Thesis (MTech (Electrical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology. / Distributed Generation systems based on renewable energy sources, such as wind or solar are mostly intermittent sources, due to their dependency on the weather, whereas those based on other primary energy sources are non-intermittent. All of them are specially designed to be integrated into distribution systems, in order to improve the power demand of consumers. In the last few decades of the twentieth century, several different factors have played a key role in increasing interest in systems. Distributed Generation (DG) is gaining more and more attention worldwide as an alternative to large-scale central generating stations. The aim of this research project is to investigate the contribution of distributed generation in fault current level in a power distribution system. The simulation results indicate that DG can have a positive or negative impact, on the fault current level in distribution network systems. The DG location and size affect the fault level. The second aim of this research was to suggest a model-based method for design, and implementation of a protection scheme for power distribution systems, by establish algorithms in a hardware environment. The overcurrent relay was chosen for the model development because it is considered a simple and popular protection scheme, and it is a common scheme in relaying applications. The proposed relay model was tested for fault conditions applied on a simple power system in different scenarios. The overcurrent relay model was implemented in MATLAB/Simulink, by using MATLAB programming languages and the SimPowerSystem (SPS) Tool. MATLAB/SIMULINK software is applicable to the modelling of generation, transmission, distribution and industrial grids, and the analysis of the interactions of these grids. This software provides a library of standard electrical components or models such as transformers, machines, and transmission lines. Therefore, the modelling and simulations are executed using MATLAB/Simulink version 2014b

Thesis (DTech (Electrical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2016. / Electric power systems are being operated closer to their designed stability limits due to the constraints caused by the continuous increase in system loading, and the lack of new power stations and transmission network infrastructure to support this increase in system loading. This coupled with the practice of long distance bulk power transmission and cascading contingencies, makes system instability and consequently blackouts inevitable. In such scenarios, system instabilities like voltage instability becomes a serious threat to the secure operation of the power system, and voltage collapse (system-wide blackouts) are prone to occur. This is often compounded by the unavailability of real-time system measurements for situational awareness from the existing Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)/Energy Management System (EMS) platforms which are usually based on unsynchronized SCADA measurements with a slow reporting rate of 1 measurement every 2-10 seconds. This Doctoral thesis proposes non-iterative algorithms and methods of solution based on the IEEE C37.118 synchrophasor measurements from Phasor Measurement Units (PMUs) with a high reporting rate of up to 200 measurements every second (200 fps) for voltage stability assessment and automated wide area Centralised Protection/Control (CPC) against catastrophic voltage instabilities/blackouts in power systems. Extended formulations are proposed for the Optimal Placement of PMUs (OPP) in power systems with respect to voltage stability assessment. The impact of zero injection buses, critical buses, and PMU redundancy is considered in the formulation of the OPP problem solution. The extended formulations made use of Binary Integer programming (BIP) and Modal Participation Factors (MPFs) derived from the eigenvalues of the power flow Jacobian.

Thesis (MTech (Electrical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2017. / This dissertation represents the design and development of a load management system for fixed appliances in a safe direct current (DC) Reconstruction and Development Programme (RDP) house. A combination of valley filling, load shifting and peak clipping load management techniques were employed to assist in reducing the peaks observed in the RDP house load profile during peak hours. A DC RDP house laboratory model was developed. The study is based on the assumption that the normally 220 V alternative current (AC) grid is replaced by a 350 V DC grid. The assumption is thus that 350 V DC is available at the distribution box in the RDP house laboratory model. All theoretical work was based on a 350 V DC system, but due to the lack of a laboratory 350 V DC supply, all physical tests were conducted by making use of a 300 V DC supply which was available. Consequently all calculations were thus based on 300 V DC as well. The geyser was the main fixed appliance focused on since it contributes to a significant portion of the power used. An AC geyser was successfully modified in order to be used in the DC network. Safety of the system was considered in order to interrupt the power in case of overcurrent or to isolate the power. Electronic switches were also developed and implemented to ensure that the DC power could be safely switched on and off and that the low power DC was isolated from the high power DC. LabVIEW allowed all other appliances in the DC RDP house to be virtually represented so that a holistic view of the power use of the house could be represented. This also allowed the system to be successfully simulated before any physical work was conducted. The load management system was successfully implemented by making use of power line communication. This proved to be a cost effective means to apply the load management algorithm. The algorithm consisted mainly of power on / off instructions that were executed during peak and off-peak times. It follows the normal use of timers used in the AC system to help reduce demand. It was found that the load management system successfully reduced the demand during peak hours without compromising the basic needs of the user. The power line communication modem proved to be very reliable in implementing the load management algorithm.

Orientador: Antonio Padilha Feltrin / Co-orientador: Edgar Manuel Carreño Franco / Banca: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Carlos Roberto Minussi / Banca: Alexandre Rasi Aoki / Banca: Claudia Maria de Almeida / Resumo: Neste trabalho, apresenta-se um método de simulação por quadrículas para os estudos de previsão espacial da densidade de carga nos sistemas de distribuição de energia elétrica da zona urbana, o qual pode ser considerado como uma ferramenta de auxílio para os planejadores das empresas de distribuição durante o processo de planejamento da expansão dos sistemas de distribuição no médio e longo prazo. No método proposto, são utilizados conceitos da geometria fractal para melhorar a caracterização da distribuição espacial do consumo de energia elétrica na zona urbana da cidade. Além disso, considera-se a disponibilidade atual de dados nas empresas de distribuição como: o conjunto de dados georreferenciados dos elementos da rede e mapas da zona de concessão urbana. Uma das contribuições deste trabalho é apresentar um modelo que realiza a simulação de forma conjunta do crescimento de carga por causa da: expansão da cidade, livre vontade dos habitantes para povoar em regiões disponíveis e influência das infraestruturas urbanas para atrair ou repelir novos usuários. Assim, este modelo pode ajudar na criação de cenários prospectivos no planejamento da expansão da rede elétrica, considerando o crescimento dinâmico da zona urbana na cidade. O método proposto foi testado em um sistema de distribuição real de uma cidade de médio porte. O resultado do método é um mapa com a distribuição espacial da densidade de carga simulada na zona de estudo, que mostra as subáreas com maior crescimento na sua densidade de carga. Desta forma, esse mapa permite a verificação da capacidade dos equipamentos do sistema de distribuição, a fim de suprir tal crescimento de carga. O modelo proposto é avaliado utilizando uma análise espacial do erro cometido na alocação de cargas no processo de simulação da densidade de carga existente, a qual mostra uma eficácia para caracterizar ... / Abstract: This thesis presents a grid-based simulation method for spatial load forecasting studies in the electric distribution systems in the urban area. This approach can be considered as a useful tool to aid planning engineers in the process of distribution systems expansion planning in the mid- and long-term. The fractal geometry concepts are used to improve the characterization of the spatial pattern of the load density in the urban area considering the available data on the electrical distribution utilities, using a data georeferenced of network elements and maps of the urban area. One of the contributions of this work is a tool to jointly simulate: the expansion of the city, the free decision of inhabitants to populate regions, and the influence of urban infrastructure to attract or repel new users. Thus, this model can help creating future scenarios in the process of distribution systems expansion planning considering the dynamic growth of the urban area. The proposed method was tested in a real distribution system of a medium-sized city. The result is a map of the spatial distribution of the load density simulated in the study area, which shows the subareas with high growth in their load density. This map allows the verification of the distribution system capacity in order to meet the load growth. The proposed model is evaluated using a spatial analysis of the loads allocation error in the simulation of the actual load density; it shows an efficacy to characterize the spatial pattern of consumption of electricity with a simulation global error inferior to 3% of the total load installed in the city / Doutor

Orientador: Dionízio Paschoareli Júnior / Banca: Jean Marcos de Souza Ribeiro / Banca: Maurício Aredes / Resumo: Este trabalho de pesquisa apresenta a análise, simulação e um protótipo de um Distribution - Thyristor Controlled Series Compensator (D-TCSC), aplicado ao sistema de distribuição de energia elétrica. Será abordado os princípios de operação do mesmo e uma modelagem em Matlab/Simulink do compensador proposto e do alimentador de distribuição. Um enfoque maior será apresentado no que se refere à regulação de tensão em malha fechada deste dispositivo, realizado para manter a tensão sobre a barra de carga dentro de níveis adequados. Assim, através de um sistema compensado, utilizou-se um controle proporcionalintegral (PI) para regular a tensão na carga de acordo com um valor de referência estipulado. Por meio de um Digital Signal Processor (DSP) foi possível implementar o controle do DTCSC em malha aberta e obter formas de onda da sua atuação na região capacitiva / Abstract: This research presents analysis, simulation and a prototype of a Distribution - Thyristor Controlled Series Compensator (D-TCSC), applied to the electric power distribution system. Principles for its operation and modeling in Matlab/Simulink of the proposed compensator and feeder distribution will be discussed. A focus will be presented with regard to voltage regulation in a closed loop this device, performed to maintain tension on the load bar within appropriate levels. Thus, using a compensated system, we used proportionalintegral (PI) control to regulate the load voltage according to a prescribed reference value. Through a Digital Signal Processor (DSP) has been possible to implement the control of DTCSC open-loop and obtain waveforms of their performance in capacitive region / Mestre

Orientador: Antonio Padilha Feltrin / Co-orientador: Augusto César Rueda Medina / Banca: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Fábio Bertequini Leão / Banca: Fernanda Caseño Lima Trindade / Banca: Juan Carlos Galvis Manso / Resumo: Neste trabalho, um sistema de distribuição de energia elétrica com a inclusão de geração distribuída é investigado, através de técnicas de otimização multiobjetivo. O estudo consiste em alocar geração distribuída no sistemas de distribuição com base em parâmetros técnicos e econômicos. O sistema é investigado considerando dois interesses: de um lado, o Produtor Independente de Energia Elétrica e, do outro lado, a Empresa de Distribuição de Energia Elétrica operadora do sistema. Na perspectiva do produtor independente, o modelo adotado busca maximizar a geração de potência ativa da geração distribuída e minimizar os custos associados. Na perspeciva da operadora do sistema, o modelo objetiva maximizar a valoração das perdas, maximizar a confiabilidade e minimizar os custos envolvidos em adequação do sistema de distibuição de energia elétrica. Através de técnicas de otimização multiobjetivo foram otimizados os objetivos. O algoritmo utilizado foi o Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2 (SPEA2) com a finalidade de gerar as soluções não-dominadas dos problemas. Para avaliar a eficácia do modelo proposto, foi utilizado o sistema teste de 135 barras. Os resultados alcançados para os dois problemas, considerando os parâmetros utilizados, foram um conjunto de soluções não-dominadas, que estabeleceram um conflito entre o produtor de energia e a distribuidora que opera o sistema, pois a alterantiva que revelou-se a mais promissora para o produtor revelou-se a menos atrativa para a Empresa distribuidora. Este ponto constitui a principal contribuição do presente estudo, pois o conjunto de soluções encontradas pelo algoritmo SPEA2 constituem um ambiente flexível que permite ao produtor de energia e distribuidora de energia avaliarem cada proposta de solução e decidir por aquela que mais se aproxima aos interesses de ambas as partes / Abstract: In this work, an electricity distribution system with distributed generation is investigated using a multi-objective optimization technique. The study consists of allocating distributed generation based on technical and economic parameters. The system is investigated considering two interests: on one hand, from the Independent Energy Producer (IEP), which owns the distribued generators, and, on the other hand, from the Electricity Distribution Company (EDC), which operates the system. From the perspective of the IEP, the adopted model seeks to maximize the active power generation of distributed generators and minimize costs associated to this generation. From the perspective of the EDC, the model aims to maximize the valuation of losses, maximize the reliability of the system and minimize costs involved in adaptation of the network due to the instalation of the distributed generators. A multi-objective optimization technique, the Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2 (SPEA2), was used in order to generate the non-dominated solutions of the porposed problems. To evaluate the effectiveness of the proposed model, the 135-bar test system was used. The results for the two problems, for the parameters used in this study, were a set of non-dominated solutions, which established a conflict between the IEP and the EDC because the alternative that proved the most promising for the IEP was the less attractive for the EDC. This point constitutes the main contribution of this study, because the set of solutions found using the SPEA2 constitute a flexible environment that allows the IEP and the EDC evaluate each proposed solution and decide on the one that is closest to the interests of both parties / Doutor

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Banca: Luis Carlos Origa de Oliveira / Banca: Júlio Borges de Souza / Banca: Fernando Pinhabel Marafão / Banca: Luiz Carlos de Freitas / Resumo: Nas últimas três décadas o crescimento da utilização de equipamentos considerados cargas não lineares em processos industriais, no comércio e em residências, têm alterado significativamente as condições de carregamento das redes de distribuição de energia elétrica. No Brasil, estes fenômenos acentuaram-se nesta última década, e têm provocado distorções significativas nas formas de onda das correntes e tensões ao longo dos alimentadores. Por outro lado, as distribuidoras estão deparando-se com clientes, acessantes, cada vez mais exigentes e encontrando diversos desafios no que diz respeito ao fornecimento de tensão com qualidade e dentro de padrões internacionalmente normatizados. Neste contexto, devido à necessidade de se alcançar um atendimento não apenas satisfatório, mas também alcançar um atendimento de qualidade, torna-se de fundamental importância a modelação da carga a ser alimentada e ferramentas computacionais adequadas para simular o fluxo harmônico produzido por ela, em conjunto com todos os demais carregamentos de importância da rede, assim como, seus elementos de regulação e compensação harmônica/reativa. Considerando que as ferramentas computacionais tradicionais de análise de fluxo de potência fornecem resultados que, quando comparados com os resultados medidos em campo apresentam cada vez mais diferenças significativas, que implicam em grandes dificuldades para o ajuste da operação dos sistemas, neste trabalho é proposto o desenvolvimento de uma ferramenta computacional que possa modelar o carregamento não linear das redes, analisar seu fluxo harmônico e consequentes interações com os dispositivos de rede. Os modelos de cargas não lineares são obtidos através de medições diretas nos diversos Pontos de Acoplamento Comum (PAC) de interesse, através de seus modelos de Norton, sendo que todos os principais dispositivos do sistema são representados e modelados (subestação,... / Abstract: In the last three decades the growth of the usage of equipments considered no linear loads in industrial processes, trade and residences has been significantly altered the conditions of charging/loading the electrical networks. In Brazil, these phenomena have been highlighted in the last decade, mainly in the south and southeast electrical networks, and this fact has been provoking significantly distortions in the waveforms and voltage along the electrical distribution feeders. On the other hand, the distribution companies have been facing costumers, users of their networks, even more demanding; therefore, those companies have been finding several challenges regarding the quality of voltage supply within the international standards. Having this context, and due to the necessity to reach satisfactory costumers' help, it is fundamentally important the load modelling to be fed and the suitable computational tools to simulate the harmonic flow produced by it, in accordance with all the important network charging, as their regulation elements and harmonic/reactive compensation. Considering the traditional computational tools of power flow analysis show results that once compared with the results measured in field show even more significant differences, those results imply in greater difficulties to the systems' operation adjustments. This paper proposes the development of a computational tool which may model the non linear supply networks, to analyse the harmonic flow and the consequent interactions with the network devices. The model of non linear loads are got through the direct mediations in the several Pontos de Acoplamento de Cargas (Point of Load Coupling) (PLC), through their Norton models, of which all the main distribution system devices are represented and modelled (substations, lines, switches, transformers, step voltage regulators, capacitors banks, and resonant filters), taking into consideration the real represented global ... / Doutor

Orientador: Carlos Roberto Minussi / Banca: Francisco Villarreal Alvarado / Banca: Sandra Cristina Marchiori de Brito / Resumo: Neste trabalho, apresenta-se uma nova abordagem para a detecção e classificação de distúrbios de tensão em sistemas de distribuição de energia elétrica, utilizando como ferramenta um algoritmo híbrido Neural-Imuno. Trata-se, basicamente, da junção de uma rede neural artificial ARTMAP-Fuzzy com o algoritmo imunológico de seleção negativa, gerando o método híbrido. Desta forma, partindo-se das medições realizadas em um alimentador de distribuição de energia elétrica por um sistema de aquisição de dados SCADA, um módulo neural realiza o processo detecção, identificando anormalidades (falhas), e um módulo imunológico realiza a classificação das anormalidades detectadas. A principal aplicação desta nova abordagem é auxiliar a tomada de decisões, de modo a automatizar o processo de operação do sistema durante a ocorrência de falhas. Para avaliar a eficiência do método proposto foram realizadas simulações de distúrbios de tensão em quatro sistemas de distribuição de energia elétrica no software ATP/EMTP, sendo os sistemas testes de 5, 33 e 84 barras e o sistema real de 134 barras. Os resultados obtidos demonstram eficiência e precisão quando comparados à literatura / Abstract: In this work, is presented a new approach for the detection and classification of voltage disturbances in distribution electrical systems using a hybrid algorithm as a tool Neural- Immune. This is, the junction of an artificial neural network ARTMAP-Fuzzy with the negative selection immune algorithm, creating the hybrid method. Thus, starting from measurements made on a power distribution feeder for SCADA data acquisition system, a Neural module performs the detection process, identifying abnormalities (disturbances), and an Immune module performs classification of detected abnormalities. The main application of this new approach is to assist decision making in order to automate the system operation process during the occurrence of failures. To evaluate the efficiency of the proposed method, were performed simulations of voltage disturbances in distribution electric systems in the ATP/EMTP software, using the test systems of 5, 33 and 84 bars and the real system of 134 bars. The results demonstrate efficiency and accuracy when compared to literature / Mestre

Orientador: Antonio Padilha Feltrin / Banca: Carlos Roberto Minussi / Banca: Andre Nunes de Souza / Banca: Osvaldo Ronald Saavedra Mendez / Banca: Antônio César Baleeiro Alves / Resumo: Neste trabalho o espaço geográfico é incorporado ao estudo das perdas não técnicas. Os trabalhos avaliados em perdas comumente não consideram a localização espacial das mesmas de forma explícita. No entanto, o estudo das características do lugar onde elas ocorrem pode trazer informações imprescindíveis para melhor compreensão do problema. O espaço é incorporado via técnicas de análise espacial de dados geográficos. A saber: análise espacial de padrões de pontos e análise espacial de dados agregados por áreas. A localização das perdas é obtida através de dados de inspeções reais georreferenciados obtidos a partir de uma concessionária de energia elétrica. Os atributos socioeconômicos do censo demográfico e da rede de distribuição de energia do lugar onde ocorrem as perdas são considerados via técnicas de regressões espaciais. São elas: modelo aditivo generalizado (GAM) e regressão geograficamente ponderada (GWR). Esses atributos são as variáveis independentes das regressões espaciais e auxiliam na explicação da disposição das perdas no espaço geográfico do município em estudo. Essas regressões são combinadas com as cadeias de Markov para produção de mapas de probabilidades de perdas. Esses mapas indicam as subáreas do município que são mais vulneráveis às perdas em termos probabilísticos. Por meio deles, estima-se a evolução das perdas não técnicas no espaço geográfico do município ao longo do tempo. Os mapas de probabilidade de perdas são uma ferramenta gráfica, de fácil interpretação e que auxiliam no planejamento de uma série de ações de prevenção e combate às perdas. Este estudo foi realizado em um município de porte médio do interior paulista com aproximadamente 81 mil unidades consumidoras, sendo que os resultados das simulações foram comparados com dados reais de inspeções em campo. A taxa de acerto para estimação das áreas vulneráveis às perdas via... / Abstract: In this work the geographic space is incorporated into the study of non-technical losses. Studies on non-technical losses do not often consider the spatial location of them explicitly. However, the study of the characteristics of the place where they occur can provide essential information to better understanding of the problem. The space is incorporated via spatial analysis techniques of geographical data; to know: spatial analysis of point patterns and spatial analysis of data aggregated by areas. The location of the losses is determined via georeferenced inspections data obtained from an electrical power utility. Socioeconomic attributes of the census and the distribution network of energy of the place where the losses occur are considered using the spatial regressions techniques; namely: generalized additive model (GAM) and geographically weighted regression (GWR). These attributes are the independent variables of spatial regressions and assist in the provision of the explanation of the losses in the geographical space of the city under study. These regressions are combined with Markov chains to produce the loss probability maps. These maps show the city subareas that are more vulnerable to losses in probabilistic terms. Through them, the evolution of non-technical losses in the geographical area of the city over the time is estimated. The loss probability maps are a graphical tool, easy to interpret and to assist in planning a series of actions to prevent and combat to losses. This study was conducted in a medium-sized city of São Paulo with about 81,000 consumer units, and the simulation results were compared with real data obtained in field inspections. The hit rate for the estimation of areas vulnerable to losses via generalized additive model (GAM) and Markov chains surpasses 80% / Doutor

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Anna Diva Plasencia Lotufo / Banca: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Banca: José Carlos de Melo Vieira Junior / Resumo: Neste trabalho tem-se por objetivo apresentar um modelo para determinar a localização e o preço de contrato ótimo da geração distribuída (GD) despachável em sistemas de distribuição radiais de energia. A abordagem proposta considera a interação de dois agentes: a conces- sionária de distribuição e o proprietário da GD. O modelo é desenvolvido sob uma estrutura de mercado em que a concessionária de distribuição é livre para comprar energia a partir do mercado atacadista de energia ou das unidades de GD dentro de sua rede. Os dois agentes, a concessionária de distribuição e o proprietário da GD, visam diferentes funções objetivos. Por um lado, a concessionária de distribuição tem o interesse de minimizar os pagamentos realiza- dos ao atender a demanda esperada, e por outro lado, o proprietário da GD busca maximizar os lucros obtidos a partir da energia vendida para a concessionária de distribuição. Este re- lacionamento entre os dois agentes é modelado em um esquema de programação binível. A otimização do nível superior determina a localização e os preços de contratos das unidades da GD, enquanto o modelo de otimização do nível inferior é a reação da concessionária de distri- buição, que pode optar entre comprar mais ou menos energia para minimizar seus pagamentos. Uma formulação multiestágio também é apresentada, levando em conta um horizonte de plane- jamento de longo prazo. O problema de programação binível é transformado em um problema de otimização linear inteiro misto de um único nível equivalente, usando as propriedades da du- alidade e técnicas de linearizações. O problema é modelado usando a linguagem de modelagem AMPL e resolvida através do solver comercial CPLEX. Foram realizadas simulações com dois sistemas testes, IEEE de 34 e 85 barras. Os resultados obtidos mostram a qualidade e a validade do modelo proposto / Abstract: This work aims to present a model to determine the location and the optimal contract price of dispatchable distributed generation (DG) in radial distribution power systems. The proposed approach considers the interaction of two agents: the energy distribution utility and the DG owner. The model is developed under a market structure in which the distribution utility is free to buy electricity from the wholesale energy market or the DG units within their network. The two agents, the distribution utility and the owner of DG, target different objective functions. On one hand, the distribution utility pursuits to minimize payments made in order to meet the expected demand, and secondly, the DG owner seeks to maximize the profits from the energy sold to the distribution utility. This relationship between the two agents is modeled on a bi- level programming scheme. The optimization of the upper level determines the location and contract prices for the DG units, while the optimization model of the lower level is the utility reaction, which can choose to buy more or less energy to minimize its payments. A multistage formulation is also presented, taking into account a horizon of long-term planning. The bilevel programming problem is transformed into a mixed integer linear optimization problem of a sin- gle equivalent level, using the properties of duality and linearization techniques. The problem is modeled using the modeling language AMPL and solved using the commercial solver CPLEX. Simulations on two test systems, IEEE 34 bus and IEEE 85 bus, were performed. The results show the quality and validity of the proposed model / Doutor