Decision problems in operation and planning of power systems often rely on large-scale models and data sets. Lack of historical power flow data due to regulatory restrictions often limits researchers to study the system with aggregated network models. Aggregated data from the electricity market operators (Nordpool in the Nordics) and the Transmission System Operator (TSO) (from ENTSO-E) are openly available, and can be used to study the power flow and exchanges between different regions but do not directly provide information about intra-region flows. This project builds upon the Nordic 490 system, a previously built model of the Nordic power system. The main objective of this work is to improve the existing open source power flow model of the Nordic power system, in order to become in turn available for the multi-energy modelling and simulation software Spine. The N490 model generates a model of the Nordic power system consisting of various nodes/buses which represent substations at different voltage levels. Then, it distributes the aggregated production, consumption and power exchange data from Nordpool to the various buses. In this project, different possible improvements are evaluated for the model, aiming at estimating a set of network parameters that minimize the errors between the calculated inter-region flows and the ones from the open data repositories. The different improvements which are evaluated are the following. Firstly, the load distribution is modified and reassigned to match the regional electricity consumption. The generators and wind farms are then reallocated to different bus based on their bidding region and proximity to the bus. The databases are improved and the power balance relation modified. Transmission line parameters are then investigated, first to standard recommended values and then by solving an optimisation problem formulated to extract the parameters from the market data. Finally, the model is also tested with wind and solar generation modelled as a generator rather than as a negative load. / Beslutsproblem gällande drift och planering av kraftsystemet baseras ofta på storskaliga modeller och datamängder. Bristen på historiska data gällande effektflöden beror på säkerhetsrestriktioner vilket begränsar forskare till att enbart studera aggregerade nätverksmodeller. Det finns tillgängliga aggregerade data från den nordiska elmarknadsplatsen Nordpool och organisationen ENTSO-E som kan användas för att studera effektflöden mellan olika regioner, dock finns det inte direkta data för flöden inom regionerna. Det här projektet bygger på det nordiska 490-systemet, en tidigare byggd modell av det nordiska kraftsystemet. Huvudsyftet med detta arbete är att förbättra den existerande effektflödesmodellen av det nordiska kraftsystemet, för att i sin tur bli tillgänglig för multienergimodelleringar och simuleringsprogramvaran Spine. N490-modellen genererar en modell för det nordiska kraftsystemet som innehåller olika noder som presenterar ställverk med olika spänningsnivåer och modellen ger också aggregerade data för produktion, konsumtion och effektutbyte mellan de olika noderna från Nordpool. I detta projekt utvärderades olika möjliga förbättringar för modellen som syftar till att uppskatta nätverkets parametrar som kan minimera felen mellan beräkningar av flöde inom regionen och data från öppna datalagringskällor. Följande förbättringar gjordes: Först har lastens fördelning modifierats och ändrats för att matcha den regionala elkonsumtionen. Generatorer och vindkraftsparker allokerades till olika noder baserad på elhandelsområden och närhet till noderna. Databasen förbättrades för att erhålla en bättre effektbalans per område. Kraftledningarnas parametrar ändrades först till rekommenderade standardvärden, vilka sedan förbättrades genom att formulera ett optimeringsproblem för att extrahera parametrarna från markandsdata. Slutligen testades modellen genom att presentera vind- och sol-produktion som generatorer istället för som negativ förbrukning.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.

O problema de modos intra-planta em sistemas de potência é caracterizado pela oscilação dos geradores de uma mesma usina uns contra os outros. Estes modos são geralmente bem amortecidos, mas uma sintonia inadequada dos parâmetros dos PSSs (Power System Stabilizers), visando fornecer um amortecimento aos modos locais, por exemplo, pode reduzir o amortecimento dos modos intra-planta. Esta possibilidade pode ser evitada por uma sintonia cuidadosa dos estabilizadores, em um modelo que seja capaz de representar os modos intra-planta. Este processo de sintonia pode ser tedioso e demorado, exigindo muitas horas de trabalho de um especialista. Neste trabalho, apresentamos um algoritmo computacional capaz de realizar esse processo, com uma intervenção mínima do projetista (reduzindo, portanto, o esforço do engenheiro projetista na sintonia do PSS e deixando que o computador faça de maneira eficiente) e aplicamos este algoritmo para encontrar uma sintonia adequada de PSSs para o amortecimento dos modos local e intra-planta coexistentes no mesmo sistema. Como mostrado neste trabalho, o algoritmo é capaz de sintonizar os PSSs para varias condições de operação de uma só vez, o que pode também resultar em uma melhor sintonia quando comparado com abordagens seqüenciais de projeto. / The problem of intra-plant modes is characterized by the oscillation of the machines within a power station against each other. These modes are usually well-damped, but improper settings for the parameters for power system stabilizers (PSSs), aiming at enhancing the damping of local modes, for example, can reduce the damping of the intra-plant modes. This possibility must be avoided by a careful tuning of the stabilizers, over a model that is able to represent the intra-plant modes. This tuning process may be involved and time-consuming, requiring many hours of work from a specialist. In this paper, we present a computerized algorithm that is capable of performing this process with minimum intervention of the human designer (therefore alleviating the burden of PSS tuning for the engineer and placing most of it on the computer) and apply it to find a PSS tuning to damp both local and intra-plant modes of the same plant. As shown in the paper, the algorithm is capable of tuning PSSs for several operating conditions at once, which may also result in better tuning when compared to sequential approaches.

Esta pesquisa tem como objetivo apresentar um método para a coordenação dos Relés Direcionais de Sobrecorrente (RDS) associados ao sistema de proteção de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) malhado. O SEP malhado, referente a uma parte do sistema de subtransmissão da rede básica brasileira, em concessão da Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista (CTEEP), foi simulado via o software CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) a partir da base de dados, para estudos de curtos-circuitos, disponibilizada pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Dada a topologia e a operação do SEP malhado em análise, um método de otimização híbrido foi implementado baseado na combinação e aplicação de Programação Linear (PL) e Algoritmo Genético (AG). O algoritmo desenvolvido permitiu a realização de diversos estudos de curtos-circuitos necessários para a obtenção e avaliação da coordenação dos pares de RDS, tanto para a topologia principal do SEP em análise, como para outras configurações de operação caracterizadas, principalmente, pela alteração topológica do SEP. Os resultados demonstram que o algoritmo foi capaz de fornecer uma coordenação adequada para os RDS, respeitando todas as restrições impostas pelo problema de coordenação. / The aim of this work is to present a method for directional overcurrent relays coordination in a meshed power system which is part of the Brazilian power transmission system operated by São Paulo State Electric Power Transmission Company (CTEEP - Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista). This power system was simulated by CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) software using the database of short circuits studies which is provided by the Electric System National Operator (ONS - Operador Nacional do Sistema). Given a specific power system topology and its operating conditions, the hybrid algorithm was developed based on the combination and execution of linear programming and genetic algorithm. Several short circuits scenarios were evaluated in order to obtain and assess the coordination between the pairs of directional overcurrent relays. In such scenarios, it was considered the main network topology, as well as other network operating conditions, mainly caused by certain topological variations. The results show that the hybrid algorithm provided a feasible coordination solution for the considered directional overcurrent relays.

Esta pesquisa tem como objetivo apresentar um método para a coordenação dos Relés Direcionais de Sobrecorrente (RDS) associados ao sistema de proteção de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) malhado. O SEP malhado, referente a uma parte do sistema de subtransmissão da rede básica brasileira, em concessão da Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista (CTEEP), foi simulado via o software CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) a partir da base de dados, para estudos de curtos-circuitos, disponibilizada pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Dada a topologia e a operação do SEP malhado em análise, um método de otimização híbrido foi implementado baseado na combinação e aplicação de Programação Linear (PL) e Algoritmo Genético (AG). O algoritmo desenvolvido permitiu a realização de diversos estudos de curtos-circuitos necessários para a obtenção e avaliação da coordenação dos pares de RDS, tanto para a topologia principal do SEP em análise, como para outras configurações de operação caracterizadas, principalmente, pela alteração topológica do SEP. Os resultados demonstram que o algoritmo foi capaz de fornecer uma coordenação adequada para os RDS, respeitando todas as restrições impostas pelo problema de coordenação. / The aim of this work is to present a method for directional overcurrent relays coordination in a meshed power system which is part of the Brazilian power transmission system operated by São Paulo State Electric Power Transmission Company (CTEEP - Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista). This power system was simulated by CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) software using the database of short circuits studies which is provided by the Electric System National Operator (ONS - Operador Nacional do Sistema). Given a specific power system topology and its operating conditions, the hybrid algorithm was developed based on the combination and execution of linear programming and genetic algorithm. Several short circuits scenarios were evaluated in order to obtain and assess the coordination between the pairs of directional overcurrent relays. In such scenarios, it was considered the main network topology, as well as other network operating conditions, mainly caused by certain topological variations. The results show that the hybrid algorithm provided a feasible coordination solution for the considered directional overcurrent relays.

O problema de modos intra-planta em sistemas de potência é caracterizado pela oscilação dos geradores de uma mesma usina uns contra os outros. Estes modos são geralmente bem amortecidos, mas uma sintonia inadequada dos parâmetros dos PSSs (Power System Stabilizers), visando fornecer um amortecimento aos modos locais, por exemplo, pode reduzir o amortecimento dos modos intra-planta. Esta possibilidade pode ser evitada por uma sintonia cuidadosa dos estabilizadores, em um modelo que seja capaz de representar os modos intra-planta. Este processo de sintonia pode ser tedioso e demorado, exigindo muitas horas de trabalho de um especialista. Neste trabalho, apresentamos um algoritmo computacional capaz de realizar esse processo, com uma intervenção mínima do projetista (reduzindo, portanto, o esforço do engenheiro projetista na sintonia do PSS e deixando que o computador faça de maneira eficiente) e aplicamos este algoritmo para encontrar uma sintonia adequada de PSSs para o amortecimento dos modos local e intra-planta coexistentes no mesmo sistema. Como mostrado neste trabalho, o algoritmo é capaz de sintonizar os PSSs para varias condições de operação de uma só vez, o que pode também resultar em uma melhor sintonia quando comparado com abordagens seqüenciais de projeto. / The problem of intra-plant modes is characterized by the oscillation of the machines within a power station against each other. These modes are usually well-damped, but improper settings for the parameters for power system stabilizers (PSSs), aiming at enhancing the damping of local modes, for example, can reduce the damping of the intra-plant modes. This possibility must be avoided by a careful tuning of the stabilizers, over a model that is able to represent the intra-plant modes. This tuning process may be involved and time-consuming, requiring many hours of work from a specialist. In this paper, we present a computerized algorithm that is capable of performing this process with minimum intervention of the human designer (therefore alleviating the burden of PSS tuning for the engineer and placing most of it on the computer) and apply it to find a PSS tuning to damp both local and intra-plant modes of the same plant. As shown in the paper, the algorithm is capable of tuning PSSs for several operating conditions at once, which may also result in better tuning when compared to sequential approaches.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Willian Douglas F Mendonca.pdf: 2130607 bytes, checksum: ef5e681d6a8d26e8c6fe5324e3cf0c03 (MD5) Previous issue date: 2014-07-04 / In this Master's Dissertation is presented the development of a specialized algorithm for planning the expansion of pole networks of distribution systems. The technique used for solution is the Constructive Heuristics that has been used together with mathematical optimization models to solve the problem. However the presented algorithm does not employ a mathematical optimization model, in other words, a model compound of objective function and constraints. So, instead of working with variables, we seek to work with parameters, with the objective of providing greater speed to the research process, simplifying the search process for the final topology always keeping committed to finding a solution of good quality. Despite not having a guarantee that the solution is the global optimum, the solutions obtained by this type of algorithm solutions are almost always of excellent quality and can be used as a starting point for algorithms that use techniques or more complex mathematical models. To assist the Constructive Heuristic Algorithm in the search for the final topology is used a specialized routine for the calculation of AC power flow The methodology used by the subroutine for these calculations is based on the Backward Forward Sweep algorithm. / No presente trabalho é apresentado o desenvolvimento de um algoritmo especializado para o planejamento da expansão de redes aéreas de sistemas de distribuição. A técnica utilizada para solução é a Heurística Construtiva que tem sido utilizada em conjunto com modelos matemáticos de otimização para resolver o problema. No entanto o algoritmo apresentado não emprega um modelo matemático de otimização, em outras palavras, um modelo composto de função objetivo e restrições. Assim, em vez de trabalhar com variáveis, procura-se trabalhar com parâmetros, com o objetivo de proporcionar uma maior velocidade ao processo de pesquisa, simplificando o processo de busca para a topologia final sempre buscando manter o compromisso de encontrar uma solução de boa qualidade. Apesar de não ter a garantia de que a solução seja a ótima global, as soluções obtidas por este tipo de algoritmo são quase sempre soluções de excelente qualidade e podem ser usadas como ponto de partida para os algoritmos que usam técnicas ou modelos matemáticos mais complexos. Para auxiliar o Algoritmo Heurístico Construtivo na busca para a topologia final é usada uma rotina especializada para o cálculo do fluxo de potência CA. A metodologia utilizada pela subrotina para estes cálculos está baseada no algoritmo de varredura Backward Forward Sweep.

Este trabalho tem o objetivo de relatar e analisar a história dos projetos hidrelétricos conhecidos por \"botox\" (expressão cunhada aos projetos mais velhos com roupagem de novos), desde sua origem, ainda na primeira reforma do setor elétrico brasileiro em 1998, até seu desfecho, no leilão de energia nova de 2007, já no âmbito da segunda reforma do setor elétrico iniciada em 2004. Para sua total compreensão, é feita a historiografia do setor elétrico desde o Código de Águas, vis-à-vis da política econômica mundial e de seus reflexos na economia nacional. A dissertação prossegue com a descrição das alterações regulatórias, principalmente no que se refere ao critério de licitação de concessões de aproveitamentos hidrelétricos, caracterizando e identificando como se formou essa categoria de empreendimentos \"botox\". Após a conceituação teórica de leilões, são analisadas as participações desse tipo de projeto nos cinco leilões de energia nova, ocorridos entre 2005 e 2007. Além de uma abordagem sob o ponto de vista do produtor independente de energia elétrica, também é feita análise de que forma a alteração da regulamentação para outorga de concessões de geração e para comercialização de energia modificou a perspectiva de evolução do valor da energia elétrica para os autoprodutores. Por fim, é feita breve discussão sobre o processo de licenciamento ambiental desses projetos, com ênfase em seus aspectos regulatórios. / This thesis aims to discuss and analyze the history of a particularly hydroelectric power plants group, nicknamed as \"botox\". This expression comes from the fact that those projects were old ones, which have been previously conceived, that were treated as brand new by the Brazilian regulatory framework. Its history has began from the Brazilian electricity industry reform in the 1990s. This history reaches its final step in the 2007 auction, already under the revised power sector model launched in 2004, which marked the last opportunity of the so-called \"botox\" projects to participate closing deals to sell long term energy in a specially designed auction. To perform this analysis, it is firstly reported the context were the \"botox\" were conceived in the recent history of Brazilin Electricity Sector, and how power plants group was impacted by the shifts of international economic trends. The next section discusses the last two power sector reforms, particularly addressing the shifts hydro-plants investors faced on having access to concession auctions for new projects. After providing the background of the auction mechanism theory, it is examined the newly designed electricity auction adopted in Brazil as well as the results of the auctions that took place between 2004 up to 2007. Finally, it is discussed implications of the rules regarding the latest industry reform and regulatory issues towards environmental licenses, focusing on their impacts on the willingness to invest of self-generators owners of \"botox\" projects.

This thesis is devoted to the development of new models for a recently-implemented FACTS (flexible alternating current transmission system) device, the unified power flow controller (UPFC), and the control coordination of power systems with FACTS devices in steady-state operating mode. The key objectives of the research reported in the thesis are, through online control coordination based on the models of power systems having FACTS devices, those of maximising the network operational benefit and restoring system static security following a disturbance or contingency. Based on the novel concept of interpreting the updated voltage solutions at each iteration in the Newton-Raphson (NR) power-flow analysis as dynamic variables, the thesis first develops a procedure for representing the unified power flow controllers (UPFCs) in the steady-state evaluation. Both the shunt converter and series converter control systems of a UPFC are modeled in their dynamical form with the discrete time variable replaced by the NR iterative step in the power-flow analysis. The key advantage of the model developed is that of facilitating the process of UPFC constraint resolution during the NR solution sequence. Any relative priority in control functions pre-set in the UPFC controllers is automatically represented in the power-flow formulation. Although the developed UPFC model based on the dynamic simulation of series and shunt converter controllers is flexible and general, the number of NR iterations required for convergence can be large. Therefore, the model is suitable mainly for power system planning and design studies. For online control coordination, the thesis develops the second UPFC model based on nodal voltages. The model retains all of the flexibility and generality of the dynamic simulation-based approach while the number of iterations required for solution convergence is independent of the UPFC controller dynamic responses. Drawing on the constrained optimisation based on Newton’s method together with the new UPFC model expressed in terms of nodal voltages, a systematic and general method for determining optimal reference inputs to UPFCs in steady-state operation is developed. The method is directly applicable to UPFCs operation with a high-level line optimisation control (LOC) for maximising the network operational benefit. By using a new continuation technique with adaptive parameter, the algorithm for solving the constrained optimisation problem extends substantially the region of convergence achieved with the conventional Newton’s method. Having established the foundation provided by the comprehensive models developed for representing power systems with FACTS devices including the UPFC, the research, in the second part, focuses on real-time control coordination of power system controllers, with the main purpose of restoring power system static security following a disturbance or contingency. At present, as the cost of phasor measurement units (PMUs) and wide-area communication network is on the decrease, the research proposes and develops a new secondary voltage control where voltages at all of the load nodes are directly controlled, using measured voltages.