With a significant number of states in the U.S. and countries around the world trading electricity in restructured markets, a sizeable proportion of capacity expansion in the future will have to take place in market-based environments. However, since a majority of the literature on capacity expansion is focused on regulated market structures, there is a critical need for comprehensive capacity expansion models targeting restructured markets. In this research, we develop a two-level game-theoretic model, and a novel solution algorithm that incorporates risk due to volatilities in profit (via CVaR), to obtain multi-period, multi-player capacity expansion plans. To solve the matrix games that arise in the generation expansion planning (GEP) model, we first develop a novel value function approximation based reinforcement learning (RL) algorithm. Currently there exist only mathematical programming based solution approaches for two player games and the N-player extensions in literature still have several unresolved computational issues. Therefore, there is a critical void in literature for finding solutions of N-player matrix games. The RL-based approach we develop in this research presents itself as a viable computational alternative. The solution approach for matrix games will also serve a much broader purpose of being able to solve a larger class of problems known as stochastic games. This RL-based algorithm is used in our two-tier game-theoretic approach for obtaining generation expansion strategies. Our unique contributions to the GEP literature include the explicit consideration of risk due to volatilities in profit and individual risk preference of generators. We also consider transmission constraints, multi-year planning horizon, and multiple generation technologies. The applicability of the twotier model is demonstrated using a sample power network from PowerWorld software. A detailed analysis of the model is performed, which examines the results with respect to the nature of Nash equilibrium solutions obtained, nodal prices, factors affecting nodal prices, potential for market power, and variations in risk preferences of investors. Future research directions include the incorporation of comprehensive cap-and-trade and renewable portfolio standards components in the GEP model.

In this thesis, methods of charging for the transmission system and optimising the expansion of the transmission network under the competitive power market are described. The first part of this thesis considers transmission tariff design. In the proposed approach, not only is all the necessary investment in the transmission system recovered, but also an absolute economic signal is offered which is very useful in the competitive power market. A fair power market opportunity is given to every participant by the new nodal-use method. The second part of this thesis considers transmission system expansion. All the tests are based on the Three Gorges Project in China. In this thesis, to optimally expand the transmission system, the LMP (Locational Marginal Price) selection method and the CBEP (Congestion-Based transmission system Expansion Planning) method are introduced. The LMP selection method is used to select optional plans for transmission system expansion. It is especially suitable for large transmission systems. The outstanding advantages of the LMP selection method are simplicity and computational efficiency. The CBEP method produces the optimal system expansion plan. For the first time, generation congestion and transmission congestion are separated within the system expansion problem. For this reason the CBEP method can be used in a supply-side power market and is suitable for the Chinese power market. In this thesis, the issue of how to relax the congestion in the transmission system have been solved. The transmission system can obtain enough income to recover the total required cost. For this reason more and more investment will come into the transmission system from investors. The risk for the independent generators is also under control in the CBEP method. Even when the system is congested, the uncertainty of LMP is taken into consideration.

Changes in the electric power industry have brought great challenges and uncertainties in transmission planning area. More effective planning of transmission grids with the appropriate development of advanced planning technologies is badly-needed. The aim of this research is to develop an advanced probabilistic transmission expansion planning (TEP) methodology in a continually changing market environment. The methodology should be able to strengthen and increase the robustness of existing transmission network. By using the proposed probabilistic TEP methodology, it can reduce the risks of major outages and identify weak buses in the system. The significance of this research is shown by its comprehensiveness and powerful practicability. Results from this research are able to improve the planning efficiency and reliability with consideration of financial risks in an electricity market. In order to achieve the target, this research methodologies focused on two main important issues, (1) probability based technical assessment and (2) financial investment evaluation. During the first stage study, probabilistic congestion management, probabilistic reliability evaluation and probabilistic load flow for TEP under uncertainties have been investigated and improved. The developed methodologies and indices, which truly represent the composite impact from both critical state and probability, have linked with financial terms. At financial investment evaluation part, Monte Carlo market simulation is performed to assist economic analysis. The overall planning process has been treated as a constrained multi-objective optimisation task. Comprehensive investigations are conducted on several test systems and testified by real power systems using the available reliability data and economic information from the Australian National Electricity Market (NEM). Overall, this research developed probabilistic transmission planning methodologies that can reflect modern market structures more accurately and it enable a greater utilization of current generation and transmission resources to increase potential operation efficiencies.

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Resumo: Tradicionalmente, o problema de Planejamento da Expansão de Sistemas de Transmissão (PEST) é solucionado considerando apenas um único cenário de geração, embora sistemas elétricos reais operem em diferentes cenários de geração. Nessa pesquisa são propostos modelos matemáticos para resolver o problema de PEST, considerando múltiplos cenários de geração de forma que o plano de expansão obtido permita uma operação adequada do sistema. No modelo proposto, o custo de investimento é maior em relação aos planos de expansão encontrados pelo planejamento tradicional, que considera apenas um cenário de geração. Para reduzir o correspondente custo de investimento são apresentadas estratégias eficientes para encontrar planos de expansão para o problema de PEST considerando múltiplos cenários. As estratégias utilizadas foram: permitir pequenos cortes de carga; permitir o deslocamento do nível de geração em uma pequena faixa de geração mínima e máxima em relação à geração ideal e permitir pequenas sobrecargas nas linhas de transmissão. Adicionalmente, uma combinação entre essas estratégias é apresentada e o problema PEST também foi resolvido para o planejamento multiestágio, considerando múltiplos cenários de geração. O método proposto foi implementado com o uso da linguagem de modelagem algébrica AMPL e resolvido com o uso do solver comercial CPLEX. Os resultados encontrados correspondem à propostas de solução que são válidas para diferentes cenários de geração e apresentam diferentes alt... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Traditionally, the Transmission Network Expansion Problem is solved considering only a single generation scenario. However, a real power system operates in different generation scenarios. This work presents the disjunctive linear model for the Transmission Network Expansion Problem considering multiple generation scenarios to provide a single expansion plan, which must operate in a appropriate way in each one of the different scenarios. The investment cost of the proposed model is greater in relation to the traditional expansion plans, that consider single generation scenario. In order to reduce the investment costs, efficient strategies are presented to find the expansion plans for multiples scenarios. Therefore those strategies are: allow small load cuts; allow generation level displacement in a narrow generation range in relation to the ideal one; and allow small overload in the transmission lines. Moreover, a combination between those strategies is shown and the Transmission Network Expansion Problem was also solved for multistage planning for multiple generation scenarios. The proposed method was implemented using A Mathematical Programming Language (AMPL) and the commercial solver CPLEX. The results were of optimal quality, considering the characteristics of the used solver, and they were compared with methods found in the specialized literature. / Doutor

O planejamento da expansão do sistema elétrico é uma das principais atividades em uma distribuidora de energia elétrica, representando uma grande parcela dos investimentos realizados pelas distribuidoras para atender a demanda dos consumidores e os critérios estabelecidos pela agência reguladora (ANEEL). As empresas buscam o apoio de métodos multicritério no processo decisório de investimento, para otimizar e priorizar, com o intuito de obterem êxito na elaboração de um plano de obras que contemple aspectos técnicos e econômicos. A revisão sistêmica da literatura foi realizada em trabalhos de relevância para o tema em estudo, com auxílio de cinco bases de dados. O referencial teórico, que totaliza 52 publicações, apresenta conceitos teóricos sobre o processo decisório através de métodos multicritério de apoio à decisão, bem como exemplifica, através de aplicações práticas como os métodos estão sendo utilizados na área de energia. Com base nesta revisão foi possível estruturar a aplicação da Teoria da Utilidade Multiatributo (MAUT) em um processo decisório de investimento para fins de planejamento da expansão do sistema de distribuição em uma concessionária distribuidora de energia elétrica. Com a aplicação do método fica evidenciada a importância de um procedimento formal para auxiliar os decisores na hierarquização de forma objetiva dos alimentadores de energia elétrica mais críticos, proporcionando maior clareza e aprendizado em todo o processo de planejamento da expansão do sistema elétrico. Ao final, desenvolveu-se uma ferramenta para tratamento do grande volume de dados, que disponibiliza as informações depuradas para auxiliar na tomada decisão de investimento em ações eficientes, que melhorem a qualidade do fornecimento e atendam o crescimento do sistema. A partir da revisão bibliográfica e com a aplicação do método, oportunidades para estudos futuros foram identificadas. / The expansion planning of the electric system is one of the main activities in an electric energy distributor, representing a large part of the investments made by the distributors to meet the consumer demand and the criteria established by the regulatory agency (ANEEL). The companies seek the support of multi-criteria methods in the investment decision-making process, to optimize and prioritize, in order to succeed in the elaboration of a work plan which contemplates technical and economic aspects. The systemic review of the literature was carried out in current and relevant articles for the subject under study, with the aid of five database sources. The theoretical reference, which totals 52 publications, presents theoretical concepts on the decision process through multicriteria methods of decision support, as well as exemplifies through practical applications how the methods are have been used in the area of energy. Based on this review, it was possible to structure the application of the Multiattribute Utility Theory (MAUT) in an investment decision process for the purpose of planning the expansion of the distribution system in an electric power distribution concessionaire. The application of the method shows the importance of a formal procedure to assist decision makers in the objective hierarchy of the most critical electric power feeders, providing greater clarity and learning throughout the planning process of the expansion of the electric system. In the end, a tool was developed to treat the large volume of data, which provides the purified information to assist in the decision making of investment in assertive actions that improve the quality of supply and meet growth of the system. From the literature review and with the application of the method, opportunities for future studies have been identified.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-11-20Bitstream added on 2014-06-13T18:08:26Z : No. of bitstreams: 1 proto_ab_me_ilha.pdf: 2777482 bytes, checksum: ac3152da7c340dcf6ab04c187cabe418 (MD5) / Neste trabalho propõe-se o desenvolvimento de uma interface gráfica voltada para a resolução do problema de planejamento da expansão das linhas de transmissão, que utiliza-se de programas para a obtenção das soluções ótimas ou de boas soluções. A grande dificuldade encontrada por usuários ao interagir com estes programas, motivou o desenvolvimento de uma aplicação com interface gráfica, a qual disponibiliza ao usuário diversas metodologias para a resolução do problema do planejamento da expansão das linhas de transmissão de energia elétrica. Espera-se que software como este, agregado ao sistema de ensino tradicional que normalmente ´e utilizado num curso de engenharia elétrica, possa fortalecer o processo de aprendizagem do aluno. Assim, o software educacional Transmission Expansion Planning (TEP 1.0) está sendo desenvolvido visando propiciar um ambiente agradável para a realização de simulações e testes e favorecer a aprendizagem dos conceitos que envolvem o problema do planejamento da expansão da transmissão. É possível através deste software fazer simulações para os sistemas: Garver (6 barras/ 15 ramos), Sul brasileiro (46 barras/79 ramos) e Norte-Nordeste brasileiro (87 barras/179 ramos). O software se beneficia de recursos oferecidos por programas que são executados em background, bem como da utilização de meta-heurísticas e do ambiente de processamento de máquinas paralelas virtuais, as quais podem ser selecionadas para realização dos testes em determinado sistema / This work proposes the development of a computational tool aimed at solving the problem of the transmission expansion planning, which uses programs in the background to obtain optimal solutions or good solutions. The great difficulty for users to interact with these programs, motivated the development of an application with a graphical interface, which provides the user with various methodologies for solving the problem of expansion planning of transmission lines of electricity. It is expected that software like this, added to the traditional school system which is normally used in electrical engineering courses, can strengthen the process of student learning. Thus, the educational software Transmission Expansion Planning (TEP 1.0) is being developed to provide a pleasant environment for simulations and testing and promote the learning of concepts involving the issue of transmission expansion planning. It is possible using this software to do simulations for the systems: Garver (6 nodes / 15 branches), South Brazilian (46 nodes / 79 branches) and North-Northeast Brazilian (87 nodes / 179 branches). The software takes advantage of capabilities offered by programs that run on background, and using meta-heuristics and the processing environment, parallel virtual machine, which can be selected to test on a system

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-04-18Bitstream added on 2014-06-13T18:08:30Z : No. of bitstreams: 1 taglialenha_sls_dr_ilha.pdf: 776756 bytes, checksum: ee3e13f4456bb0d2f6f5faaf48d8309f (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O Problema de Planejamento da Expansão de Sistemas de Transmissão de Energia Elétrica consiste em se escolher, entre um conjunto pré-definido de circuitos candidatos, aqueles que devem ser incorporados ao sistema de forma a minimizar os custos de investimento e operação ao e atender a demanda de energia futura ao longo de um horizonte de planejamento com confiabilidade, assumindo como conhecido o plano de geração. É considerado um problema muito complexo e difícil por se tratar de um problema não linear inteiro misto, não convexo, multimodal e altamente combinatório. Este problema tem sido solucionado usando técnicas clássicas como Decomposição ao de Benders e Branch and Bound, assim como também algoritmos heurísticos e metaheurísticas obtendo diversos resultados, mais com uma série de problemas como, por exemplo, alto esforço computacional e problemas de convergência. Neste trabalho apresentam-se duas novas técnicas de solução para o problema, a saber, as metaheurísticas Busca em Vizinhança Variável e a Busca Dispersa. A Busca em Vizinhança Variável é uma técnica baseada em trocas de estruturas de vizinhança dentro de um algoritmo de busca local, e a metaheurística Busca Dispersa, um método evolutivo que combina sistematicamente conjuntos de soluções para se obter solucões melhores. Essas técnicas de solução oferecem novas alternativas de solução que oferecem solução aos problemas encontrados com outros métodos, como é um baixo esforço computacional é uma melhor convergência, sendo este o principal aporte do trabalho. Os algoritmos são apresentados sistematicamente, explicando os seus algoritmos e a forma como são adaptados para resolver o problema do planejamento da expansão de sistemas de transmissão considerando-se a modelagem matemática conhecida com o modelo de transporte e o modelo DC. São realizados testes com os sistemas... / Electric Energy Transmission Network Expansion Problem consist in choose among a set of pre-defined circuits candidates, who must be incorporated into the system so as to minimize the investment costs and operation and meet the future energy demand over a planning horizon with reliability, assuming the generation plan is known. It is a very complex and difficult problem because it is non linear, non convex, multimodal and highly combinatorial. This problem has been solved using traditional techniques such as Benders decomposition and Branch and Bound, as well as heuristic algorithms and metaheuristics getting different results, but with a series of problems such as high computational effort and convergence problems. This paper tests out two new techniques for solving the problem as are the metaheuristics Variable Neighborhood Search and Scatter Search. The Variable Neighborhood Search is a technique based on trading structures within a neighborhood of a local search algorithm, and the Scatter Search metaheuristic is a method which combines systematically sets of solutions in an evolutionary way to achieve better solutions. These solution techniques offer new alternatives to solve the problems encountered with other methods, such as a low computational effort and better convergence, which is the main contribution of this work. The techniques are presented systematically, explaining their algorithms and the way they are adapted to solve the network expansion planning problem based on the mathematical model known as the transportation model and the DC model. They are tested with the systems Southern Brazilian with 46 buses and the IEEE 24 buses system, results are compared with those obtained with other metaheuristics, obtaining excellent results with a best performance both in processing speed as in computational effort.

O planejamento da expansão do sistema elétrico é uma das principais atividades em uma distribuidora de energia elétrica, representando uma grande parcela dos investimentos realizados pelas distribuidoras para atender a demanda dos consumidores e os critérios estabelecidos pela agência reguladora (ANEEL). As empresas buscam o apoio de métodos multicritério no processo decisório de investimento, para otimizar e priorizar, com o intuito de obterem êxito na elaboração de um plano de obras que contemple aspectos técnicos e econômicos. A revisão sistêmica da literatura foi realizada em trabalhos de relevância para o tema em estudo, com auxílio de cinco bases de dados. O referencial teórico, que totaliza 52 publicações, apresenta conceitos teóricos sobre o processo decisório através de métodos multicritério de apoio à decisão, bem como exemplifica, através de aplicações práticas como os métodos estão sendo utilizados na área de energia. Com base nesta revisão foi possível estruturar a aplicação da Teoria da Utilidade Multiatributo (MAUT) em um processo decisório de investimento para fins de planejamento da expansão do sistema de distribuição em uma concessionária distribuidora de energia elétrica. Com a aplicação do método fica evidenciada a importância de um procedimento formal para auxiliar os decisores na hierarquização de forma objetiva dos alimentadores de energia elétrica mais críticos, proporcionando maior clareza e aprendizado em todo o processo de planejamento da expansão do sistema elétrico. Ao final, desenvolveu-se uma ferramenta para tratamento do grande volume de dados, que disponibiliza as informações depuradas para auxiliar na tomada decisão de investimento em ações eficientes, que melhorem a qualidade do fornecimento e atendam o crescimento do sistema. A partir da revisão bibliográfica e com a aplicação do método, oportunidades para estudos futuros foram identificadas. / The expansion planning of the electric system is one of the main activities in an electric energy distributor, representing a large part of the investments made by the distributors to meet the consumer demand and the criteria established by the regulatory agency (ANEEL). The companies seek the support of multi-criteria methods in the investment decision-making process, to optimize and prioritize, in order to succeed in the elaboration of a work plan which contemplates technical and economic aspects. The systemic review of the literature was carried out in current and relevant articles for the subject under study, with the aid of five database sources. The theoretical reference, which totals 52 publications, presents theoretical concepts on the decision process through multicriteria methods of decision support, as well as exemplifies through practical applications how the methods are have been used in the area of energy. Based on this review, it was possible to structure the application of the Multiattribute Utility Theory (MAUT) in an investment decision process for the purpose of planning the expansion of the distribution system in an electric power distribution concessionaire. The application of the method shows the importance of a formal procedure to assist decision makers in the objective hierarchy of the most critical electric power feeders, providing greater clarity and learning throughout the planning process of the expansion of the electric system. In the end, a tool was developed to treat the large volume of data, which provides the purified information to assist in the decision making of investment in assertive actions that improve the quality of supply and meet growth of the system. From the literature review and with the application of the method, opportunities for future studies have been identified.

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Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Resumo: Os sistemas elétricos do futuro próximo terão um comportamento dinâmico porque grandes fontes renováveis de geração, principalmente geração eólica e solar, serão construídas nos sistemas de potência de vários países do mundo incluindo o Brasil. A incerteza introduzida pelas fontes renováveis de energia é um problema que deve ser solucionado. Para resolver o problema da incerteza é necessário criar uma rede mais flexível. A alocação de armazenadores de energia no sistema de potência será necessária para lidar com as novas incertezas e para manter o funcionamento adequado do sistema. Adicionalmente, o sistema de transmissão deve-se tornar muito mais ativo através do uso de novas tecnologias flexíveis que permitirão ter um controle ótimo do sistema. As novas tecnologias incluem Sistemas Flexíveis de Transmissão em Corrente Alternada (FACTS), sistemas de transmissão de corrente continua (HVDC) e outras tecnologias que permitirão controlar as direções dos fluxos de potência sem alterar a geração ou demanda do sistema. Portanto, nesta tese são estudadas diferentes representações matemáticas para os problemas de fluxo de potência ótimo (FPO), planejamento da transmissão de longo prazo (PERT) e alocação de fontes de reativos (AFR) usando as equações de fluxo de potência de corrente alternada (CA). Adicionalmente, são propostas novas formulações para representar os problemas de fluxo de potência ótimo multiperíodo para sistemas de transmissão ativos que incluem FACTS, sistemas HVDC e ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The future power systems will have a dynamic behaviour due to a significant amount of renewable generation, especially wind and solar generation, will be installed in the power systems of many countries in the world including Brazil.The uncertainty introduced by the renewable energy resources is a problem that has to be solved. The development of a flexible network is necessary to solve the aforementioned problem. The installation of energy storage in the power system will be necessary to manage the new uncertainties and to maintain the adequate system’s operation. Additionally, the transmission system will become more active though new flexible technologies, which allows having an optimal control of the power system. The new technologies include Flexible AC Transmission System (FACTS), High Voltage Direct current (HVDC) transmission systems and other technologies, which allow controlling the power flow direction without changing the power injections of generation or demand. Therefore, in this thesis are studied different mathematical formulations using the AC power flow equations for the optimal power flow (OPF) problem, the transmission expansion planning (TEP) problem and the reactive power planning (RPP) problem. Furthermore, two additional contributions have been made. The first contribution is the development of new mathematical formulations for the multiperiod optimal power flow for active transmission systems that includes FACTS, HVDC and batteries. The second contrib... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor