The goal of the Master´s thesis is to map the actual situation of transformation of power energy sector to smart grid, find answers to some of the major questions concerning the implementation of smart metering systems, evaluate societal and economic costs and benefits, evaluate trends in legislation, compare the situation in Slovakia with other peer countries from the European Union, and create a follow-up recommendations for Slovakia based on this assessment. The thesis includes detailed critical analysis of the CBA, originally created for Slovakia, using benchmarking with countries with a different calculation approach. The used methodology in this work is a research of available resources, qualitative research of case studies, break-down of the CBA, and expert research through interviewing. The outcome is evaluation of economic and societal contributions of smart metering systems and mapping the process and state of the implementation.

Nos modernos centros de operação dos Sistemas Elétricos de Potência (SEP), as variáveis de estado estimadas, ao invés das medidas, constituem a base de dados para as ações de controle e operação em tempo real. Desta forma, o processo de estimação de estado é de fundamental importância para operação dos SEP. O sucesso do processo de estimação de estado depende do sistema de medição disponível, isto é, do número, tipo e localização dos medidores e das Unidades Terminais Remotas (UTRs), instalados no SEP. Desenvolveu-se, neste trabalho, uma metodologia para projeto e fortalecimento de sistemas de medição, para efeito de estimação de estado. A metodologia baseia-se em Algoritmos Evolutivos (AEs) e na estrutura da matriz H \'delta\'. Pela análise da estrutura dessa matriz, que é obtida via um processo de fatoração triangular da matriz Jacobiana, a metodologia desenvolvida possibilita a obtenção de sistemas de medição confiáveis (SMC), considerando a possibilidade de o sistema possuir diferentes topologias. Neste trabalho, um sistema de medição é considerado confiável se for observável e não possuir medidas críticas, conjunto crítico de medidas e UTRs críticas. Um AE foi desenvolvido para obtenção do melhor SMC, com custo mínimo de investimento. Essa abordagem utiliza uma função de fitness que mede o custo da instalação de medidores e UTRs para obtenção de um determinado SMC. Uma vantagem relevante da metodologia desenvolvida é a sua estratégia para a obtenção de SMCs. Uma codificação indireta do cromossomo, representando uma ordem preferencial de instalação de medidores, combinada com as propriedades da matriz H \'delta\', garante ao AE a geração somente de soluções viáveis, ou seja, SMCs. Para comprovar a eficiência da metodologia desenvolvida, vários testes foram realizados, utilizando os sistemas de 6, 14, 30 e 118 barras do IEEE, bem como o sistema de 61 barras da Eletropaulo. / In modern operating control centers, the estimated state variables, instead of the measured state variables, constitute the database used to set up power systems real-time control actions. Consequently, the state estimation process is essential for power system real-time operation. The success of the state estimation process depends on the available metering systems, that is, on the topological distribution of the established meters and Remote Terminal Units (RTUs) on the system. A methodology for metering system planning for state estimation purposes was developed in this work. The methodology is based on both Evolutionary Algorithms (EAs) and on the analysis of the called H \'delta\' matrix. By analyzing the structure of this matrix, which is obtained via a triangular factorization of the Jacobian matrix, the developed methodology can determine reliable metering systems (RMS), under many different topology scenarios. In this work a metering system is considered as reliable if it is observable and has no critical measurements, critical sets neither critical RTUs. An EA was developed to find the best RMS with minimal investment cost. The developed EA uses a fitness function that measures the installation cost of meters and RTUs from a given RMS. One relevant advantage of the developed methodology is its strategy to obtain RMS. An indirect chromosome encoding representing a preferential order of meters installation combined with properties of the H \'delta\' matrix guarantees the proposed EA generates only feasible solutions, i.e. RMSs. In order to validate the developed methodology, several tests were executed considering the IEEE 6, 14, 30 and 118 bus systems, as well as the real system with 61 buses from Eletropaulo.

Esta dissertação trata do problema de projeto e fortalecimento de sistemas de medição, para efeito de estimação de estado em sistemas elétricos de potência. São dois os objetivos principais desta dissertação. O primeiro é o desenvolvimento e implementação, em computador, de uma metodologia para projeto e fortalecimento de sistemas de medição confiáveis que fazem uso de medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA e de medidas fasoriais sincronizadas. Haja vista a existência de medidas redundantes que apresentam a característica de não refletirem grande parcela de seus erros nos resíduos do estimador por mínimos quadrados ponderados, definidas em (BENEDITO et al., 2013) como medidas com elevado índice UI, o segundo objetivo desta dissertação é o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para projeto e fortalecimento de sistemas de medição confiáveis que, além de considerar os critérios técnicos de confiabilidade para efeito de estimação de estado, considere também o índice UI das medidas. A metodologia possibilita a obtenção de sistemas de medição confiáveis formados por medidas com índice UI baixo. Para o desenvolvimento das metodologias propostas são utilizados como base algoritmo evolutivo monobjetivo e o método para projeto de sistemas de medição que faz uso da chamada matriz HΔT, que é obtida via um processo de fatoração triangular da matriz jacobiana transposta do estimador de estado por mínimos quadrados ponderados. / This thesis focuses on the problem of metering system planning for state estimation purposes and has two main objectives. The first one is to develop a methodology for metering system planning that allows the project of reliable metering systems considering both conventional and synchronized phasor measurements. Because of the existence of redundant measurements that have the characteristics of not reflecting their errors into the residuals of the weighted least squares estimator, called in (BENEDITO et al., 2013) as measurements with high Undetectability Index (UI), the second objective of this thesis is to develop a methodology, for metering system planning, that allow the project of reliable metering systems formed by measurements with UI lower than a pre-specified value. The background to develop the proposed methodologies are evolutionary algorithms and the method to metering system planning based on the analysis of the HΔt matrix, that is obtained from the triangular factorization of the transpose Jacobian matrix of the weighted least squares estimator.

Nos modernos centros de operação dos Sistemas Elétricos de Potência (SEP), as variáveis de estado estimadas, ao invés das medidas, constituem a base de dados para as ações de controle e operação em tempo real. Desta forma, o processo de estimação de estado é de fundamental importância para operação dos SEP. O sucesso do processo de estimação de estado depende do sistema de medição disponível, isto é, do número, tipo e localização dos medidores e das Unidades Terminais Remotas (UTRs), instalados no SEP. Desenvolveu-se, neste trabalho, uma metodologia para projeto e fortalecimento de sistemas de medição, para efeito de estimação de estado. A metodologia baseia-se em Algoritmos Evolutivos (AEs) e na estrutura da matriz H \'delta\'. Pela análise da estrutura dessa matriz, que é obtida via um processo de fatoração triangular da matriz Jacobiana, a metodologia desenvolvida possibilita a obtenção de sistemas de medição confiáveis (SMC), considerando a possibilidade de o sistema possuir diferentes topologias. Neste trabalho, um sistema de medição é considerado confiável se for observável e não possuir medidas críticas, conjunto crítico de medidas e UTRs críticas. Um AE foi desenvolvido para obtenção do melhor SMC, com custo mínimo de investimento. Essa abordagem utiliza uma função de fitness que mede o custo da instalação de medidores e UTRs para obtenção de um determinado SMC. Uma vantagem relevante da metodologia desenvolvida é a sua estratégia para a obtenção de SMCs. Uma codificação indireta do cromossomo, representando uma ordem preferencial de instalação de medidores, combinada com as propriedades da matriz H \'delta\', garante ao AE a geração somente de soluções viáveis, ou seja, SMCs. Para comprovar a eficiência da metodologia desenvolvida, vários testes foram realizados, utilizando os sistemas de 6, 14, 30 e 118 barras do IEEE, bem como o sistema de 61 barras da Eletropaulo. / In modern operating control centers, the estimated state variables, instead of the measured state variables, constitute the database used to set up power systems real-time control actions. Consequently, the state estimation process is essential for power system real-time operation. The success of the state estimation process depends on the available metering systems, that is, on the topological distribution of the established meters and Remote Terminal Units (RTUs) on the system. A methodology for metering system planning for state estimation purposes was developed in this work. The methodology is based on both Evolutionary Algorithms (EAs) and on the analysis of the called H \'delta\' matrix. By analyzing the structure of this matrix, which is obtained via a triangular factorization of the Jacobian matrix, the developed methodology can determine reliable metering systems (RMS), under many different topology scenarios. In this work a metering system is considered as reliable if it is observable and has no critical measurements, critical sets neither critical RTUs. An EA was developed to find the best RMS with minimal investment cost. The developed EA uses a fitness function that measures the installation cost of meters and RTUs from a given RMS. One relevant advantage of the developed methodology is its strategy to obtain RMS. An indirect chromosome encoding representing a preferential order of meters installation combined with properties of the H \'delta\' matrix guarantees the proposed EA generates only feasible solutions, i.e. RMSs. In order to validate the developed methodology, several tests were executed considering the IEEE 6, 14, 30 and 118 bus systems, as well as the real system with 61 buses from Eletropaulo.

Esta dissertação trata do problema de projeto e fortalecimento de sistemas de medição, para efeito de estimação de estado em sistemas elétricos de potência. São dois os objetivos principais desta dissertação. O primeiro é o desenvolvimento e implementação, em computador, de uma metodologia para projeto e fortalecimento de sistemas de medição confiáveis que fazem uso de medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA e de medidas fasoriais sincronizadas. Haja vista a existência de medidas redundantes que apresentam a característica de não refletirem grande parcela de seus erros nos resíduos do estimador por mínimos quadrados ponderados, definidas em (BENEDITO et al., 2013) como medidas com elevado índice UI, o segundo objetivo desta dissertação é o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para projeto e fortalecimento de sistemas de medição confiáveis que, além de considerar os critérios técnicos de confiabilidade para efeito de estimação de estado, considere também o índice UI das medidas. A metodologia possibilita a obtenção de sistemas de medição confiáveis formados por medidas com índice UI baixo. Para o desenvolvimento das metodologias propostas são utilizados como base algoritmo evolutivo monobjetivo e o método para projeto de sistemas de medição que faz uso da chamada matriz HΔT, que é obtida via um processo de fatoração triangular da matriz jacobiana transposta do estimador de estado por mínimos quadrados ponderados. / This thesis focuses on the problem of metering system planning for state estimation purposes and has two main objectives. The first one is to develop a methodology for metering system planning that allows the project of reliable metering systems considering both conventional and synchronized phasor measurements. Because of the existence of redundant measurements that have the characteristics of not reflecting their errors into the residuals of the weighted least squares estimator, called in (BENEDITO et al., 2013) as measurements with high Undetectability Index (UI), the second objective of this thesis is to develop a methodology, for metering system planning, that allow the project of reliable metering systems formed by measurements with UI lower than a pre-specified value. The background to develop the proposed methodologies are evolutionary algorithms and the method to metering system planning based on the analysis of the HΔt matrix, that is obtained from the triangular factorization of the transpose Jacobian matrix of the weighted least squares estimator.

O problema de projeto de sistemas de medição, para efeito de Estimação de Estado em Sistemas Elétricos de Potência, é um problema de otimização multiobjetivo, combinatório, que exige a investigação de um grande número de possíveis soluções. Dessa forma, metaheurísticas vêm sendo empregadas para sua solução. Entretanto, a maioria delas trata o problema de forma mono-objetivo e as poucas que consideram uma formulação multiobjetivo, não contemplam todos os requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um Sistema de Medição Confiável (SMC) (observabilidade e ausência de Medidas Críticas, Conjuntos Críticos de Medidas, Unidades Terminais Remotas Críticas e Unidades de Medição Fasoriais Críticas). Propõe-se, nesta tese, uma formulação multiobjetivo para o problema de projeto de sistemas de medição de uma forma mais ampla, considerando todas requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um SMC. Propõe-se, ainda, o desenvolvimento e implantação, em computador, de um método para tratamento desse problema, considerando o trade-off entre os requisitos de desempenho e o custo, fazendo uso do conceito de Fronteira de Pareto. O método possibilita, em uma única execução, a obtenção de quatro tipos de sistemas de medição, a partir da análise de soluções não dominadas. O método permite o projeto de sistemas de medição novos e o aprimoramento de sistemas de medição já existentes, considerando a existência apenas de medidas convencionais SCADA, apenas de Medidas Fasoriais Sincronizadas ou a existência dos dois tipos de medidas. O método proposto faz uso de um Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo e do procedimento de obtenção e análise da matriz HΔ. Esse procedimento permite a realização de uma Busca Local, minimizando o custo para atendimento de cada um dos requisitos de desempenho mencionados acima. Simulações são realizadas utilizando dados dos sistemas de 6, 14, 30, 118 e 300 barras do IEEE, bem como do sistema de 61 barras da Eletropaulo, de forma a ilustrar, testar e validar o método proposto. Alguns dos resultados dessas simulações são comparados com resultados obtidos por outros métodos encontrados na literatura. / Metering system planning for power system state estimation is a multi-objective, combinatorial optimization problem that may require the investigation of many possible solutions. As a consequence, meta-heuristics have been employed to solve the problem. However in the majority of them the multi-objective problem is converted in a mono-objective problem and those few considering a multi-objective formulation do not consider all the performance requirements that must be attended in order to obtain a Reliable Metering System (RMS) (system observability and absence of Critical Measurements, Critical Sets, Critical Remote Terminal Units and Critical Phasor Measurement Units). This thesis proposes a multi-objective formulation for the metering system planning problem in a wide way, that is, considering all the performance requirements that must be attended to obtain a RMS. This thesis also proposes the development and implementation, in computer, of a method to solve the metering system planning problem, considering the trade-off between the two conflicting objectives of the problem (minimizing cost while maximizing the performance requirements) making use of the concept of Pareto Frontier. The method allows, in only one execution, the project of four types of metering systems, from the analysis of non-dominated solutions. The method enable the design of new metering systems as well as the improvement of existing ones, considering the existence of only conventional SCADA measurements, or only synchronized phasor measurements or the existence of both types of measurements. The proposed method combines a multi-objective evolutionary algorithm based on subpopulation tables with the properties of the so-called HΔ matrix. The subpopulations tables adequately model several metering system performance requirements enabling a better exploration of the solution space. On the other hand, the properties of the HΔ matrix enable a local search that improves the evolutionary process and minimizes the computational effort. Simulations results with IEEE 6, 14, 30, 118 and 300-bus test systems and with a 61-bus system of Eletropaulo illustrate the efficiency of the proposed method. Some of the results of these simulations will be compared with those published in literature.

O problema de projeto de sistemas de medição, para efeito de Estimação de Estado em Sistemas Elétricos de Potência, é um problema de otimização multiobjetivo, combinatório, que exige a investigação de um grande número de possíveis soluções. Dessa forma, metaheurísticas vêm sendo empregadas para sua solução. Entretanto, a maioria delas trata o problema de forma mono-objetivo e as poucas que consideram uma formulação multiobjetivo, não contemplam todos os requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um Sistema de Medição Confiável (SMC) (observabilidade e ausência de Medidas Críticas, Conjuntos Críticos de Medidas, Unidades Terminais Remotas Críticas e Unidades de Medição Fasoriais Críticas). Propõe-se, nesta tese, uma formulação multiobjetivo para o problema de projeto de sistemas de medição de uma forma mais ampla, considerando todas requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um SMC. Propõe-se, ainda, o desenvolvimento e implantação, em computador, de um método para tratamento desse problema, considerando o trade-off entre os requisitos de desempenho e o custo, fazendo uso do conceito de Fronteira de Pareto. O método possibilita, em uma única execução, a obtenção de quatro tipos de sistemas de medição, a partir da análise de soluções não dominadas. O método permite o projeto de sistemas de medição novos e o aprimoramento de sistemas de medição já existentes, considerando a existência apenas de medidas convencionais SCADA, apenas de Medidas Fasoriais Sincronizadas ou a existência dos dois tipos de medidas. O método proposto faz uso de um Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo e do procedimento de obtenção e análise da matriz HΔ. Esse procedimento permite a realização de uma Busca Local, minimizando o custo para atendimento de cada um dos requisitos de desempenho mencionados acima. Simulações são realizadas utilizando dados dos sistemas de 6, 14, 30, 118 e 300 barras do IEEE, bem como do sistema de 61 barras da Eletropaulo, de forma a ilustrar, testar e validar o método proposto. Alguns dos resultados dessas simulações são comparados com resultados obtidos por outros métodos encontrados na literatura. / Metering system planning for power system state estimation is a multi-objective, combinatorial optimization problem that may require the investigation of many possible solutions. As a consequence, meta-heuristics have been employed to solve the problem. However in the majority of them the multi-objective problem is converted in a mono-objective problem and those few considering a multi-objective formulation do not consider all the performance requirements that must be attended in order to obtain a Reliable Metering System (RMS) (system observability and absence of Critical Measurements, Critical Sets, Critical Remote Terminal Units and Critical Phasor Measurement Units). This thesis proposes a multi-objective formulation for the metering system planning problem in a wide way, that is, considering all the performance requirements that must be attended to obtain a RMS. This thesis also proposes the development and implementation, in computer, of a method to solve the metering system planning problem, considering the trade-off between the two conflicting objectives of the problem (minimizing cost while maximizing the performance requirements) making use of the concept of Pareto Frontier. The method allows, in only one execution, the project of four types of metering systems, from the analysis of non-dominated solutions. The method enable the design of new metering systems as well as the improvement of existing ones, considering the existence of only conventional SCADA measurements, or only synchronized phasor measurements or the existence of both types of measurements. The proposed method combines a multi-objective evolutionary algorithm based on subpopulation tables with the properties of the so-called HΔ matrix. The subpopulations tables adequately model several metering system performance requirements enabling a better exploration of the solution space. On the other hand, the properties of the HΔ matrix enable a local search that improves the evolutionary process and minimizes the computational effort. Simulations results with IEEE 6, 14, 30, 118 and 300-bus test systems and with a 61-bus system of Eletropaulo illustrate the efficiency of the proposed method. Some of the results of these simulations will be compared with those published in literature.