This work presents a centralized control scheme applied to a power system. The scheme has adaptive characteristics which allow the controller to keep track of the changing power system operating point and to control nonlinear functions of state variables. Feedback to the controller is obtained from phasor measurements at chosen power system buses, generator field voltage measurements, and state estimators. Control effort is aimed at minimizing the oscillations and influencing the power system state trajectory through the control of linear and nonlinear functions of state variables during a power system disturbance. The main contributions of this dissertation are the simultaneous introduction and utilization of measurement based terms in the state and output equations in the derivation and implementation of the control law, the study of limits on controller performance as the state residual vector becomes very large, and the simulation of the performance of local state estimators to prove the need for faster phasor measurement systems. The test system is a hypothetical 39-Bus AC power system consisting of typical components which have been sufficiently modelled for the simulation of power system performance in a dynamic stability study. / Ph. D.

<p><p>In the operation, planning and design of the transmission system it is of greatest concern to quantify the reliability security margin to unwanted conditions. The deterministic N-1 criterion has traditionally provided this security margin to reduce the consequences of severe conditions such as widespread blackouts. However, a deterministic criterion does not include the likelihood of different outage events. Moreover, experience from blackouts shows, e.g. in Sweden-Denmark September 2003, that the outages were not captured by the N-1 criterion. The question addressed in this thesis is how this system security margin can be quantified with probabilistic methods. A quantitative measure provides one valuable input to the decision-making process of selecting e.g. system expansions alternatives and maintenance actions in the planning and design phases. It is also beneficial for the operators in the control room to assess the associated security margin of existing and future network conditions.</p><p>This thesis presents a method that assesses each component's risk to an insufficient transfer capability in the transmission system. This shows on each component's importance to the system security margin. It provides a systematic analysis and ranking of outage events' risk of overloading critical transfer sections (CTS) in the system. The severity of each critical event is quantified in a risk index based on the likelihood of the event and the consequence of the section's transmission capacity. This enables a comparison of the risk of a frequent outage event with small CTS consequences, with a rare event with large consequences.</p><p>The developed approach has been applied for the generally known Roy Billinton Test System (RBTS). The result shows that the ranking of the components is highly dependent on the substation modelling and the studied system load level.</p><p>With the restriction of only evaluating the risks to the transfer capability in a few CTSs, the method provides a quantitative ranking of the potential risks to the system security margin at different load levels. Consequently, the developed reliability based approach provides information which could improve the deterministic criterion for transmission system planning.</p></p>

Este trabalho analisou os leilões de comercialização de energia elétrica no ambiente de contratação regulada no Brasil, realizados entre 2005 e 2011, com o objetivo de propor aperfeiçoamentos em sua metodologia. Para tanto, foram estudadas três linhas de pesquisa: teoria de leilões, internalização (adicionais) de custos não privados (externalidades) e organização de mercados de capacidade. Após a análise dos 21 leilões de novos empreendimentos realizados no período, conclui-se que o desenho do leilão com fase discriminatória final é adequado aos objetivos de modicidade tarifária, mas que também permite melhoras. As fraquezas da sistemática atual identificadas foram: metodologia de contratação termelétrica por disponibilidade, com viés das fontes de maior custo variável unitário, adoção de preço-teto nem sempre adequado, dificuldade em mitigar o exercício de poder de mercado da Eletrobras nos leilões de energia existente e licitação pelo custo econômico privado. De forma a aprimorar os leilões, as seguintes ações foram sugeridas: realização de uma etapa adicional e prévia ao desenho de leilão híbrido atual visando contornar a problemática de estabelecimento de preço-teto adequado; utilização de adicionais ao lance do leilão para internalizar os custos de transmissão não recolhidos pelo gerador; substituição do mecanismo de contratação termelétrica pelo modelo Colombiano de opções; condução de leilões de energia nova e existente em conjunto, e segmentação de produtos no leilão pela ótica da demanda com possibilidade de lances em pacotes. Com a adoção destas propostas entende-se que o valor negociado nos leilões de comercialização de energia elétrica refletirão melhor o custo social dos projetos, aumentando a eficiência dos certames. / This study analyzes the regulated electricity procurement auctions conducted between 2005 and 2011 in Brazil, in order to propose improvements in its methodology. Thus, it was reviewed three research areas: auctions design, internalization of externalities, and capacity markets. After analyzing the 21 new energy auctions that period, it is concluded the auction design with a second discriminatory bid is appropriate to the aims at achieving as low as possible prices, however there is room for improvement. Identified weaknesses are: (1) thermal availability capacity hiring method biased in favor of energy sources with higher variable costs; (2) inadequate price cap, unable to mitigate Eletrobras market power in existing power auctions, (3) and bidding by private economic cost. So, it is suggested the following actions to improve the efficiency of energy auctions: (a) carrying out an additional step prior to the current hybrid auction design in order to solve the problem of establishing appropriate ceiling price; (b) use of additional to internalize transmission costs not paid by generator; (c) replacement of the bid mechanism used for thermal power plants to Colombian options model; (d) driving new and existing energy auctions together, and (e) segment auctions products by the demand side with the possibility of bidding in packages. In adopting these proposals it is expected the value traded in the electricity procurement auction conducted in Brazil will better reflect the social cost of projects and so improving its efficiency.

Neste trabalho foi desenvolvido um método de localização de faltas em linhas de transmissão constituídas de circuito simples e continuamente transpostas com derivações. Este método utiliza fasores de tensão e corrente pré-falta e pós-falta medidos apenas nos terminais local e remoto, para determinar as informações da falta, as quais são: local, distância, resistência e tipo. O método de localização de faltas proposto neste trabalho é composto pelo processo de obtenção dos fasores, pelo algoritmo de determinação do tipo de falta, pelos algoritmos de estimativa de cargas e de localização de faltas, onde o algoritmo de localização de faltas foi proposto neste trabalho. A principal característica deste novo método é a de não haver necessidade de reduzir a linha para uma linha equivalente de dois terminais para aplicação do método de localização de faltas usando dados de um ou dois terminais para determinar o possível ou os possíveis locais de ocorrência da falta, uma vez que o algoritmo de localização de faltas proposto neste trabalho possui uma função objetivo que determina de forma direta o trecho de ocorrência da falta. Com o objetivo de avaliar a eficiência do método de localização de faltas proposto, este foi submetido a simulações de variação de distância de falta, de resistência de falta, de tipo de falta e simulações de erros nos fasores e nos parâmetros da linha de transmissão. / In this work was developed a fault location method on single circuit continuously transposed transmission lines with derivations. This method uses pre-fault and post-fault voltage and current phasors, measured at local and remote terminals only, to determine the information about the fault, which are: location, distance, resistance and type. The fault location method proposed in this work is composed by the phasor obtaining process, the fault type determination algorithm, the load estimation algorithm and the fault location algorithm, where the fault location algorithm has been proposed in this work. The main characteristic of this new method is no need to reduce the line to two terminals equivalent line to application of the one or two terminal fault location method which determine the possible fault location occurrence, since the fault location algorithm proposed in this work has an objective function that determines by direct way the exact path of fault occurrence. In order to evaluate the efficiency of the proposed fault location method, it was subjected to fault distance, fault resistance and fault type variation simulations and phasors and transmission lines parameters errors simulations.

O objetivo do desenvolvimento deste trabalho é tecer uma análise da viabilidade técnica - econômica da modernização do sistema de Proteção da Distribuição, comparando a utilização dos relés digitais aos quais foram incorporadas novas funções, em relação aos relés eletromecânicos e estáticos. As informações apresentadas nesse trabalho mostram que os relés digitais oferecem uma significante economia quanto ao custo de aquisição e implantação, no desenvolvimento dos projetos de aplicação e na manutenção destes equipamentos após instalados em campo. Os relés eletromecânicos tem sido largamente utilizados nos esquemas de proteção de consumidores industriais e residencias de grande porte e nos sistemas de proteção das companhias de eletricidade. Devido a quantidade de peças móveis e freqüentes re-ajustes que estes tipos de equipamentos necessitam, os mesmos demandam muitas horas dispendidas pelo pessoal de calibração e manutenção das empresas de eletricidade. A realização de Estudos de Proteção, com a parametrização destes relés muitas vezes torna-se inviável, sob o ponto de vista de sensibilidade e da coordenação das proteções, devido ao fato de que estes equipamentos possuem ajustes limitados tanto de valores de corrente de partida como na seleção de curvas tempo x corrente utilizadas para temporização das proteções, no caso de relés eletromecânicos de sobrecorrente. Durante os últimos anos, com o advento da evolução da indústria, da micro eletrônica e do desenvolvimento de softwares, os relés digitais veêm substituíndo os relés eletromecânicos e estáticos, tanto em instalações novas como também nas remodelações das instalações mais antigas, nos sistemas elétricos de proteção industrial e de empresas de eletricidade. Realizou-se uma análise quanto ao histórico dos relés de proteção, mostrando o seu desenvolvimento desde os relés mais antigos, tipos eletromecânicos, após os relés estáticos, que foram a evolução dos anteriores e finalmente estudando os relés digitais. Os relés digitais oferecem muitas vantagens se comparados com os relés eletromecânicos e estáticos, as quais serão abordandos em items específicos da revisão de literatura neste trabalho. O trabalho é finalizado com uma análise de casos, onde foram computados e analisados casos, como índices de fornecimento, custos de instalação de relés digitais em substituição à relés e sistemas eletromecânicos e estáticos, utilizados convencionalmente para a proteção em alimentadores de Subestações da Copel - Companhia Paranaense de Energia, com o objetivo de coletar-se e analisar-se, ao longo de 12 meses as reais vantagens e desvantagens da utilização destes equipamentos nos sistemas elétricos de proteção dos circuitos de distribuição de energia. / The purpose of this study is to carry out a technical and economic feasibility assessment of the updating of the Distribution Protection system, comparing the use of digital relays, to which new functions have been integrated, with electromechanical and static relays. Information hereby presented shows that digital relays are significantly cost-effective in terms of acquisition and implementation for developing application projects and in maintaining that equipment after it has been set up in the field. Electromechanical relays have been largely used in protection schemes for large-scale industrial and residential consumers, as well as in security schemes for power plant companies. Because of the large number of moving parts and frequent readjustments required by that type of equipment, many manhours must be put in by calibration and maintenance staff employed by power plant companies. Carrying out a Protection Study that establishes parameters for those relays is often unfeasible given the sensitivity and coordination of the protections, in that the equipment in question has limited adjustments, both in terms of pick-up currents values and of the selection of time curve vs. current used in the protection timer, in the case of overcurrent electromechanical relays. During the last years, with the rise of industrial evolution, microelectronics and software development, digital relays are replacing electromechanical and static relays in electrical security systems used by industrial and power plant company protection, both in new facilities and in refurbished facilities. A study was carried out on the history of protection relays showing how they developed from the older, electromechanical type after the static relays, which evolved form the former, and was concluded with the study of digital relay models. Digital relays provide significant advantages compared to electromechanical and static relays, which will be covered under specific revision items of the references provided herein. The study is concluded by assessing case studies that were accounted for and assessed, such as supply rates, installation costs of digital relays to replace electromechanical and static systems used traditionally to provide protection for COPEL´s (Power Company of the State of Paraná) Substations. The purpose was to collect and analyze, over a 12-month period, the actual advantages and disadvantages of using that type of equipment in electrical systems that provide circuit protection for power distribution.

The increasing volume of renewable and intermittent generation that is being connected to power systems means that system operators need more advanced dynamic control tools to manage the increase in congestion and the resulting pressure on system constraints. The introduction of synchronised measurement technology provides the wide area real-time measurements that are essential to develop and implement adaptive online solutions for current network issues. The objective of the research presented in this thesis is to design intelligent system integrity protection schemes (SIPS) that protect transmission lines and power transformers from thermal overloading. An intelligent protection scheme should be able to identify the fault severity, predict the post disturbance trend of system states, continue monitoring specific vulnerable system variables and propose an accurate solution that is tailored to the actual system conditions and the specific contingencies that have occurred. The intent of this research is to contribute to the development of adaptive protective schemes that are enabled by modern synchronized measurement technologies for future power systems. The research presented in this thesis focuses on the creation of novel Operational Tripping Schemes (OTSs) that explicitly satisfy both the functionality and economical requirements by integrating an improved assessment of thermal behaviour of the monitored assets. Novel OTSs are proposed for both transmission lines and transformers and they can be considered to be intelligent, adaptive and efficient SIPS for the thermal protection of system assets. A novel functional block is proposed that be included within the OTS and that uses optimization theory to determine the lowest cost solution to overheating in the time available. Furthermore, case studies have been conducted to verify the performance of each novel OTS using simulations of a full GB system model.

O objetivo do desenvolvimento deste trabalho é tecer uma análise da viabilidade técnica - econômica da modernização do sistema de Proteção da Distribuição, comparando a utilização dos relés digitais aos quais foram incorporadas novas funções, em relação aos relés eletromecânicos e estáticos. As informações apresentadas nesse trabalho mostram que os relés digitais oferecem uma significante economia quanto ao custo de aquisição e implantação, no desenvolvimento dos projetos de aplicação e na manutenção destes equipamentos após instalados em campo. Os relés eletromecânicos tem sido largamente utilizados nos esquemas de proteção de consumidores industriais e residencias de grande porte e nos sistemas de proteção das companhias de eletricidade. Devido a quantidade de peças móveis e freqüentes re-ajustes que estes tipos de equipamentos necessitam, os mesmos demandam muitas horas dispendidas pelo pessoal de calibração e manutenção das empresas de eletricidade. A realização de Estudos de Proteção, com a parametrização destes relés muitas vezes torna-se inviável, sob o ponto de vista de sensibilidade e da coordenação das proteções, devido ao fato de que estes equipamentos possuem ajustes limitados tanto de valores de corrente de partida como na seleção de curvas tempo x corrente utilizadas para temporização das proteções, no caso de relés eletromecânicos de sobrecorrente. Durante os últimos anos, com o advento da evolução da indústria, da micro eletrônica e do desenvolvimento de softwares, os relés digitais veêm substituíndo os relés eletromecânicos e estáticos, tanto em instalações novas como também nas remodelações das instalações mais antigas, nos sistemas elétricos de proteção industrial e de empresas de eletricidade. Realizou-se uma análise quanto ao histórico dos relés de proteção, mostrando o seu desenvolvimento desde os relés mais antigos, tipos eletromecânicos, após os relés estáticos, que foram a evolução dos anteriores e finalmente estudando os relés digitais. Os relés digitais oferecem muitas vantagens se comparados com os relés eletromecânicos e estáticos, as quais serão abordandos em items específicos da revisão de literatura neste trabalho. O trabalho é finalizado com uma análise de casos, onde foram computados e analisados casos, como índices de fornecimento, custos de instalação de relés digitais em substituição à relés e sistemas eletromecânicos e estáticos, utilizados convencionalmente para a proteção em alimentadores de Subestações da Copel - Companhia Paranaense de Energia, com o objetivo de coletar-se e analisar-se, ao longo de 12 meses as reais vantagens e desvantagens da utilização destes equipamentos nos sistemas elétricos de proteção dos circuitos de distribuição de energia. / The purpose of this study is to carry out a technical and economic feasibility assessment of the updating of the Distribution Protection system, comparing the use of digital relays, to which new functions have been integrated, with electromechanical and static relays. Information hereby presented shows that digital relays are significantly cost-effective in terms of acquisition and implementation for developing application projects and in maintaining that equipment after it has been set up in the field. Electromechanical relays have been largely used in protection schemes for large-scale industrial and residential consumers, as well as in security schemes for power plant companies. Because of the large number of moving parts and frequent readjustments required by that type of equipment, many manhours must be put in by calibration and maintenance staff employed by power plant companies. Carrying out a Protection Study that establishes parameters for those relays is often unfeasible given the sensitivity and coordination of the protections, in that the equipment in question has limited adjustments, both in terms of pick-up currents values and of the selection of time curve vs. current used in the protection timer, in the case of overcurrent electromechanical relays. During the last years, with the rise of industrial evolution, microelectronics and software development, digital relays are replacing electromechanical and static relays in electrical security systems used by industrial and power plant company protection, both in new facilities and in refurbished facilities. A study was carried out on the history of protection relays showing how they developed from the older, electromechanical type after the static relays, which evolved form the former, and was concluded with the study of digital relay models. Digital relays provide significant advantages compared to electromechanical and static relays, which will be covered under specific revision items of the references provided herein. The study is concluded by assessing case studies that were accounted for and assessed, such as supply rates, installation costs of digital relays to replace electromechanical and static systems used traditionally to provide protection for COPEL´s (Power Company of the State of Paraná) Substations. The purpose was to collect and analyze, over a 12-month period, the actual advantages and disadvantages of using that type of equipment in electrical systems that provide circuit protection for power distribution.

Este trabalho analisou os leilões de comercialização de energia elétrica no ambiente de contratação regulada no Brasil, realizados entre 2005 e 2011, com o objetivo de propor aperfeiçoamentos em sua metodologia. Para tanto, foram estudadas três linhas de pesquisa: teoria de leilões, internalização (adicionais) de custos não privados (externalidades) e organização de mercados de capacidade. Após a análise dos 21 leilões de novos empreendimentos realizados no período, conclui-se que o desenho do leilão com fase discriminatória final é adequado aos objetivos de modicidade tarifária, mas que também permite melhoras. As fraquezas da sistemática atual identificadas foram: metodologia de contratação termelétrica por disponibilidade, com viés das fontes de maior custo variável unitário, adoção de preço-teto nem sempre adequado, dificuldade em mitigar o exercício de poder de mercado da Eletrobras nos leilões de energia existente e licitação pelo custo econômico privado. De forma a aprimorar os leilões, as seguintes ações foram sugeridas: realização de uma etapa adicional e prévia ao desenho de leilão híbrido atual visando contornar a problemática de estabelecimento de preço-teto adequado; utilização de adicionais ao lance do leilão para internalizar os custos de transmissão não recolhidos pelo gerador; substituição do mecanismo de contratação termelétrica pelo modelo Colombiano de opções; condução de leilões de energia nova e existente em conjunto, e segmentação de produtos no leilão pela ótica da demanda com possibilidade de lances em pacotes. Com a adoção destas propostas entende-se que o valor negociado nos leilões de comercialização de energia elétrica refletirão melhor o custo social dos projetos, aumentando a eficiência dos certames. / This study analyzes the regulated electricity procurement auctions conducted between 2005 and 2011 in Brazil, in order to propose improvements in its methodology. Thus, it was reviewed three research areas: auctions design, internalization of externalities, and capacity markets. After analyzing the 21 new energy auctions that period, it is concluded the auction design with a second discriminatory bid is appropriate to the aims at achieving as low as possible prices, however there is room for improvement. Identified weaknesses are: (1) thermal availability capacity hiring method biased in favor of energy sources with higher variable costs; (2) inadequate price cap, unable to mitigate Eletrobras market power in existing power auctions, (3) and bidding by private economic cost. So, it is suggested the following actions to improve the efficiency of energy auctions: (a) carrying out an additional step prior to the current hybrid auction design in order to solve the problem of establishing appropriate ceiling price; (b) use of additional to internalize transmission costs not paid by generator; (c) replacement of the bid mechanism used for thermal power plants to Colombian options model; (d) driving new and existing energy auctions together, and (e) segment auctions products by the demand side with the possibility of bidding in packages. In adopting these proposals it is expected the value traded in the electricity procurement auction conducted in Brazil will better reflect the social cost of projects and so improving its efficiency.

Neste trabalho foi desenvolvido um método de localização de faltas em linhas de transmissão constituídas de circuito simples e continuamente transpostas com derivações. Este método utiliza fasores de tensão e corrente pré-falta e pós-falta medidos apenas nos terminais local e remoto, para determinar as informações da falta, as quais são: local, distância, resistência e tipo. O método de localização de faltas proposto neste trabalho é composto pelo processo de obtenção dos fasores, pelo algoritmo de determinação do tipo de falta, pelos algoritmos de estimativa de cargas e de localização de faltas, onde o algoritmo de localização de faltas foi proposto neste trabalho. A principal característica deste novo método é a de não haver necessidade de reduzir a linha para uma linha equivalente de dois terminais para aplicação do método de localização de faltas usando dados de um ou dois terminais para determinar o possível ou os possíveis locais de ocorrência da falta, uma vez que o algoritmo de localização de faltas proposto neste trabalho possui uma função objetivo que determina de forma direta o trecho de ocorrência da falta. Com o objetivo de avaliar a eficiência do método de localização de faltas proposto, este foi submetido a simulações de variação de distância de falta, de resistência de falta, de tipo de falta e simulações de erros nos fasores e nos parâmetros da linha de transmissão. / In this work was developed a fault location method on single circuit continuously transposed transmission lines with derivations. This method uses pre-fault and post-fault voltage and current phasors, measured at local and remote terminals only, to determine the information about the fault, which are: location, distance, resistance and type. The fault location method proposed in this work is composed by the phasor obtaining process, the fault type determination algorithm, the load estimation algorithm and the fault location algorithm, where the fault location algorithm has been proposed in this work. The main characteristic of this new method is no need to reduce the line to two terminals equivalent line to application of the one or two terminal fault location method which determine the possible fault location occurrence, since the fault location algorithm proposed in this work has an objective function that determines by direct way the exact path of fault occurrence. In order to evaluate the efficiency of the proposed fault location method, it was subjected to fault distance, fault resistance and fault type variation simulations and phasors and transmission lines parameters errors simulations.

This thesis proposes, analyses and implements a fast and accurate real-time power system disturbances identification method based on an enhanced linear least squares algorithm for mitigation and monitoring of various power quality problems such as current harmonics, grid unbalances and voltage dips. The enhanced algorithm imposes less real-time computational burden on processing the system and is thus called ???efficient least squares algorithm???. The proposed efficient least squares algorithm does not require matrix inversion operation and contains only real numbers. The number of required real-time matrix multiplications is also reduced in the proposed method by pre-performing some of the matrix multiplications to form a constant matrix. The proposed efficient least squares algorithm extracts instantaneous sine and cosine terms of the fundamental and harmonic components by simply multiplying a set of sampled input data by the pre-calculated constant matrix. A power signal processing system based on the proposed efficient least squares algorithm is presented in this thesis. This power signal processing system derives various power system quantities that are used for real-time monitoring and disturbance mitigation. These power system quantities include constituent components, symmetrical components and various power measurements. The properties of the proposed power signal processing system was studied using modelling and practical implementation in a digital signal processor. These studies demonstrated that the proposed method is capable of extracting time varying power system quantities quickly and accurately. The dynamic response time of the proposed method was less than half that of a fundamental cycle. Moreover, the proposed method showed less sensitivity to noise pollution and small variations in fundamental frequency. The performance of the proposed power signal processing system was compared to that of the popular DFT/FFT methods using computer simulations. The simulation results confirmed the superior performance of the proposed method under both transient and steady-state conditions. In order to investigate the practicability of the method, the proposed power signal processing system was applied to two real-life disturbance mitigation applications namely, an active power filter (APF) and a distribution synchronous static compensator (D-STATCOM). The validity and performance of the proposed signal processing system in both disturbance mitigations applications were investigated by simulation and experimental studies. The extensive modelling and experimental studies confirmed that the proposed signal processing system can be used for practical real-time applications which require fast disturbance identification such as mitigation control and power quality monitoring of power systems