma Função de Lyapunov para sistemas de potência quando as condutâncias de transferência são consideradas. Essas condutâncias de transferência são responsáveis por gerar regiões no espaço de estados onde tem-se V > 0, não satisfazendo as condições do Teorema de Lyapunov. Recentemente, Rodrigues, Alberto e Bretas (2000) apresentaram a Extensão do Princípio de Invariância de LaSalle, onde é permitido que a Função de Lyapunov possua, em algumas regiões limitadas do espaço de estados, a derivada positiva. Neste caso, estas funções passam a ser denominadas Funções de Lyapunov Estendidas (FLE). Neste trabalho, são utilizadas a Extensão do Princípio de Invariância de LaSalle e as Funções de Lyapunov Estendidas para a análise de estabilidade transitória, considerando o efeito das condutâncias de transferência na modelagem do problema. Para isto, são propostas Funções de Lyapunov Estendidas para modelos de sistemas de potência que não apresentam uma Função de Lyapunov no sentido usual. Essas FLE\'s são propostas tanto para sistemas de 1-máquina versus barramento infinito quanto para sistemas multimáquinas. Para a obtenção de boas estimativas do tempo de abertura, nos estudos de estabilidade transitória, é proposto um algoritmo iterativo. Este algoritmo fornece uma boa estimativa local da área de atração do ponto de equilíbrio estável de interesse. / The method of Lyapunov, one of the direct method, is efficient for transient stability analysis of power systems. The direct methods are well-suited for stability analysis of power systems, since they do not require the solution of the set of differential equations of the system model. The great difficulty of the direct methods is to find an auxiliary function (V) which satisfies the conditions of Lyapunov\'s Theorem V > 0 and V \'< or =\' 0. For many years the inclusion of the transfer conductances in the power system model, with the reduced network, is a issue of interest for several researchers. In 1989, Chiang studied the existence of energy functions for power systems with losses and he proved the non existence of a Lyapunov Function for power systems when the transfer conductance is taken into account. The transfer conductances are responsible for generating regions in the state space where the derivative of V is positive. Therefore, the function V is nor a Lyapunov Function, because its derivative is not semi negative definite. Recently, an Extension of the LaSalle\'s Invariance Principle has been proposed by Rodrigues, Alberto and Bretas (2000). This extension relaxes some of the requirements on the auxiliary function which is commonly called Lyapunov Function. In this extension, the derivative of the auxiliary function can be positive in some bounded regions of the state space and, for distinction purposes, it is called, as Extended Lyapunov Function. Inthis work, the Extension of the LaSalle\'s Invariance Principle and the Extended Lyapunov Function are used for the transient stability analysis of power systems with the model taking transfer conductances in consideration. For at purpose in this research, Extended Lyapunov Functions for power system models which do not have Lyapunov Functions in the usual sense are proposed. Extended Lyapunov Functions are proposed for a single-machine-infinite- bus-system and multimachine systems. For obtaining good estimates of the critical clearing time in transient stability analysis, an iterative algorithm is proposed. This algorithm supplies a good local estimate of the attraction area for the post fault stable equilibrium point.

O crescimento da demanda de energia e das interligações entre os Sistemas Elétricos de Potência, assim como a necessidade de prestação de melhores serviços exigem que as técnicas de análise destes sejam cada vez mais rápidas e refinadas. Dentre estas técnicas, as análises de estabilidade transitória através de métodos energéticos são estudadas e o desenvolvimento de técnicas computacionais que permitam a análise em tempo real da estabilidade transitória é o principal objetivo deste trabalho. Os métodos energéticos são métodos diretos adequados à aplicações em tempo real, pois obtém informações a respeito da estabilidade diretamente das equações diferenciais do sistema, sem a necessidade do conhecimento das soluções das equações diferenciais. A aplicação de métodos energéticos aos estudos de estabilidade transitória evoluiu significativamente nos últimos anos. Esta evolução culminou com o desenvolvimento do método BCU. Este método está fundamentado no conceito de ponto de equilíbrio de controle e portanto, garante apenas a existência ou a estabilidade do primeiro \"swing\". Embora este seja um método eficiente, existe uma grande quantidade de casos que são estáveis no primeiro \"swing\", mas o sistema perde a estabilidade em \"swings\" subseqüentes. Para resolver este problema, desenvolveu-se uma técnica de estimativa do parâmetro amortecimento para o caso de uma máquina versus barramento infinito. Estima-se o amortecimento necessário que a máquina deverá possuir tal que a estabilidade nos \"swings\" subseqüentes seja garantida. Esta metodologia é utilizada em conjunto com o BCU garantindo a satisfação da condição de transversalidade exigida no desenvolvimento teórico deste método. Maiores investigações serão necessárias para estimar os amortecimentos em sistemas multimáquinas. / The increase of load demand and interconnection between power systems as well as the necessity of offering better customer services require fast and refined techniques to analyze these systems. In particular, the transient stability analysis is studied and the development of computational techniques suitable to real-time transient stability analysis is the main aim of this work. The energetic methods are direct methods suitable to real-time applications because they obtain qualitative information about the system without the knowledge of the differential equation solutions. The application of energetic methods to the transient stability analysis developed significantly in the last years. This evolution culminated with the development of the BCU method. This method is based on the concept of controlling equilibrium point, therefore it only guarantees the existence of the first swing. In spite of the efficiency of this method, there exists a high number of cases where the BCU predicts stability to the first swing but the system becomes unstable or loses synchronism in future swings. In order to solve this problem, a methodology to estimate the damping coefficient was developed to the machine versus infinite bus case. The damping coefficient that must be applied to the machine to guarantee the stability in future swings is estimated. This methodology is used together with the BCU method guaranteeing the satisfying of the transversality condition required by the BCU theory. Further investigations must be carried out to extend the methodology to multimachine systems.

O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de algoritmos para análise de estabilidade transitória com esforço computacional reduzido. Com este propósito é desenvolvido uma metodologia para o equivalente dinâmico, a qual é um resultado da eliminação das barras de cargas providas com diferentes modelagens: PQ como constante, PQ como função de tensão e PQ como função de tensão e frequência. O sistema elétrico de potência é reduzido à barras geradoras internas através do método clássico de determinação de equivalentes desenvolvidos por Ward. Uma versão melhorada do equivalente de Ward atualiza a injeção de corrente equivalente nas barras geradoras internas através da utilização das Unidades Medidoras de fasores (PMU\'s) que fornecem os desvios angulares de potência das unidades geradoras e ele uma matriz ele sensibilidade W. A atualização da injeção ele corrente equivalente nas barras geradoras internas é efetuada através da matriz de sensibilidade W para cada novo ponto ele operação. A técnica utilizada para o desenvolvimento da matriz de sensibilidade W foi feita atráves da linearização da equação do fluxo de carga não linear e considerando diferentes modelagens das cargas. Programas que levam em consideração os aspectos acima foram desenvolvidos onde as diferentes modelagens de cargas são incorporadas. Para isto, o sistema AEP de 14 barras foi utilizado como teste para este projeto. / The development of algorithms for analysis of transient stability with reduced computational effort is the main objective of this work. With that purpose a methodology to build reduced equivalents of a power system in a dynamic way is developed. The expression for the injected equivalent currents at the generator buses, is a result of load buses elimination corresponding to different load models, that is: constant PQ loads, PQ as voltage dependency model,as well as PQ as voltage and frequency dependency models. The electric power system is reduced to the generator buses only, using the classic methodology for equivalents developed by Ward. An improved version for the Ward equivalent updates the injected equivalent currents at the generator buses through the use of the phasor measurement units (PMU\'s) and a sensitivity matrix W; those units give the power angle deviation of the generators when some perturbation is applied to the system. In the process of correcting the injected equivalent currents the sensitivity matrix W is updated every time the operating point changes significatively. The technique used in developing the sensitivity matrix W was made through linearization of the load flow equations applied to the different load models. Computer programs taking the considerations above mentioned were developed. The AEP-14 bus power system was used to test the models proposed on this work.

Neste trabalho, as restrições de estabilidade transitória são incorporadas ao problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) por meio da aproximação de equações diferenciais do problema de estabilidade por um conjunto de equações algébricas provenientes de procedimentos de integração numérica. Uma contribuição original desta dissertação é a proposição de um procedimento de otimização multi-passos que minimiza problemas de convergência e acelera o processo computacional. O procedimento de otimização proposto foi testado com sucesso num sistema pequeno de 3 geradores, tendo as potências geradas como variáveis de controle. / In this work, transient stability constraints are incorporated into the Optimal Power Flow (OPF) problem by approximating differential equations constraints by a set of equivalent algebraic equations originated from numerical integration procedures. A contribution of this dissertation is the proposal of a multi-step optimization procedure, which minimizes convergence problems and speeds up computation. The proposed optimization procedure was successfully tested on a small 3-machine power system, having the generated powers as control variables.

Nesta pesquisa são analisados os mecanismos que levam um sistema elétrico de potência (SEP) à instabilidade proveniente de uma perturbação de grande porte e as formas de se avaliar diretamente a margem de estabilidade desse sistema quando o mesmo é modelado preservando a estrutura da rede de transmissão. O sistema foi matematicamente modelado por um conjunto de equações algébrico-diferenciais (EAD), que permite modelagens mais compreensivas da carga e da rede e possibilita melhor avaliação da estabilidade de um sistema quando comparado com o modelo de equações diferenciais ordinárias (EDO) utilizado tradicionalmente para o estudo de estabilidade transitória. A avaliação direta da margem de estabilidade do sistema de potência modelado por conjuntos de EAD foi realizada usando métodos diretos de análise com base no conceito de ponto de equilíbrio instável de controle (PEIC). Tais métodos permitem a obtenção da margem deforma local e rápida, sem requerer a integração numérica de equações diferenciais do modelo pós-falta. No entanto, existem alguns problemas abertos para se alcançar a completa fundamentação do método PEIC para modelos de EAD. Assim, neste estudo dá-se um passo nesta direção, mostrando que as definições existentes de PEIC e de outros pontos de interesse podem ser falhas, principalmente quando a trajetória de falta do sistema alcança superfícies singulares. Neste sentido, são propostos a correção destas definições e um método direto de detecção do PEIC. O método proposto é adequado para análise direta de estabilidade angular e de tensão de curto-termos devido a grandes perturbações e capaz de fornecer corretos tempos críticos de abertura e a identificação dos mecanismos de instabilização do sistema de EAD, mesmo quando as trajetórias do sistema alcançam superfícies singulares. / This thesis addresses to the mechanisms that lead an electric power system to instability due to large disturbances and to the methods to assess directly the stability margin when the system is modeled preserving the network structure. The system is modeled by a set of differential-algebraic equations (DAE) that permits more comprehensive models for the load and network and provides a better stability margin assessment when compared to the model of ordinary differential equations (ODE) traditionally used for transient stability analysis. The direct assessment of the stability margin was realized using direct methods based on the controlling unstable equilibrium point (CUEP) concept and permits to assess the margin in a local and fast manner, without requires the time integration of the post-fault system differential equations. Nevertheless, some open problems remain to be solved in order to provide a complete foundation of the CUEP method for DAE power system models. In this research a further step is given in this direction, showing that the existent definitions for the CUEP and other interest points may fail, mainly when the fault-on trajectory reaches singular surfaces. In this sense, it is proposed the correction of these definitions and a new CUEP method that is adequate to the angular and voltage short-term direct stability assessment due to large disturbances; capable to provide precise critical clearing times and the identification of the instability mechanisms for the DAE modeled power system, even in the presence of singular surfaces.

Neste trabalho, as restrições de estabilidade transitória são incorporadas ao problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) por meio da aproximação de equações diferenciais do problema de estabilidade por um conjunto de equações algébricas provenientes de procedimentos de integração numérica. Uma contribuição original desta dissertação é a proposição de um procedimento de otimização multi-passos que minimiza problemas de convergência e acelera o processo computacional. O procedimento de otimização proposto foi testado com sucesso num sistema pequeno de 3 geradores, tendo as potências geradas como variáveis de controle. / In this work, transient stability constraints are incorporated into the Optimal Power Flow (OPF) problem by approximating differential equations constraints by a set of equivalent algebraic equations originated from numerical integration procedures. A contribution of this dissertation is the proposal of a multi-step optimization procedure, which minimizes convergence problems and speeds up computation. The proposed optimization procedure was successfully tested on a small 3-machine power system, having the generated powers as control variables.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-02-22Bitstream added on 2014-06-13T18:49:40Z : No. of bitstreams: 1 pereira_mbc_me_ilha.pdf: 1170771 bytes, checksum: f8ba8678a1d9af0316e036187c7f36d7 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho tem por objetivo contribuir para o desenvolvimento de técnicas de Educação em Engenharia apresentando uma ferramenta de apoio ao Ensino/Aprendizagem de Sistemas Elétricos de Potência na forma de um software de interface amigável e baixo custo. O software desenvolvido em linguagem C++ segue os padrões de programação orientada a objetos e oferece ao usuário a resolução de fluxos de potência e simulações de casos de contingências transitórias com possibilidade de interatividade, apresentando resultados em ambiente gráfico. Desenvolvido para aplicação na área de Dinâmica e Estabilidade de Sistemas de Potência, suporta sistemas-exemplos clássicos do IEEE e também disponibiliza ao usuário ferramentas para personalização de arquivos de dados de entrada, tornando-se flexível e de fácil acesso aos casos já inseridos no sistema. O usuário também pode criar novos sistemas de acordo com suas necessidades. Os resultados são exibidos em forma numérica e também através de gráficos tridimensionais e animação, possibilitando fácil visualização de resultados, entendimento de fenômenos e análise de influências sobre o desempenho. / This work presents a contribution to the development of Engineering Education techniques by means of a Teaching/Learning support tool for Electrical Power System studies resulting in a friendly low cost interface software. It was developed in C++ language and follows the pattern of object oriented programming, offering to the user the resolution of load flow and digital simulations of transient stability with the possibility of interactivity, showing the results in a graphic environment. It was developed for use in applications of Static and Transient Power Systems Stability and it has enclosed classic sample-systems of IEEE and others and also allows the user to customize input data files. Then the tool is flexible and enables easy access to cases formerly inserted in the system. The user also can create new systems according to his needs. The machines rotors movement can be seen in a graphic animation, allowing easy visualization of events, phenomena comprehension and analysis of influences about the performance.

Nesta pesquisa são analisados os mecanismos que levam um sistema elétrico de potência (SEP) à instabilidade proveniente de uma perturbação de grande porte e as formas de se avaliar diretamente a margem de estabilidade desse sistema quando o mesmo é modelado preservando a estrutura da rede de transmissão. O sistema foi matematicamente modelado por um conjunto de equações algébrico-diferenciais (EAD), que permite modelagens mais compreensivas da carga e da rede e possibilita melhor avaliação da estabilidade de um sistema quando comparado com o modelo de equações diferenciais ordinárias (EDO) utilizado tradicionalmente para o estudo de estabilidade transitória. A avaliação direta da margem de estabilidade do sistema de potência modelado por conjuntos de EAD foi realizada usando métodos diretos de análise com base no conceito de ponto de equilíbrio instável de controle (PEIC). Tais métodos permitem a obtenção da margem deforma local e rápida, sem requerer a integração numérica de equações diferenciais do modelo pós-falta. No entanto, existem alguns problemas abertos para se alcançar a completa fundamentação do método PEIC para modelos de EAD. Assim, neste estudo dá-se um passo nesta direção, mostrando que as definições existentes de PEIC e de outros pontos de interesse podem ser falhas, principalmente quando a trajetória de falta do sistema alcança superfícies singulares. Neste sentido, são propostos a correção destas definições e um método direto de detecção do PEIC. O método proposto é adequado para análise direta de estabilidade angular e de tensão de curto-termos devido a grandes perturbações e capaz de fornecer corretos tempos críticos de abertura e a identificação dos mecanismos de instabilização do sistema de EAD, mesmo quando as trajetórias do sistema alcançam superfícies singulares. / This thesis addresses to the mechanisms that lead an electric power system to instability due to large disturbances and to the methods to assess directly the stability margin when the system is modeled preserving the network structure. The system is modeled by a set of differential-algebraic equations (DAE) that permits more comprehensive models for the load and network and provides a better stability margin assessment when compared to the model of ordinary differential equations (ODE) traditionally used for transient stability analysis. The direct assessment of the stability margin was realized using direct methods based on the controlling unstable equilibrium point (CUEP) concept and permits to assess the margin in a local and fast manner, without requires the time integration of the post-fault system differential equations. Nevertheless, some open problems remain to be solved in order to provide a complete foundation of the CUEP method for DAE power system models. In this research a further step is given in this direction, showing that the existent definitions for the CUEP and other interest points may fail, mainly when the fault-on trajectory reaches singular surfaces. In this sense, it is proposed the correction of these definitions and a new CUEP method that is adequate to the angular and voltage short-term direct stability assessment due to large disturbances; capable to provide precise critical clearing times and the identification of the instability mechanisms for the DAE modeled power system, even in the presence of singular surfaces.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um programa computacional para análise de contingências, no contexto da estabilidade transitória, capaz de identificar as contingências críticas do sistema elétrico de potência via métodos diretos. A análise de estabilidade é realizada em diversas etapas, onde serão aplicados diversos filtros, baseados em métodos de análise de ilhamento, não existência de pontos de equilíbrio, PEBS, BCU e simulação computacional, no domínio do tempo, do sistema. Em cada etapa da análise, os casos serão classificadas como sendo estáveis, instáveis ou incertos segundo diferentes critérios, restando portanto, ao fim de cada etapa, um conjunto menor de possíveis contingências críticas. A metodologia proposta foi desenvolvida para modelos de SEPs com rede reduzida, porém as técnicas discutidas neste trabalho aplicam-se também a modelos que preservam a estrutura do sistema de transmissão. / The main objective of this work is to design a transient stability screening contingency program that is able to identify all critical contingencies in an electric power system using direct methods. The stability assessment is performed through several steps by mean of filters based on islanding detection, nonexistence of equilibrium points, PEBS, BCU and time-domain simulation of the power system. In each step of the analysis, all cases are classified as stable, unstable or uncertain cases by different criteria, resulting at the end of each step in a small number of possible critical contingencies. The proposed methodology was designed for reduced models of electric power systems, but all the techniques discussed in this work are also suitable for preserving structure models.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2014-01-13T19:20:27Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AvaliacaoDinamicaInterligacao.pdf: 3963662 bytes, checksum: 2af86b8e95c030ff9dc29bc7472ee046 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2014-01-16T12:09:33Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AvaliacaoDinamicaInterligacao.pdf: 3963662 bytes, checksum: 2af86b8e95c030ff9dc29bc7472ee046 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-01-16T12:09:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AvaliacaoDinamicaInterligacao.pdf: 3963662 bytes, checksum: 2af86b8e95c030ff9dc29bc7472ee046 (MD5) Previous issue date: 2013 / Esta dissertação apresenta uma avaliação dinâmica da conexão Tucuruí-Manaus-Macapá ao Sistema Interligado Nacional frente a pequenas e grandes perturbações. Todos os dados utilizados foram obtidos da base de dados do Operador Nacional do Sistema Elétrico. No entanto, os parâmetros dos estabilizadores dos sistemas de potência das usinas de Macapá não estão sintonizados para a interconexão e as usinas de Manaus não apresentam dispositivos suplementares amortecedores. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é projetar estabilizadores de sistemas de potência para as usinas hidrelétricas de Coaraci Nunes e Balbina, e também para as usinas térmicas de Mauá e Aparecida, através de técnicas de respostas em frequência baseada no critério de Nyquist. A utilização dos estabilizadores tem como finalidade o amortecimento dos modos eletromecânicos que surgem quando os sistemas isolados do Amapá e do Amazonas passam a ser integrados ao sistema interligado nacional. Os projetos são avaliados em diversos cenários operativos através de simulações no domínio do tempo. / This work presents small-signal and transient stability analysis in the Tucuruí- Manaus-Macapá regional system when connected to the Brazilian Interconnected Power System (BIPS). All data used were obtained in the database of the Brazilian National Electric System Operator. Power System Stabilizers (PSS) in Coaraci Nunes and Balbina hydroelectrics power plants, and Maua and Aparecida thermoelectrics power plants are designed utilizing the Nyquist method available in the PacDyn software. The design of the PSS focuses the damping enhancement of the electromechanicals modes, which appears when Tucuruí-Manaus-Macapá´s system is connected to the BIPS. The designs are evaluated on various operational scenarios through simulations in the time domain.