A dissertation submitted to the Faculty of Engineering and the Built Environment, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in ful lment of the requirements for the degree of Masters of Science in Engineering (Electrical). Johannesburg, 2016 / Power-line communications can be used for the transfer of data across electrical net- works in applications such as automatic meter reading in smart grid technology. As the power-line channel is harsh and plagued with non-Gaussian noise, robust forward error correction schemes are required. This research is a comparative study where a Luby transform code is concatenated with power-line communication systems provided by an up-to-date standard published by electricit e R eseau Distribution France named G3 PLC. Both decoding using Gaussian elimination and belief propagation are imple- mented to investigate and characterise their behaviour through computer simulations in MATLAB. Results show that a bit error rate performance improvement is achiev- able under non worst-case channel conditions using a Gaussian elimination decoder. An adaptive system is thus recommended which decodes using Gaussian elimination and which has the appropriate data rate. The added complexity can be well tolerated especially on the receiver side in automatic meter reading systems due to the network structure being built around a centralised agent which possesses more resources. / MT2017

Thesis is submitted in partial fulfilment for the degree of Master of Science in Building (Property Development and Management) to the Faculty of Engineering and the Built Environment, School of Construction Economics and Management at the University of the Witwatersrand, Johannesburg, 2017 / South Africa’s electricity demand, over exceeds its’ supply capability; this in-turn affects a myriad of developmental factors namely: economic growth, business growth prospects, property development, the environment, as well as society as a whole. The traditional (fossil fuel generated) centralized electricity production model, has proven to be insufficient in terms of production capability as well as infrastructure expansion. This has in-turn presented an opportunity for real estate (more specifically listed regional and super-regional retail real estate) to capture a niche gap in the electricity generation market, that of becoming: decentralized renewable electricity generating production plants, that can become self-sufficient and sustainable, while plugging excess electricity back into the national electricity grid; these would in-turn form a network of individual power plants, that can contribute towards the national electricity grid through a smart-grid system, regulated by Nersa and monitored by Eskom. Structured interviews with industry professionals were captured through audio-recordings; the conversations were then author transcribed through pattern emergence as an interpretation tool, analyzed, and the findings documented in this research report. The major findings illustrated that: there were sufficient incentives from the government that promoted electricity generating real estate; feed-in tariffs were being explored within certain municipalities; within the listed property sector, portfolio greenness was becoming more and more important in commercial property development as well as portfolio sustainability; and technological price-parity had been reached within South Africa (meaning that the justification for utilizing the conventional electricity extractive development strategy, rather than the renewable electricity generating strategy, could no-longer be used as an excuse, due to both methods working out to relatively the same costs overall). Key recommendations where that: the self-sufficiency and electricity generation drive should come mainly from tenants, who could then place pressure on the landlords, who would then begin developing in a generation focused way rather than a cost-saving and low cost method; municipalities needed to look at other revenue generating schemes, as an intervention such as this one would see a possible loss of revenue due to a smart-grid system; and developers needed to begin thinking outside of the box, and creating wealth not only in monetary terms, but also in sustainability terms. It was concluded that, as much as this intervention could work in the long-run, it would face a few immediate challenges in the short to medium run, namely: grid connection approval, IPP (Independent power producer) approval, the challenges of shopping mall design with a huge dependence on HVAC / mechanical ventilation which uses tremendous amounts of electricity, as well as the electricity consumption of a regional & super regional retail centre almost being on par with the potential electricity that could be produced. With all that having been mentioned, this intervention would be a five to ten year development strategy that could be worked towards, and would create a new benchmark for listed commercial regional & super-regional retail developments within Gauteng. / MT2018

Nos últimos anos, fatores como a reestruturação do setor de energia elétrica, a necessidade de aproveitamento de diferentes fontes primárias de energia, dificuldades na construção de grandes unidades geradoras e linhas de transmissão causadas por normas de proteção ambiental têm provocado o aumento considerável do interesse por geração distribuída. O conceito de geração distribuída tornou-se muito interessante, entretanto, sua aplicação pode provocar problemas de qualidade de energia elétrica, caso sua influência não seja devidamente estudada. Neste contexto, este documento caracteriza as variações de tensão causadas pela atuação da proteção anti-ilhamento de geradores síncronos distribuídos. Este problema pode ser considerado uma nova abordagem sobre os impactos dos geradores distribuídos na qualidade da energia elétrica, visto que as causas das variações de tensão são tipicamente relacionadas às tomadas ou alívios de grandes blocos carga, partidas de motores de indução, curtos-circuitos, desligamentos de linhas etc. Para estudar o problema, inicialmente foi feito um estudo sobre normatização técnica da área com um apanhado dos guias de diversas concessionárias. Posteriormente, simulações computacionais utilizando o programa SimPowerSystems e um sistema teste foram utilizados para que análises estáticas e dinâmicas do problema fossem feitas no intuito de investigar a natureza das variações de tensão e os fatores que influenciam suas magnitudes e durações. Índices para avaliar as variações de tensão foram criados, e um método para obtenção dos mesmos foi proposto. Tal método utiliza apenas ferramentas de análise estática (fluxo de carga) para a obtenção dos índices, evitando o uso de ferramentas dinâmicas (domínio do tempo) reduzindo o custo computacional e financeiro para análise do problema. Em seguida, o mesmo foi aplicado a um sistema que simula uma rede de distribuição real propondo-se a inserção de bancos de capacitores como medida mitigatória para o problema estudado neste trabalho. / In recent years, factors such as the restructuring of the electricity sector, the necessity to use different primary energy sources as a way to diversify sources of energy, barriers in the construction of large generating units and transmission lines caused by environmental protection standards, as well as technological advances in the generation of electricity, have caused a considerable increase in the interest for distributed generation. The concept of distributed generation has become very interesting; however, its application can result in poor power quality, if its influence is not well studied. In this context, this document characterizes voltage variations caused by the action of anti-islanding protection of distributed synchronous generators. This problem can be considered a new approach on the impact of distributed generators in power quality, since the cause of voltage variations are typically related load switching, induction motors start-up, short circuits, lines disconnection, etc. To investigate the problem, initially a study was carried out on technical standardization in the area with an overview of various utilities guides. Later, computer simulations using the SimPowerSystems software and a test system were employed for static and dynamic analysis of the problem, aiming at investigating the nature of voltage variations and the main factors that influence their magnitudes and durations. Indices to assess the voltage variations were created, and a method for obtaining them was proposed. This method uses only static approach tools (power flow calculations) to obtain the indices, avoiding the use of dynamic tools (time-domain simulations) and reducing computational and financial costs to analyses the problem. The proposed method was applied to a larger system and the insertion of capacitors bank was proposed as mitigating solution for the problem studied in this work.

Este trabalho apresenta uma metodologia para alocação eficiente de dispositivos indicadores de faltas em sistemas de distribuição de energia elétrica. São avaliadas como as principais variáveis que influenciam na quantificação da potencialidade para instalação de dispositivos indicadores de faltas se comportam ao longo do tronco principal dos alimentadores de distribuição de energia elétrica. Como metodologia, empregou-se sistemas de inferência fuzzy para quantificar a referida potencialidade a partir das variáveis avaliadas. Resultados com dados reais destacam também a eficiência da metodologia proposta para quantificar e avaliar a rede de dispositivos indicadores já existentes em alimentadores. / This work presents a methodology for efficient allocation of fault indicator devices in electric power distribution systems. The behavior of the main variables that influence in the quantification of the potentiality for installation of fault indicator devices were analyzed taking into account the feeder length. In methodology terms, fuzzy inference systems were used to quantify this potentiality from the analyzed variables. Results with real data have also highlighted the efficiency of the proposed methodology to quantify and to evaluate the fault indicator device network already existent in power distribution feeders.

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.

Neste trabalho é apresentado um método probabilístico para avaliação do desempenho de redes de distribuição considerando incertezas na demanda das cargas e na potência gerada por sistemas distribuídos intermitentes. Os consumidores são divididos em agrupamentos por classe e faixa de consumo e a modelagem da demanda horária dos consumidores de cada agrupamento é realizada por uma lei de distribuição acumulada de probabilidade (CDF) adequada. A geração distribuída é contemplada pela consideração de fonte solar fotovoltaica. O procedimento de simulação do Método de Monte Carlo é empregado e a técnica da Joint Normal Transform é utilizada na geração de números aleatórios correlacionados, empregados na amostragem da demanda dos consumidores e da energia produzida pelos sistemas de geração distribuídos. O método proposto foi aplicado ao conhecido sistema de 13 barras do IEEE e os resultados dos indicadores de perdas na operação bem como indicadores de violação de tensão crítica e precária obtidos com o modelo probabilístico são comparados aos obtidos com o modelo determinístico convencional. É demonstrado que nem sempre a média é uma descrição suficiente para o comportamento dos componentes de redes de distribuição e que é mais adequado utilizar uma representação com intervalos de confiança para as grandezas de interesse. / This work presents a probabilistic method for performance evaluation of distribution networks considering uncertainties in load demand and power generated by intermittent distributed systems. Consumers are divided into clusters by class and consumption range, so the modeling for the hourly demand of the consumers on each cluster is performed by a suitable cumulative probability distribution (CDF). Distributed generation is considered by means of solar photovoltaic sources. The Monte Carlo Simulation (MCS) Method is employed and the Joint Normal Transform technique is applied for correlated random numbers generation, used to sample consumer demand and the energy generated by distributed generation systems. The proposed method was applied in the well-known IEEE 13 node test feeder and the results of the operation losses as well as voltage violation indices obtained by the probabilistic model are compared to those obtained with the conventional deterministic model. It is shown that the mean is not always a sufficient description for the behavior of distribution network components and that it is more appropriate to use confidence intervals for the quantities of interest.

O trabalho discute a questão da precificação eficiente em sistemas de distribuição de energia, abordando desde a teoria econômica clássica aplicada aos modelos de produção e transporte da energia, passando por uma avaliação crítica da atual metodologia de estrutura tarifária vigente no Brasil, até o detalhamento de uma proposta consistente e simplificadora de estrutura de preços para a atividade da distribuição de energia. A teoria de monopólios naturais é o pano de fundo para uma discussão integrada dos modelos clássicos de estrutura de preços para o transporte da energia elétrica. Nesta avaliação do estado da arte, são abordadas as teorias da precificação linear, da precificação não linear e da precificação de ponta. A atual metodologia nacional de cálculo da estrutura tarifária de uso das redes de distribuição, aplicada pela Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL, é revisitada sob uma visão técnica crítica. Como resultado, são desconstruídos alguns conceitos e processos vigentes pela constatação de uma excessiva complexidade operacional aliada a uma carência de fundamentação econômica e matemática. Por fim, é proposta uma metodologia simplificadora para a estrutura de preços de uso das redes de distribuição de energia, objetivando maior eficiência econômica, maior simplicidade operacional na aplicação e sólida fundamentação teórica, reduzindo arbitrariedades e subjetividades existentes na atual metodologia. / The present work discusses the question of efficient pricing on electric power distribution systems. The subject is approached from the discussion of the classical economic theory applied to energy production and transport models, passing through a critical evaluation of the current rate structure used in Brazil, to the description of a consistent and simplified proposal for the electric power distribution rate design. The theory of natural monopolies is the background of an integrated discussion on classical rate design models concerning the electric energy transportation activity. By the classical problem analysis, some theories commonly approached are linear pricing, non linear pricing and peak load pricing. The current Brazilian methodology used for the rate design of the usage of distribution networks, applied by the National Regulatory Agency (ANEEL), is revisited under a critical technical vision. As a result, some concepts are reassessed due to the observed excessive operational complexity allied to the lack of economical and statistical foundation. Finally, a simplified methodology for the rate structure of the usage of electrical distribution networks is proposed. The methodology aims, at the same time, greater economic efficiency, simpler operational application and a solid theoretical foundation, thereby reducing arbitrariness and subjectivity found in the current methodology.

Neste trabalho é proposta uma modelagem matemática para a otimização do problema de corte de carga em sistemas de distribuição de energia elétrica radiais. O problema de corte de carga consiste em uma estratégia de reconfiguração topológica da rede elétrica para interrupção do fornecimento de energia elétrica. O objetivo principal é desligar a quantidade mínima de carga do sistema, de forma a manter restrições físicas e operacionais dentro dos limites da rede elétrica. Um segundo objetivo é alterar o mínimo possível a estrutura topológica inicial do sistema. Para isso, é feita a minimização de chaveamentos. Inicialmente foi modelado como uma programação não-linear inteira mista, e transformado em uma programação cônica de segunda ordem inteira mista, que pode ser resolvida de forma eficiente usando vários solver comerciais. O modelo matemático foi implementado dentro do ambiente de programação matemática GAMS e resolvido utilizando o solver comercial CPLEX. Testes foram realizados no sistema de distribuição de 53 barras. Os resultados encontrados evidenciam a consistência e a eficiência da modelagem proposta neste trabalho. / This research proposed a mathematical model to optimize the load shedding problem in radial distribution power systems. The load shedding problem consists in a topological reconfiguration strategy of the power grid in order to interrupt the power supply. The main goal is to disconnect the minimum amount of system loads while respecting the physical and operational restrictions of the grid. The second goal of this research was to modify as little as possible the initial topological structure of the system. To achieve this, a switching minimization was performed. First, the problem was modeled as a mixed integer nonlinear programming, and then it was transformed into a mixed integer second order cone programming using various commercial solvers. The mathematical model was implemented in the mathematical programming environment GAMS and solved using the CPLEX commercial solver. Tests were performed at the 53 nodes distribution system. The test results showed the consistency and efficiency of the model proposed in this dissertation.

O conhecimento das características experimentais das faltas de alta impedância é de suma importância para o desenvolvimento de sistemas e equipamentos voltados a detecção eficiente das mesmas em sistemas de distribuição de energia elétrica. Este trabalho apresenta um conjunto de estratégias experimentais que visam orientar passo a passo a realização de ensaios de faltas fase-terra com alta impedância, contemplando-se desde os dispositivos de proteção usados na viabilização dos experimentos até os equipamentos de oscilografias utilizados para registrar as grandezas elétricas advindas dessas situações de faltas. São ainda apresentados os resultados obtidos pelos ensaios realizados de queda de condutor energizado (lado fonte) em solo seco, queda de condutor energizado (lado fonte) em brita seca, queda de condutor energizado sobre a cruzeta e queda de condutor energizado (lado carga) em solo seco. / The knowledge of experimental characteristics of high-impedance fault is of highest importance for developing both systems and equipments addressed to its efficient detection in electric power distribution systems. This work presents a set of practical strategies to guide step by step the accomplishment of experiments involving phase-ground faults with high impedance, being also contemplated from protection devices used in the experiments to oscillograph equipments dedicated to register the electric signals produced in those situations. It is still presented the results produced by fault experiments involving drop of energized cable (source side) in dry soil, drop of energized cable (source side) in dry broken stones, drop of energized cable on crossarm and drop of energized cable (load side) in dry soil.

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para localização e proposição de reforços no sistema de distribuição de energia elétrica através de programação linear, PL, e algoritmo genético, AG. A técnica de PL utilizada para a localização de pontos de reforços e, principalmente, novas subestações de distribuição, é baseada no algoritmo de ?out-of-kilter?, um conhecido algoritmo de transporte. A seleção de melhores alternativas é solucionada através do AG, que permite a modelagem de redes com proporções reais e possibilita a obtenção de resultados em tempos de execução compatíveis para aplicação de atividades em planejamento de sistemas de distribuição de energia. O modelo de algoritmo proposto aloca automaticamente novos reforços, como o recondutoramento de trechos da rede e a expansão de subestações existentes, complementando os reforços candidatos, novas subestações e novos alimentadores, propostos previamente pelo modelo de PL. A metodologia proposta é aplicada à resolução de uma rede de distribuição real, possibilitando a análise da potencialidade que esta modelagem pode oferecer. / This dissertation presents a methodology for the allocation and proposal of new reinforcements in electric distribution systems through linear programming (LP) and genetic algorithm (GA). The linear programming technique used for the allocation of new reinforcements, namely new distribution substation locations, is based on the ?out-of-kilter? algorithm, a well known transport algorithm. The selection of alternatives, determined by technical and economical criteria, is carried out through a genetic algorithm that allows the modeling of real sized distribution networks and makes possible the attainment of results in compatible execution times for distribution network planning. The proposed model places new reinforcements automatically, as it is the case of cable resizing in distribution lines and the expansion of existing substations, complementing the new substations and new feeders proposed by the linear programming model. The proposed methodology is applied to the solution of a real distribution network, showing the potential applications of the models.