As perdas técnicas e comerciais apresentam valores significativos nas empresas de distribuição de energia elétrica, prejudicando o seu desempenho técnico e financeiro. A aplicação e avaliação das técnicas de redução de perdas estão diretamente relacionadas à correta estimação das mesmas. Este trabalho tem o objetivo de analisar o desempenho dos métodos baseados em fluxo de carga e estimação de estados na estimação de perdas, considerando sistemas de distribuição equilibrados. O método de fluxo de carga utilizado é o Newton-Raphson. Considerando este fluxo de carga, os métodos de comparação com medições e de fatores de correção são descritos e aplicados, ambos revisados da literatura. Utilizando o estimador de estados por mínimos quadrados ponderados, a estimação das perdas é dada com o auxílio da análise de erros grosseiros. Nos métodos utilizados, o primeiro aplica a análise dos resíduos, conforme é apresentado na literatura, no outro método, é proposta a aplicação da análise dos erros compostos. O estudo de caso é realizado em um sistema de distribuição equilibrado, considerando predições de carga e um número restrito de medições. Nos casos propostos, são inseridos diferentes níveis de perdas comerciais, em diferentes barras, e é considerado que as predições de carga e as medições estão sujeitas a erros. Para cada caso proposto, os resultados apresentam os erros dos métodos na estimação das perdas técnicas e comerciais. Adicionalmente, é realizada uma análise da relação dos erros com o nível de inserção de perdas comerciais. O trabalho também apresenta o desempenho dos métodos na localização das perdas comerciais e um estudo do custo computacional das metodologias. Os resultados demonstram que a precisão da predição de carga é determinante na estimação das perdas comerciais. O método baseado em estimador de estados com a aplicação da análise de erros compostos, proposto neste trabalho, apresentou os melhores resultados na estimação e identificação de perdas. A expansão deste método para sistemas de distribuição maiores e desequilibrados aparenta ser uma alternativa interessante para a estimação e combate de perdas. / The technical and commercial energy losses are significant in distribution companies, hampering the technical and financial performance. The application and evaluation of techniques to reduce losses are directly related to the proper loss estimation. This work aims to analyze the performance of loss estimation using methods based on load flow and state estimation, considering balanced distribution systems. The method of load flow used is the Newton-Raphson. Considering this load flow, the methods of comparison with measurements and correction factors are described, both of them from the literature. Using the weighted least squares state estimator, the losses are estimated using the gross error analysis. One of the methods uses the residue analysis, as presented in the literature, in another method, is proposed to use the composed error analysis. The case study is performed in a balanced distribution system, considering load forecastings and a limited number of measurements. In the proposed cases, different levels of commercial losses are inserted in different buses, and it is considered that load forecatings and measurements are subject to error. For each proposed case, the results show the methods errors in technical and commercial loss estimation. Additionally, an analysis of the relationship of estimation errors with the level of commercial losses is performed. This work also shows the methods performance in the commercial losses location and a study of the computational costs of methods. The results show that the load forecast accuracy is relevant in the commercial losses estimation. The method based on state estimation that uses composed error analysis, proposed in this dissertation, showed the best results in the loss estimation and identification. The expansion of this method for larger and unbalanced distribution systems appears to be an interesting alternative to estimate and combat losses.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-08-11Bitstream added on 2014-06-13T19:48:59Z : No. of bitstreams: 1 boninineto_a_me_ilha.pdf: 1310766 bytes, checksum: fd9c05ab2652a79322cbf7cc8bdc6384 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta um novo esquema de parametrização geométrico para o fluxo de carga continuado que possibilita o traçado completo das curvas P-V, e o cálculo do ponto de máximo carregamento de sistemas de potência, sem os problemas de mau-condicionamento. O objetivo é o de apresentar de uma forma clara e didática, os passos envolvidos no desenvolvimento de uma técnica de parametrização geométrica a partir da observação das trajetórias de solução do fluxo de carga. A técnica associa robustez com facilidade de compreensão. A singularidade da matriz Jacobiana é eliminada pela adição da equação de uma reta que passa por um ponto no plano formado nas variáveis magnitude da tensão nodal e o fator de carregamento, dois parâmetros físicos de fácil compreensão. O uso desta técnica amplia o grupo das variáveis de tensão que podem ser usadas como parâmetro de continuação. Os resultados obtidos com a nova metodologia para os sistemas testes do IEEE (14, 30, 57, 118 e 300 barras), mostram que as características do método convencional são melhoradas e a região de convergência ao redor da singularidade é ampliada. Vários testes são apresentados com intuito de prover um completo entendimento do método proposto e possibilitar comparação e a avaliação do desempenho do esquema de parametrização proposto. / This work presents a new geometrical parameterization scheme to the continuation power flow that allows the complete tracing of P-V curves and the computation of the maximum loading point of a power system, without ill-conditioning problems. The objective is to present in a clear and didactic way, the steps involved in the development of a geometrical parameterization technique from the observation of the behavior of power flow solutions path. The technique associates robustness with simplicity and easy interpretation. The Jacobian matrix singularity is overcome by the addition of a line equation which passes through a point in the plane determined by variables bus voltage magnitude and the loading factor, two physical parameter of easy understanding. The use of this technique enlarges the group of voltage variables that can be used as continuation parameter. The results obtained with the new methodology for the IEEE systems (14, 30, 57, 118 and 300 buses), show that the characteristics of the conventional method are improved and the region of convergence around the singular solution is enlarged. Many tests are also presented in intention to provide the complete understanding of the proposed method and to allow the comparison and assessment of the performance of the proposed parameterization scheme.

As perdas elétricas, que no Brasil giram em torno de 14,4%, são prejudiciais ao desempenho técnico e financeiro das concessionárias de energia elétrica, principalmente em um cenário de uma eminente crise energética e alta regulação. A mitigação das perdas elétricas está diretamente relacionada com sua correta estimação. Para operar um sistema de energia elétrica, é de fundamental importância definir a correta modelagem dos elementos do sistema. As metodologias de estimação das perdas de energia, para sistemas de distribuição, vigentes não levam em conta possíveis erros na correta modelagem das cargas conectadas. Desta forma, este trabalho tem o objetivo de analisar a influência causada pela utilização dos modelos de carga, na estimação das perdas elétricas em sistemas de distribuição. Esta análise abrange as metodologias de fluxo de carga backward-forward sweep por soma de corrente, por soma de potência e Newton-Raphson. A perda de energia é calculada pela diferença entre a energia injetada no sistema, menos a energia entregue. O estudo de caso é realizado em um sistema de distribuição teste de 13 barras da IEEE. No caso proposto, são realizados cálculos das perdas de energia para o sistema de distribuição, considerando diferentes modelos de carga. Desta maneira, o trabalho estimou a diferença no cálculo das perdas para cada tipo de modelo de carga, em relação a perdas calculadas com o padrão original das cargas. Outro ponto analisado foi o desempenho das metodologias de fluxo de carga, frente à alteração dos modelos de carga. Os resultados demonstram que a alteração dos modelos de carga influência a estimação das perdas elétricas nos sistemas de distribuição, e o desempenho dos fluxos de carga. / Electrical losses, which in Brazil are around 14.4%, are harmful to the technical and financial performance of electric utilities, especially in a scenario of an imminent energy crisis and high regulation. Mitigation of electrical losses is directly related to its correct estimation. To operate an electric power system, it is of fundamental importance to define the correct model of the system elements. The methodologies for estimating energy losses, for the existing distribution systems, do not take into account possible errors in the correct model of connected loads. Thus, this study aims to examine the influence caused by the use of different load models, in the estimation of electrical losses in distribution systems. This analysis covers the backward-forward sweep load flow methodologies by the sum of current, by the sum of power and Newton-Raphson. The energy loss is calculated by the difference between the energy injected into the system, minus the energy delivered. The case study is performed on the IEEE 13 Node Test Feeder. In the proposed case, calculations of energy losses in the distribution system are performed considering different load models. Therefore, the study has estimated the difference in the calculation of energy loss for each type of load model, for the losses calculated with the original pattern of loads. Another point discussed is the performance of load flow methodologies, related to the change of load models. The results have shown that the change in load models influence the estimation of electrical losses in distribution systems and in the performance of load flows.

abstract: The combined heat and power (CHP)-based distributed generation (DG) or dis-tributed energy resources (DERs) are mature options available in the present energy mar-ket, considered to be an effective solution to promote energy efficiency. In the urban en-vironment, the electricity, water and natural gas distribution networks are becoming in-creasingly interconnected with the growing penetration of the CHP-based DG. Subse-quently, this emerging interdependence leads to new topics meriting serious consideration: how much of the CHP-based DG can be accommodated and where to locate these DERs, and given preexisting constraints, how to quantify the mutual impacts on operation performances between these urban energy distribution networks and the CHP-based DG. The early research work was conducted to investigate the feasibility and design methods for one residential microgrid system based on existing electricity, water and gas infrastructures of a residential community, mainly focusing on the economic planning. However, this proposed design method cannot determine the optimal DG sizing and sit-ing for a larger test bed with the given information of energy infrastructures. In this con-text, a more systematic as well as generalized approach should be developed to solve these problems. In the later study, the model architecture that integrates urban electricity, water and gas distribution networks, and the CHP-based DG system was developed. The pro-posed approach addressed the challenge of identifying the optimal sizing and siting of the CHP-based DG on these urban energy networks and the mutual impacts on operation per-formances were also quantified. For this study, the overall objective is to maximize the electrical output and recovered thermal output of the CHP-based DG units. The electrici-ty, gas, and water system models were developed individually and coupled by the devel-oped CHP-based DG system model. The resultant integrated system model is used to constrain the DG's electrical output and recovered thermal output, which are affected by multiple factors and thus analyzed in different case studies. The results indicate that the designed typical gas system is capable of supplying sufficient natural gas for the DG normal operation, while the present water system cannot support the complete recovery of the exhaust heat from the DG units. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2013

As perdas elétricas, que no Brasil giram em torno de 14,4%, são prejudiciais ao desempenho técnico e financeiro das concessionárias de energia elétrica, principalmente em um cenário de uma eminente crise energética e alta regulação. A mitigação das perdas elétricas está diretamente relacionada com sua correta estimação. Para operar um sistema de energia elétrica, é de fundamental importância definir a correta modelagem dos elementos do sistema. As metodologias de estimação das perdas de energia, para sistemas de distribuição, vigentes não levam em conta possíveis erros na correta modelagem das cargas conectadas. Desta forma, este trabalho tem o objetivo de analisar a influência causada pela utilização dos modelos de carga, na estimação das perdas elétricas em sistemas de distribuição. Esta análise abrange as metodologias de fluxo de carga backward-forward sweep por soma de corrente, por soma de potência e Newton-Raphson. A perda de energia é calculada pela diferença entre a energia injetada no sistema, menos a energia entregue. O estudo de caso é realizado em um sistema de distribuição teste de 13 barras da IEEE. No caso proposto, são realizados cálculos das perdas de energia para o sistema de distribuição, considerando diferentes modelos de carga. Desta maneira, o trabalho estimou a diferença no cálculo das perdas para cada tipo de modelo de carga, em relação a perdas calculadas com o padrão original das cargas. Outro ponto analisado foi o desempenho das metodologias de fluxo de carga, frente à alteração dos modelos de carga. Os resultados demonstram que a alteração dos modelos de carga influência a estimação das perdas elétricas nos sistemas de distribuição, e o desempenho dos fluxos de carga. / Electrical losses, which in Brazil are around 14.4%, are harmful to the technical and financial performance of electric utilities, especially in a scenario of an imminent energy crisis and high regulation. Mitigation of electrical losses is directly related to its correct estimation. To operate an electric power system, it is of fundamental importance to define the correct model of the system elements. The methodologies for estimating energy losses, for the existing distribution systems, do not take into account possible errors in the correct model of connected loads. Thus, this study aims to examine the influence caused by the use of different load models, in the estimation of electrical losses in distribution systems. This analysis covers the backward-forward sweep load flow methodologies by the sum of current, by the sum of power and Newton-Raphson. The energy loss is calculated by the difference between the energy injected into the system, minus the energy delivered. The case study is performed on the IEEE 13 Node Test Feeder. In the proposed case, calculations of energy losses in the distribution system are performed considering different load models. Therefore, the study has estimated the difference in the calculation of energy loss for each type of load model, for the losses calculated with the original pattern of loads. Another point discussed is the performance of load flow methodologies, related to the change of load models. The results have shown that the change in load models influence the estimation of electrical losses in distribution systems and in the performance of load flows.

As perdas técnicas e comerciais apresentam valores significativos nas empresas de distribuição de energia elétrica, prejudicando o seu desempenho técnico e financeiro. A aplicação e avaliação das técnicas de redução de perdas estão diretamente relacionadas à correta estimação das mesmas. Este trabalho tem o objetivo de analisar o desempenho dos métodos baseados em fluxo de carga e estimação de estados na estimação de perdas, considerando sistemas de distribuição equilibrados. O método de fluxo de carga utilizado é o Newton-Raphson. Considerando este fluxo de carga, os métodos de comparação com medições e de fatores de correção são descritos e aplicados, ambos revisados da literatura. Utilizando o estimador de estados por mínimos quadrados ponderados, a estimação das perdas é dada com o auxílio da análise de erros grosseiros. Nos métodos utilizados, o primeiro aplica a análise dos resíduos, conforme é apresentado na literatura, no outro método, é proposta a aplicação da análise dos erros compostos. O estudo de caso é realizado em um sistema de distribuição equilibrado, considerando predições de carga e um número restrito de medições. Nos casos propostos, são inseridos diferentes níveis de perdas comerciais, em diferentes barras, e é considerado que as predições de carga e as medições estão sujeitas a erros. Para cada caso proposto, os resultados apresentam os erros dos métodos na estimação das perdas técnicas e comerciais. Adicionalmente, é realizada uma análise da relação dos erros com o nível de inserção de perdas comerciais. O trabalho também apresenta o desempenho dos métodos na localização das perdas comerciais e um estudo do custo computacional das metodologias. Os resultados demonstram que a precisão da predição de carga é determinante na estimação das perdas comerciais. O método baseado em estimador de estados com a aplicação da análise de erros compostos, proposto neste trabalho, apresentou os melhores resultados na estimação e identificação de perdas. A expansão deste método para sistemas de distribuição maiores e desequilibrados aparenta ser uma alternativa interessante para a estimação e combate de perdas. / The technical and commercial energy losses are significant in distribution companies, hampering the technical and financial performance. The application and evaluation of techniques to reduce losses are directly related to the proper loss estimation. This work aims to analyze the performance of loss estimation using methods based on load flow and state estimation, considering balanced distribution systems. The method of load flow used is the Newton-Raphson. Considering this load flow, the methods of comparison with measurements and correction factors are described, both of them from the literature. Using the weighted least squares state estimator, the losses are estimated using the gross error analysis. One of the methods uses the residue analysis, as presented in the literature, in another method, is proposed to use the composed error analysis. The case study is performed in a balanced distribution system, considering load forecastings and a limited number of measurements. In the proposed cases, different levels of commercial losses are inserted in different buses, and it is considered that load forecatings and measurements are subject to error. For each proposed case, the results show the methods errors in technical and commercial loss estimation. Additionally, an analysis of the relationship of estimation errors with the level of commercial losses is performed. This work also shows the methods performance in the commercial losses location and a study of the computational costs of methods. The results show that the load forecast accuracy is relevant in the commercial losses estimation. The method based on state estimation that uses composed error analysis, proposed in this dissertation, showed the best results in the loss estimation and identification. The expansion of this method for larger and unbalanced distribution systems appears to be an interesting alternative to estimate and combat losses.

[pt] Dia a dia, técnicas mais avançadas são citadas e utilizadas na análise de sistemas de potência. Os métodos de resolução de fluxo de potência têm merecido especial atenção na medida em que são utilizados em diversos estudos. Programas digitais têm sido elaborados especialmente para cada determinada aplicação prática, onde são definidas as necessidades de rapidez de convergência, de requisitos de memória e de confiabilidade da solução, fatores que quase sempre são interdependentes. A introdução de algoritmos de ajuste convencionais e automáticos da solução de um fluxo de potência em um método moderno chamado Rápido desacoplado é o objeto de estudo do presente trabalho. São analisados os seguintes controles: Tensão na barra primária de um transformador com variação de taps sob condições de carga; fluxo de potência ativa entre áreas do sistema; geração de reativos em barras de tensão controlada; tensão em barras de carga; tensão em barras de carga remotas (sem geração de reativos). Para o bom entendimento da necessidade de se escolher o algoritmo adequado, para cada tipo de aplicação prática, são apresentados conceitos de condicionamento, ordenação e fatorização triangular da matriz representativa do sistema de potência em análise. / [en] Today we can see more and more advanced tecniques being used in the power system analysis. Researchers have been giving more attention to the power flow solution methods because they are used in various studies. Specific digital programes have been elaborated for each pratical application, when the necessities of the convergence rate, memory requests and the confiability of the solutions are defined. In the majority of cases, these factors are interdependent. The topic of this paper is the introduction of conventional and authomatic algorithms for adjusted solutions of pawer flow in a modern methos namad Fast Decoupled. The following controls are analysed: Load-Tap-Changing-Tranformer; Phase-Shifter; Area Interchange Control; Reactive Constraints; Voltage Constraints in PQ-Bus and remote-Bus. Concepts of consition, ordenation and trangular factorization of the power system representative matrix are showed in order to emphasize the necessity of selection of the most convenient algorthm for each practical application.

[pt] Este trabalho desenvolve um solucionador iterativo baseado no método Resíduo Mínimo Generalizado (GMRES) para solucionar o subproblema linear do problema de fluxo de carga, com destaque para cenários de difícil convergência. O solucionador agrega uma estratégia de reordenamento para minimização do número total de novos elementos não-nulos e um pré-condicionador baseado no algoritmo de Doolittle, com regra de preenchimento de elementos não-nulos baseada no erro resultante. O solucionador foi implementado em um programa computacional de fluxo de carga, a fim de se verificar sua robustez e eficiência em diversos sistemas-teste e diferentes condições de operação. Também é proposto um método para o ajuste dos parâmetros dos solucionadores iterativos, que permite identificar intervalos de valores permissíveis para cada um dos parâmetros, identificando os mais adequados, visando garantir a robustez e melhorar o desempenho do solucionador. / [en] This work develops an iterative solver based on Generalized Minimal Residual method (GMRES) to solve the load flow linear subproblem, especially in scenarios of difficult convergence. The solver combines a reordering strategy to minimise the total number of fill-in terms and a preconditioning strategy based on the Doolittle algorithm with a fill-in dropping strategy based on the resulting error. The solver was implemented into a computational load flow program in order to verify its robustness and efficiency in several test-systems and different operating conditions. It is also proposed a method for adjusting the iterative solver parameters, the method is able to identify intervals of permissible values for each parameter, identifying the most appropriate in order to ensure the robustness and improve the solver performance.

In this research, the problem of real-time congestion management in a modern distribution system with massive active elements such as electric vehicles (EVs), distributed energy resources (DERs), and demand response (DR) is investigated. A novel hierarchical operation and management framework is proposed that can take advantage of the demand side contribution to manage the real-time congestion. There are five main steps in this framework as 1) the aggregators send their demand to the microgrid operators (MGOs), 2) the MGOs send their demand to the distribution system operator (DSO), 3) the DSO detects the congestions and calls the engaged MGOs to reduce their demand, 4) the MGOs update the electricity price to motivate the aggregators to reduce the overall demand, and 5) the DSO dispatches the system according to the finalized demand. The proposed framework is validated on two modified IEEE unbalanced test systems. The results illustrate two congestion cases at t=8:45 am and t=9:30 am in the modified IEEE 13-bus test system, which needs 363kW and 286 kW load reductions, respectively, to be fully addressed. MG#1 and MG#2 are engaged to maintain the 363 kW reduction at t=8:45, and MG#3 and MG#4 are called to reduce their demands by 386 kW at t=9:30 am. The overall interactions can relieve the congested branches. The DSO’s calculations show three congestions at t=1 pm, t=3 pm, and t=9 pm on the IEEE 123-bus test system. These congestion cases can be alleviated by reducing 809 kW, 1177 kW, and 497 kW from the corresponding MGs at t=1 pm, t=3 pm, and t=9 pm, respectively. The second part of the simulation results demonstrates that the proposed real-time data estimator (RDE) can reduce the DSO’s miss-detected congestion cases due to the uncertain data. There are two miss-detected congestions in the IEEE 13-bus test system at t=1:15 pm and t=1:30 pm that can be filtered for t=1:15 pm and minored for t=1:30 pm using the RDE. The proposed RDE can also reduce the miss-detected congestions from 18 cases to four cases in the IEEE 123-bus test system. As a result, the RDE can minimize the extra costs due to the uncertain data. The overall results validate that the proposed framework can adaptively manage real-time congestions in distribution systems.

Distribution load flow and state estimation are two important functions in distribution energy management systems (DEMS) and advanced distribution automation (ADA) systems. Distribution load flow analysis is a tool which helps to analyze the status of a power distribution system under steady-state operating conditions. In this research, an effective and comprehensive load flow algorithm is developed to extensively incorporate the distribution system components. Distribution system state estimation is a mathematical procedure which aims to estimate the operating states of a power distribution system by utilizing the information collected from available measurement devices in real-time. An efficient and computationally effective state estimation algorithm adapting the weighted-least-squares (WLS) method has been developed in this research. Both the developed algorithms are tested on different I testeeders and the results obtained are justified.