[pt] Centros de operação ao redor do mundo têm verificado o aumento da complexidade ao longo dos anos, principalmente pela grande quantidade de novas informações que devem ser consideradas. No sistema elétrico brasileiro não é diferente, impactado pela participação cada vez mais ativa de fontes renováveis, como eólicas e fotovoltaicas, além de elos de corrente contínua. Seguindo uma tendência global, a consideração de valores de inércia sincronizada para a avaliação do desempenho da frequência e de fluxos sistêmicos se faz necessária, configurando-se como uma nova informação a ser exposta à operação em tempo real. Visando garantir mais segurança e confiabilidade ao ambiente de tempo real, o presente trabalho tem como objetivo traduzir os estudos realizados pela equipe de planejamento do ONS para a operação, através de um sistema capaz de monitorar parâmetros como a inércia sincronizada, reserva de potência operativa e outras informações associadas, ampliando a consciência situacional dos usuários. Além disso, o sistema deve promover simulações de contingências severas que possam provocar atuações de esquemas de corte de carga e indicar ações que possam ser realizadas para mitigar o problema. / [en] Operation centers around the world have verified an increase of the complexity throughout the years, mostly due to huge amounts of new information that must be considered. The Brazilian electric system is no different, impacted by the increasingly active participation of renewable sources, such as wind and photovoltaic, as well as direct current links. Following a global trend, the consideration of values of synchronous inertia for the evaluation of the performance of the frequency is necessary, configuring as a new information to be exposed to real-time operation. With the purpose of guaranteeing more safety and reliability to the real-time environment, this work has the goal of translating the studies carried out by the ONS planning team to the operation, through a system capable of monitoring parameters such as synchronous inertia, operating reserve and other associated informations, increasing users situational awareness. Besides that, the system must promote simulations of severe contingencies that may trigger load shedding schemes and indicate actions that can be taken to soften the problem.

[pt] A resposta dinâmica de sistemas estruturais não lineares tem sido um item de grande interesse nas pesquisas em engenharia civil. Problemas onde há interação base flexível-estrutura são de grande importância na análise estrutural, já que a maioria das estruturas civis é apoiada sobre sistemas flexíveis (solo ou sistemas de apoio com dissipação de energia). Nesta área, o estudo de sistemas submetidos a ações sísmicas é um tópico relevante, já que estas solicitações têm um grande conteúdo de frequências, o que pode influenciar consideravelmente as respostas da estrutura. Neste contexto, o conhecimento da resposta em frequência de estruturas não lineares sob uma excitação de base é uma ferramenta útil para avaliar os potenciais efeitos de ações sísmicas sobre estes sistemas. Na presente tese é desenvolvida uma metodologia de análise não linear dinâmica de sistemas estruturais reticulados sob excitações de base, considerando não linearidade geométrica e apoios flexíveis, representados por molas unidimensionais, com comportamento elasto-plástico. Através de uma análise paramétrica é avaliada a variabilidade das respostas de sistemas esbeltos submetidos a ações sísmicas reais, sismos artificiais, assim como ações sísmicas sucessivas. O problema no espaço é resolvido pelo método dos elementos finitos. Para a análise em frequência, é apresentada uma metodologia baseada no método do balanço harmônico e no método de Galerkin, juntamente com técnicas de continuação para a obtenção das curvas de ressonância não lineares. O problema no tempo é abordado através da integração das equações de movimento pelos métodos de Runge-Kutta e Newmark, associado ao método de Newton-Raphson. / [en] The dynamic response of nonlinear structures has been a topic of interest in civil engineering research. Problems in which base-structure interaction is present have a great importance in structural analysis, since most structures rests on flexibel systems (soil or supports with dissipation). In this research area, the study of structures under the action of seismic loads represent a relevant topic, since this kind of excitations may excite several vibration modes and thus influence strongly the dynamic response. In this context, the prediction of the nonlinear structural behavior in frequency domain of structures under base excitation is a useful resource to assess the potential effects of sismic loads on these systems. In this thesis, a methodology for nonlinear dynamic analysis of plane frame structures under base excitation is presented considering geometric nonlinearity and elastic supports represented by elasto-plastic unidimensional springs. Trough a parametric analysis, the variability of the dynamic responses of slender structural systems under the actions of real earthquakes, synthetics earthquakes, as well as the action of multiple earthquakes is assessed. The structural systems here analyzed are discretized in space using a nonlinear finite element formulation. For the response in frequency domain, a scheme based on the Balance Harmonic Method and the Galerkin method, in conjunction with continuation methods, is formulated to obtain the nonlinear resonance curves. The nonlinear dynamic response in the time domain is calculated by direct integration of the equations of motion. For this, the Runge-Kutta method and the Newmark method in association with the iterative Newton-Raphson scheme are employed.

[pt] Este trabalho tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de uma antena HAIA (Holographic Artificial Impedance Antenna) para potenciais aplicações em sistemas de satélites nas bandas X (8 - 12 GHz) e Ku (12 - 18 GHz), bem como na frequência de terahertz. Como prova de conceito, o protótipo é criado para operar na banda K (18 - 27 GHz), especificamente na frequência de 18,4 GHz. O HAIA é um tipo de antena com ondas vazadas, com um princípio operacional único para radiação de feixe controlado. Devido às suas amplas propriedades de radiação, o grau de liberdade do projeto nos permite explorar o comportamento de resposta da antena e diferentes parâmetros para sua modelagem são estudados. O projeto da antena obedece à teoria estabelecida para a radiação de ondas vazadas na conversão de uma onda de superfície para uma onda com vazamento, onde uma AIS (Artificial Impedance Surface) é caracterizada e distribuída em um substrato dielétrico usando o princípio holográfico desenvolvido no sistema óptico. A fim de minimizar as dimensões da antena, uma fonte planar é estudada para gerar uma onda de superfície e comparada com o desempenho da alimentação de onda de superfície convencional neste tipo de estrutura. Os diferentes projetos são avaliados para a conclusão do melhor resultado e comparados com outros trabalhos. O protótipo final é fabricado para testes experimentais, onde os resultados provam que a antena projetada responde às características modeladas, com uma boa concordância entre os resultados simulados e medidos. / [en] This work aims to present the development of a holographic artificial impedance antenna (HAIA) for potential applications in satellite systems in the X (8 - 12 GHz) and Ku (12 - 18 GHz) bands, as well as in the frequency of terahertz. As a proof of concept, the prototype is created to operate in the K (18 - 27 GHz) band, specifically at the design frequency of 18.4 GHz. HAIA is a kind of leaky-wave antenna (LWA) with a unique operating principle for controlled beam radiation. Due to their radiation characteristics are broad, and the degree of design freedom allows us to explore the antenna performance, different parameters are studied for modeling. The antenna design obeys the established theory for the leaky-wave radiation in the conversion of a surface wave into a leaky-wave, where an artificial impedance surface (AIS) is characterized and distributed on a dielectric substrate using the holographic principle developed in the optical system. In order to minimize the dimensions of the HAIA, a planar surface wave launcher is studied and compared with the performance of conventional surface wave feeding used in this type of structure. A series of designs are evaluated for the conclusion of the best result and compared with other works. The final prototype is manufactured for experimental tests, where the results show that the designed antenna responds to the modeled characteristics with a good agreement between the simulated and measured results.

[pt] O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de um algoritmo estatístico de previsão da potência transmitida pela usina geradora termelétrica de Linhares, localizada no Espírito Santo, medida no ponto de entrada da rede da concessionária regional, a ser integrado em plataforma composta por sistema supervisório em tempo real em ambiente MS Windows. Para tal foram comparadas as metodologias de Modelos Arima(p,d,q), regressão usando polinômios ortogonais e técnicas de amortecimento exponencial para identificar a mais adequada para a realização de previsões 5 passos-à-frente. Os dados utilizados são provenientes de observações registradas a cada 5 minutos, contudo, o alvo é produzir estas previsões para observações registradas a cada 5 segundos. Os resíduos estimados do modelo ajustado foram analisados via gráficos de controle para checar a estabilidade do processo. As previsões produzidas serão usadas para subsidiar decisões dos operadores da usina, em tempo real, de forma a evitar a ultrapassagem do limite de 200.000 kW por mais de quinze minutos. / [en] The objective of this study is to develop a statistical algorithm to predict the power transmitted by a thermoelectric power plant in Linhares, located at Espírito Santo state, measured at the entrance of the utility regional grid, which will be integrated to a platform formed by a real time supervisor system developed in MS Windows. To this end we compared Arima (p,d,q), Regression using Orthogonal Polynomials and Exponential Smoothing techniques to identify the best suited approach to make predictions five steps ahead. The data used are observations recorded every 5 minutes, however, the target is to produce these forecasts for observations recorded in every five seconds. The estimated residuals of the fitted model were analysed via control charts to check on the stability of the process. The forecasts produced by this model will be used to help not to exceed the 200.000 kW energy generation upper bound for more than fifteen minutes.

[pt] Este trabalho apresenta a geração de pulsos de microondas linearmente e não-linearmente modulados em frequência (LFM e NLFM) através da técnica fotônica de auto-heterodinagem. Ao utilizar eletrônica de baixa frequência para modular um diodo laser de feedback distribuído, a variação da portadora óptica no tempo (chirp) é observada, o que é causado predominantemente por efeito térmico. Este efeito, combinado com batimento auto-heteródino, foi capaz de produzir pulsos LFM com alto produto largura de banda-tempo (TBWP). Uma outra abordagem é necessária para geração de pulsos NLFM. Primeiro, é introduzida a técnica Espectroscopia Óptica Resolvida no Tempo para caracterização do chirp de um diodo laser. Em seguida, um estímulo de corrente em formato de função degrau é aplicado ao diodo laser para aquisição da função de transferência de seu chirp, H(s). Com a posse de H(s), uma simulação numérica foi usada para descobrir o estímulo necessário de corrente i(t) para obtenção de pulsos de microondas NLFM através da técnica de auto-heterodinagem. Os resultados experimentais coincidem com a simulação. / [en] This work reports the photonic generation of both linear and non-linear frequency modulation (LFM and NLFM) microwave pulses through a self-heterodyne scheme. By using low-frequency electronics to drive a distributed feedback laser diode, optical chirping is generated predominantly by thermal effect. Combining laser chirping and self-heterodyning, LFM pulses with high time-bandwidth product (TBWP) were achieved. A different approach is required for generation of NLFM microwave pulses. First, for characterization of the laser diode chirp, it is introduced a technique named Time- Resolved Optical Spectroscopy. Then, by using a step-shaped current stimulus, the laser chirp transfer function H(s) was obtained. With knowledge on H(s), a numerical simulation produced the suitable current stimulus i(t) needed to generate NLFM microwave pulses through self-heterodyning. Experimental results agreed with the numerical simulations.

[pt] Com a crescente demanda por maior capacidade na transmissão de dados, uma solução tem sido estudada para transmissão de rádio sobre fibra combinando múltiplos canais de dados sobre a portadora óptica na rede de acesso baseada em multiplexação por sub-portadoras. Ademais, essa rede de acesso é comumente ramificada na forma de uma rede óptica passiva. Monitoramento desses enlaces em fibra é, então, cada vez mais importante. A tecnologia atual de reflectometria óptica no domínio do tempo utilizada para monitoramento opera em um comprimento de onda óptico separado e possui ampla largura de banda de detecção, tornando-se relativamente cara. A busca por uma alternativa de monitoramento de alta precisão e baixo custo é de suma importância para a oferta de transmissão com garantia de qualidade de serviço. Neste trabalho, o uso de multiplexação por sub-portadoras é explorado, incorporando uma técnica de monitoramento de varredura de tom de baixa frequência na transmissão de dados. Um modelo matemático para a resposta em frequência do enlace foi derivado e a localização e a intensidade de uma falha são estimadas através da comparação com a amplitude e a fase detectadas da luz retroespalhadaa medida em que é feita uma varredura de frequência do sinal de monitoramento, aplicando-se um algoritmo de minimos quadrados. O modelo proposto considera que a medida do enlace antes da ocorrência de uma falha é conhecida. Uma única falha nova pode então ser detectada com precisão e sua posição e intensidade são estimadas da maneira descrita. / [en] With ever growing demand for higher capacity in data transmission, a solution has been proposed for analog Radio over Fiber transmission, combining several data channels over the optical carrier in the access network using Sub-Carrier Multiplexing (SCM). Furthermore, this access network is often branched in the form of a passive optical network (PON). Monitoring such fiber links is thus increasingly important. Current optical time domain reflectometry (OTDR) technology used for monitoring operates at a separate optical wavelength and has wide bandwidth detection, making it relatively costly. The pursuit of a low cost, high precision monitoring alternative is of paramount importance for cost effective quality of service (QoS) improvement. In this work employment of SCM for data multiplexing is exploited embedding a low frequency tone sweep monitoring technique into data transmission. A mathematical model for the frequency response of the link was derived and the fault location and intensity is estimated through comparison with acquired amplitude and phase of the backscattered light for the varying frequency by applying a simple least mean squared (LMS) algorithm. The modeling suggested requires that measurement of the link prior to the occurrence of a fault is known. A single new fault can then be accurately detected and its position and intensity estimated in the way described.

[pt] A necessidade de transmitir energia e dados através de barreiras metálicas tem sido cada vez maior em aplicações industriais, onde não é possível a penetração de cabos elétricos, ou o uso de ondas eletromagnéticas, tais como, por exemplo, em sistemas de sensoriamento de cimentação em poços de petróleo. Ondas acústicas podem ser uma solução para esse problema, porque não são afetadas pelo efeito gaiola de Faraday, além de possuírem baixa atenuação ao atravessarem metais. Diversos esforços foram feitos para realizar a transmissão de dados através de camadas metálicas, com abordagens que variam em composição do canal acústico, taxa de transmissão, transmissão simultânea de dados e energia e complexidade dos circuitos empregados; existe, porém, carência de trabalhos que envolvam camadas metal-fluído-metal. Este trabalho apresenta uma possível solução utilizando ondas acústicas como meio de transportar energia e dados em um canal composto de barreiras com duas camadas metálicas e uma de fluído. Aqui propõe-se uma inovadora técnica de controle automático de ganho e um melhor aproveitamento da largura de banda do canal acústico, que permite maior taxa de transmissão de dados. É ainda proposta uma técnica para controle dinâmico da portadora enviada ao lado passivo do sistema. Inicialmente, foi feita uma análise de um modelo numérico, baseado em trabalhos anteriores, fundamentado na propagação de ondas acústicas e baseado na analogia acustoelétrica. Em seguida, desenvolveu-se um sistema eletrônico para receber / transmitir energia e dados digitais, modulados em frequência, de um lado ao outro do sistema. Por fim, análises experimentais foram feitas utilizando como canal acústico, um conjunto de duas placas planas de aço (de 5 mm) separadas por uma camada de fluído (de 100 mm) e dois transdutores alinhados axialmente, realizando a transferência de energia e dados digitais modulados em frequência. O sistema foi capaz de realizar a transferência de dados a uma taxa de 19200 bps e simultaneamente uma transferência de energia de 66 mW, com essa energia foi possível alimentar o modulo eletrônico e um sensor de pressão e temperatura. Durante os testes foi constatado um aproveitamento de 5,5 por cento da energia aplicada ao canal, e foi possível atingir uma taxa de erro de bit de 5 por cento em um teste com 2 h e 30 min de duração, utilizando o canal acústico com camadas de múltiplos materiais propostos. O sistema de controle de portadora funcionou adequadamente, permitindo uma redução de consumo de até 53 por cento. O controle automático de ganho permitiu uma redução de 50 por cento na taxa de erro de decodificação. Demonstra-se, então, a viabilidade de tais sistemas de controle propostos, os quais podem ser úteis em casos onde existam variações nas características acústicas do canal em questão que, em conjunto com a transferência não intrusiva, pode prover solução para sistemas de sensoriamento. / [en] The need for energy and data transmission through metallic barriers is increasing in industrial applications, where the penetration of electrical waves or the use of electrical waves is not possible. An example of such a scenario is the monitoring of cementing in wellbore applications. Acoustic waves are promising to solve this problem, since they are not affected by the Faraday cage effect, in addition, they present low attenuation when propagating in metals. Several efforts have been made to carry out data transmission through metallic layers, with approaches that vary in composition of the acoustic channel, transmission speed, simultaneous transmission of data and energy and the complexity of the circuits used, but there is a lack of works involving metal-fluid-metal layers. This work presents a possible solution using acoustic waves as a mean of transporting energy and data in a channel composed of barriers with two metallic layers and one fluid layer. Here, it is proposed a novel technique for automatic gain control and better use of the available bandwidth of the acoustic channel, which allows higher data transmission speed. Also, a technique for dynamic control of the carrier sent to the passive side of the system is proposed. Initially, an analysis with a numerical model was made, following previous works, which is based on the propagation of acoustic waves and relying on the acoustoelectric analogy. Then, an electronic system was developed to receive/transmit power and digital data, frequency modulated, from one side of the system to the other. Finally, experimental analyzes were performed using as an acoustic channel, a set of two flat steel plates (5 mm) separated by a fluid layer (100 mm) and a pairs of axially aligned transducers, performing the energy transfer and frequency modulated digital data. The system was able to transfer data at a rate of 19200 bps and simultaneously a transfer of energy of 66 mW, with this energy it was possible to feed the inside block module and a pressure and temperature sensor. During the tests, it was verified that 5.5 per cent of the energy applied to the channel was used, and it a bit error rate down to of 5 per cent was reached in a test with 2 h and 30 min of duration, using the multi-layered acoustic. The automatic carrier control system worked as expected and allowed one to reduce energy consumption in 53 per cent. The automatic gain control allowed one to reduce the error rate in 50 per cent. These control systems prove the feasibility of the proposed system and further show the usefulness of the system in scenarios that are subject to variations in the acoustic characteristics of the channel.

Flooding is of great concern world-wide, causing damage to infrastructure, property and loss of life. Low-income countries, in particular, can be negatively affected by flood events due to their inherent vulnerabilities. Moreover, data to perform studies for flood risk management in low-income regions are often scarce or lacking sufficient quality. This thesis proposes new methodologies and explores the use of unconventional sources of information in flood hazard assessment in areas where the quantity or sufficient quality of traditional hydrometrical data are lacking.  One method was developed to account for errors in spatially averaged rainfall, from a sparse rain-gauge network, used as input to a rainfall-runoff model. A spatially-averaged and event-dependent rainfall depth multiplier led to improvements of the hydrographs at calibration. And by using a distribution of the multiplier, identified from previous events in the catchment, improvement in predictions could also be obtained. A second method explored the possibility of reproducing an unmeasured extreme flood event using a combination of models, post-event data, precipitation and an uncertainty-analysis framework. This combination allowed the identification of likelihood-associated parameter sets from which the flood hazard map for the extreme event could be obtained. A third and fourth study made at the regional scale explored the value of catchment similarities, and the effects of climate on the hydrological response of catchments. Flood frequency curves were estimated for 36 basins, assumed ungauged, using regional information of short flow records, and local information about the frequency of the storm. In the second regional study, hydro-climatic information provided great value to constrain predictions of series of daily flow from a hydrological model. Previously described methods, used in combination with unconventional information within an uncertainty analysis, proven to be useful for flood hazard assessment at basins with data limitations. The explored data included: post-event measurements of an extreme flood event, hydro-climate regional information and local precipitation data. The methods presented in this thesis are expected to support development of hydrological studies underpinning flood-risk reduction in data-poor areas. / Extremt höga vattenflöden ställer till stora problem i hela världen. De skadar infrastruktur och egendom och orsakar död. Framför allt kan låg- och medelinkomstländer vara väldigt sårbara för extrema flöden. I dessa länder saknas dessutom ofta data som behövs för att kunna bedöma översvämningsrisker, eller så finns bara data av dålig kvalitet. Denna avhandling föreslår nya metoder som använder okonventionella informationskällor vid bedömning av översvämningsrisker i områden där traditionella hydrologiska data saknas eller har otillräcklig kvalitet. En metod utvecklades för att ta hänsyn till fel i rumslig medelnederbörd beräknad från ett glest nät av nederbördsmätare att användas som indata i en nederbörds-avrinningsmodell. Användning av en multiplikator för medelvärdesbildad nederbörd, i tid och rum, för enskilda högflödestillfällen ledde till förbättrad modellkalibrering. Genom att använda multiplikatorfördelningar, identifierade från tidigare högflödestillfällen i avrinningsområdet, kunde också prognoser förbättras. En andra metod använde sig av möjligheten att reproducera ett extremt högflöde inom ramen för en osäkerhetsanalys med hjälp av en kombination av modeller, nederbördsdata och data som uppmätts i efterhand. Denna kombination gjorde det möjligt att identifiera parametervärdesuppsättningar med hophörande sannolikheter ur vilka det gick att erhålla en översvämningskarta för det höga flödet. En tredje och fjärde studie i regional skala utforskade värdet av likheter mellan avrinningsområden och hur områdenas hydrologiska gensvar beror av klimatet. Kurvan för kumulativa högflödesfrekvenser (flood frequency curve, FFC) kunde skattas med hjälp av lokal nederbördsinformation och regional information om korta tidsserier av vattenföring från 36 avrinningsområden som antogs sakna vattenföringsdata. I den andra regionala studien visade sig hydroklimatisk information av värde för att avgränsa godtagbara prognoser för daglig vattenföring från en hydrologisk modell. Tidigare beskrivna metoder, använda tillsammans med okonventionell information inom ramen för en osäkerhetsanalys, visade sig vara användbara för att bedöma översvämningsrisker i avrinningsområden med databegränsningar. Bland utforskade data fanns: mätningar i efterhand av ett extremt högflöde, hydroklimatisk regional information och lokala nederbördsmätningar. Metoderna i denna avhandling förväntas kunna stödja utvecklingen av hydrologiska studier av höga flöden och översvämningar i områden med bristande datatillgång. / Las inundaciones ocasionan daños a la infraestructura, propiedad y pérdida de vidas a nivel mundial. Los países en desarrollo son los más vulnerables a inundaciones, la calidad y cantidad de datos hidro-climatológicos disponibles en los mismos dificulta el desarrollo de estudios para la evaluación de riesgo a esta amenaza. Esta tesis propone métodos en la que se hace uso de fuentes de información no-convencionales para la evaluación de riesgo por inundación en regiones con datos escasos o limitados. Un método considera el error asociado a la precipitación promedio sobre cuencas en modelos lluvia-escorrentía como un factor multiplicador del histograma del evento. El uso de la precipitación promedio junto con una distribución probabilística del factor multiplicador como datos de entrada a un modelo de lluvia-escorrentía mejoraron los hidrogramas durante los periodos de calibración y predicción. Un segundo método exploró la posibilidad de reproducir un evento extremo de inundación usando una combinación de modelos hidrológicos e hidráulico, un análisis de incertidumbre, datos hidrométricos recopilados después del evento y datos de precipitación registrados durante-el-evento. Dicha combinación permitió la identificación de los parámetros de los modelos y la elaboración un mapa de amenaza por inundaciones para dicho evento. Adicionalmente, se estimaron curvas de frecuencia de inundaciones para 36 cuencas, asumidas no aforadas, mediante un método de regionalización que usa registros de caudal de corta duración disponibles en la región. Dichas curvas fueron extendidas haciendo uso de información local sobre la frecuencia de las tormentas. Se encontró que la información hidro-climatológica tiene un gran valor para reducir el rango de incertidumbre de las simulaciones de caudal diaria de un modelo hidrológico. Los métodos anteriores se usaron en combinación con información no-convencional dentro de un análisis de incertidumbre y han probado su utilidad para la evaluación de riesgo por inundaciones en cuencas con registros escasos o limitados. Los datos utilizados en esta tesis incluyen datos hidrométricos recopilados pasado el evento, registros hidro-climatológicos regionales y precipitación local. Se espera que los métodos presentados aquí contribuyan al desarrollo de estudios hidrológicos importantes para la reducción del riesgo por inundaciones en regiones con déficit de registros hidro-climatológicos.