Our society is heavily dependent on commodities, as water and electricity, supplied to final users by engineered systems, which are known as critical infrastructures. In such context, the understanding of how such systems handle damaging events is an important aspect and is a current concern of researchers, public agents, and society. How much of performance a system loses due to damages is related to its vulnerability, and the ability to absorb and recover successfully from damages is its resilience. In this study, approaches to assess the vulnerability and resilience of power distribution systems by evaluating dynamic features, as the processes of failure and repair, and system reconfiguration for vulnerability, and the effects of extreme weather scenarios for resilience together with the processes of failure of repair are presented. Such approaches were applied on systems previously presented in the literature, and also on a Brazilian power distribution system. A Monte Carlo simulation was applied to evaluate this systems, models for time-to-failure and time-to-repair under different circumstances were obtained from historical data, and a method to use the models of time-to-failure during the vulnerability analysis was introduced. In addition, an assessment of the impact of reconfiguration capability on vulnerability is also carried out, and a resilience assessment under different climate scenarios has been developed. The time-to-failure and repair models highlighted how external factors modifies the Brazilian system failure and repair dynamics, the use of time-to-failure models during vulnerability analysis showed that the consideration of the failure dynamic of the types of elements give different results, and the time domain allows new analysis\' perspectives. The investigation indicated that the vulnerability reduction due to reconfiguration is affected by the number of switches and also the maximum load capacity of the distribution system feeders. The resilience assessment showed that for structural connectivity, larger distribution networks are less resilient, while for electricity delivery, a set of features, related with the topological and electrical organization of such networks, seems to be associated with the network service resilience, such information is useful for system planning and management. The dynamics evaluated in this study are relevant to vulnerability and resilience of such systems, and also to other critical infrastructures. Moreover, the developed approaches can be applied to other systems, as transportation and water distribution. In future studies, other power distribution systems features, as distributed generation and energy storage, will be considered in both, vulnerability and resilience analysis. / Nossa sociedade é altamente dependente de commodities, como água e eletricidade, fornecidas para os usuários por sistemas de engenharia, conhecidos como infraestruturas críticas. A compreensão de como tais sistemas lidam com eventos prejudiciais é uma preocupação atual de pesquisadores, agentes públicos e sociedade. A perda de desempenho de um sistema devido a danos é relacionada à sua vulnerabilidade, e a capacidade de absorver e se recuperar dos danos é a resiliência. Neste estudo, são apresentadas abordagens para avaliar a vulnerabilidade e resiliência de sistemas de distribuição de energia considerando características dinâmicas, como os processos de falha e reconfiguração do sistema, para a vulnerabilidade, e os efeitos de climas extremos na resiliência com os processos de falha e reparo. Tais abordagens foram aplicadas em sistemas previamente apresentados na literatura, e também em um sistema brasileiro. Simulação de Monte Carlo foi utilizada para avaliar as dinâmicas de falha e reparo do sistema utilizando de modelos obtidos a partir de dados históricos, e um método para usar os modelos de tempo-até-falha durante a análise de vulnerabilidade também foi apresentado. Além disso, uma avaliação do impacto da dinâmica de reconfiguração na vulnerabilidade foi realizada e uma avaliação de resiliência sob diferentes cenários climáticos foi desenvolvida. Os modelos tempo-para-falha e reparo destacaram como fatores externos modificam as dinâmicas de falha e reparo do sistema brasileiro, o uso de modelos de confiabilidade na análise de vulnerabilidades mostrou que a consideração dos diferentes tipos de elementos geram resultados diferentes e o domínio de tempo permite novas perspectivas de análise. A investigação da reconfiguração indicou que a redução da vulnerabilidade devido à reconfiguração é afetada pelo número de chaves e também pela máxima capacidade de carga dos alimentadores do sistema de distribuição. A avaliação de resiliência mostrou que, para conectividade estrutural, redes de distribuição maiores são menos resilientes, enquanto que para fornecimento de energia, um conjunto de características, relacionados com a organização topológica e elétrica dessas redes parece ser associado à resiliência do serviço, informação útil para o planejamento. As dinâmicas avaliadas neste estudo são relevantes para a vulnerabilidade e resiliência de tais sistemas, e também para outras infraestruturas críticas. Além disso, essas abordagens podem ser aplicadas a outros sistemas, como transporte e distribuição de água. Em estudos futuros, outras características de sistemas de distribuição de energia, como geração distribuída e armazenamento de energia, serão consideradas nas análises de vulnerabilidade e resiliência.

A continuidade no fornecimento de energia elétrica a clientes é um objetivo constante das distribuidoras de energia, as quais estão constantemente buscando desenvolver soluções tecnológicas a fim de melhorar o desempenho das redes de distribuição. Com o crescimento das cargas eletrônicas e o expressivo aumento dos dispositivos automáticos nas redes, surge uma nova forma de analisar a rede de distribuição sob o aspecto da filosofia da proteção, considerando interrupções sustentadas e momentâneas, sob dois aspectos distintos, o primeiro considera o custo da energia não fornecida sob o período de contingência, enquanto que o segundo refere-se ao impacto do custo social para diferentes classes de clientes, durante o período das interrupções. Desta forma este trabalho propõe o desenvolvimento de uma estratégia de minimização de custos dessas interrupções considerando as características das cargas, bem como o tempo necessário para reinicialização da carga. Para este fim, é aplicado um modelo de programação não-linear, que emprega variáveis binárias para definir a habilitação ou não de curvas rápidas nos religadores e uma abordagem de otimização clássica. Os algoritmos foram desenvolvidos no software Matlab e posteriormente convertido para linguagem GAMS (Generic Algebraic Modeling System). A metodologia foi testada e validada em um alimentador de distribuição real urbano, localizado na região metropolitana de Porto Alegre (RS, Brasil). / Uninterrupted power delivery is a permanent goal of power utilities. One way of attaining this objective is constantly investing in technological solutions to improve the performance of distribution networks. With increasing loads, mainly electronic ones, as well as growing insertion of automatic reclosers, the protection philosophy of distribution systems has to be rethought taking into account temporary and permanent interruptions. In this work, we propose a strategy to minimize the cost of interruptions taking into account the load characteristics and the time required to restart the load. This is achieved by deriving a mixed integer nonlinear programming model. The proposed model uses binary variables to define if the instantaneous characteristic of the recloser should be enabled and a classical explicit mathematical optimization approach. The algorithms were developed with Matlab software and the conversion was made to a General Algebraic Modeling System (GAMS). The applicability of the proposed methodology is tested in an actual feeder from Porto Alegre.

This thesis makes contributions to provide the microeconomic evidence on the effects of electricity provision and on the feasibility of electricity provision via renewable energy in developing countries. Three selected topics are presented. First, we discuss how the impact of national electricity grid provision affects household welfare and individual labor activities in Vietnam. To overcome the endogeneity problem of infrastructure provision, the slope of the terrain is used as the instrumental variable. We present both first-difference regression and pooled regression results using household survey data and geographic datasets. The effect of electrification on female labor supply is negative, contrary to the evidence suggested in the previous literature. Second, we measure willingness to pay for solar lanterns among the poor rural households in India using the Becker-DeGrook-Marschak method. We conduct field surveys to evaluate the effectiveness of providing a trial period and postponed payment scheme to promote sales. Results show that willingness to pay for the solar product among the consumers is low. Lastly, we report patterns of awareness and interest in solar home systems (SHS) among the poor rural households in India. Results show that willingness to pay for SHS is low, even if the national subsidy is taken into account. Moreover, households that have experience using grid electricity have greater willingness to pay for SHS.

This dissertation focuses on two specific problems related to the reliability of the modern power grid. The first part investigates the economic dispatch problem with uncertain power sources. The classic economic dispatch problem seeks generator power output levels that meet demand most efficiently; we add risk-awareness to this by explicitly modeling the uncertainty of intermittent power sources using chance-constrained optimization and incorporating the chance constraints into the standard optimal power flow framework. The result is a dispatch of power which is substantially more robust to random fluctuations with only a small increase in economic cost. Furthermore, it uses an algorithm which is only moderately slower than the conventional practice. The second part investigates “the power grid attack problem”: aiming to maximize disruption to the grid, how should an attacker distribute a budget of “damage” across the power lines? We formulate it as a continuous problem, which bypasses the combinatorial explosion of a discrete formulation and allows for interesting attacks containing lines that are only partially damaged rather than completely removed. The result of our solution to the attack problem can provide helpful information to grid planners seeking to improve the resilience of the power grid to outages and disturbances. Both parts of this dissertation include extensive experimental results on a number of cases, including many realistic large-scale instances.

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.

A instalação de geração distribuída nas redes de distribuição e de subtransmissão de energia elétrica tem apresentado significativo crescimento em âmbito mundial, impulsionada pelos benefícios que pode proporcionar aos sistemas elétricos, pela necessidade de diversificação da matriz energética dos países, pela desregulamentação do setor de energia elétrica em diversos países e pela necessidade de gerar energia elétrica de forma sustentável. No entanto, para que os geradores distribuídos possam de fato beneficiar a operação das redes elétricas, seus impactos técnicos devem ser cuidadosamente estudados, sobretudo em redes de distribuição, as quais foram inicialmente planejadas para operar com fluxo de potência unidirecional. Dentre esses impactos, destaca-se a elevação do nível de curto-circuito da rede, pois correntes de curto-circuito com valores elevados podem causar violação das capacidades dos equipamentos em suportar os esforços térmicos e dinâmicos e também provocar a perda da coordenação entre os dispositivos de proteção contra sobrecorrente. Neste contexto, este trabalho analisa a influência de geradores distribuídos baseados em inversores na corrente de curto-circuito trifásica em um sistema de distribuição de energia, e sobretudo, comprova que sua contribuição no valor da corrente de falta não supera o dobro de sua corrente nominal. Além disso, com base nesta comprovação, apresenta duas estratégias para inserção desse tipo de gerador nos cálculos de curto-circuito de um sistema de distribuição de energia elétrica. As duas estratégias apresentam resultados satisfatórios, utilizam conceitos básicos de circuitos elétricos, independem de dados minuciosos dos inversores e são validadas através de aplicações numéricas com resultados confrontados aos obtidos das simulações. / The installation of distributed generation in distribution and subtransmission systems has shown significant growth worldwide, driven by the benefits it can provide to electrical systems, the need to diversify the energy sources, deregulation of the electricity industry in several countries and the need to generate electricity in a sustainable manner. However, in order to evaluate if distributed generators benefit the operation of power networks, their technical impacts should be carefully studied, especially in distribution networks, which were originally designed to operate with unidirectional power flow. Among the aforementioned impacts, there is the increase of the short circuit level in the distribution network, since high short-circuit currents may exceed the capabilities of equipment to support the dynamic and thermal stresses and also cause loss of coordination between the overcurrent protection devices. Within this context, this thesis analyzes the influence of inverter based distributed generators on three-phase short circuit currents in a power distribution systems. Especially it confirms that the contribution to the fault current does not exceed twice its rated value. Furthermore, based on this issue, this work presents two strategies for the inclusion of this type of generator in short circuit calculations. Both strategies presented satisfactory results, use basic concepts of electrical circuits, they do not depend on detailed data from the inverters and the results are validated by using simulation results.

Orientador: André Nunes de Souza / Banca: Helio Eiji Sueta / Banca: Pedro da Costa Junior / Resumo: Com a modernização da sociedade e o grande crescimento tecnológico visto nos últimos anos, é difícil de imaginar a ausência da energia elétrica nos dias atuais, pois tudo depende da energia para funcionar. A energia elétrica é fundamental para todos os setores da sociedade: residencial, comercial e industrial. A qualidade de seu fornecimento também é muito importante, pois é a qualidade que garante o correto funcionamento de todos os processos realizados no dia-a-dia. No entanto, nenhum sistema, por melhor que seja, é imune à ocorrências de falhas. Assim sendo, uma boa monitoração destas falhas é necessária para realização de manobras de correção mais eficientes. Além disso, a crescente preocupação ambiental faz com que as concessionárias busquem melhores formas de levar a energia à energia à população, com redes mais seguras, mais confiáveis e também mais baratas. Os sistemas subterrâneos têm demonstrado ser uma boa solução no que diz respeito à segurança, confiabilidade e preocupação ambiental, porém a sua instalação ainda é muito cara em comparação com as redes aéreas convencionais. Como todos os sistemas, as redes subterrâneas também estão sujeitas a defeitos. A correta localização a falta (defeito) em cabos subterrâneos de distribuição de energia elétrica não é uma tarefa trivial. Além da dificuldade de acesso ao sistema, existe o alto custo das medições dos parâmetros e a necessidade de uma análise de um especialista dos sinais medidos, ocasionando erros que têm se mostrado custosos. A proposta desta dissertação consiste em estudar os sistemas subterrâneos através de ferramentas computacionais e desenvolver um sistema inteligente que auxilie com a precisão de localização de faltas subterrâneos de distribuição de energia elétrica / Abstract: With the modernization of society and the great technological growth in the last years, it is hard to imagine the absence of electric power nowadays, because everything depends on energy to work. Electricity is fundamental to all sectors of society: residential, commercial and industrial. The quality supply is also very important, since quality guarantees the correct functioning of all processes performed in a daily basis. However, no system is immune to the occurrence of faults. Therefore, a good monitoring of these faults is necessary for more efficient correction adjustments. In addition, the growing environmental concerns make the power utilities to find better ways to take energy to the population, through safer more reliable and also cheaper networks. The underground system has be found to be a good approach to improve safety, reliability and environmental features, but its installation is still very expensive when compared to conventional overhead systems. Like any system, the underground networks are subjects to defects. The correct fault localization (defect) in eletricity distribution underground networks is not a trivial task, it is not just due to a difficult system acess, the high cost of measurements of the parameters and the required expert analysis of the measured signals. These factors are source of errors that have proven costly. The purpose of this dissertation is to study underground system using computational tools and develop an intelligent system to accurately assist to locating of faults in underground cables of power distribution networks / Mestre

Banca: Silvio Ikuyo Nabeta / Banca: José Aquiles Baesso Grimoni / Banca: Edson da Costa Bortoni / Banca: Oscar Armando Maldonado Astorga / Banca: Guilherme Eugênio Filippo Fernandes Filho / Resumo:Em um ambiente cada vez mais competitivo, as empresas de distribuição de energia elétrica devem satisfazer dois objetivos conflitantes: minimizar os custos de investimento e atender as metas de continuidade. A reconfiguração de sistemas de distribuição é uma técnica que se adapta a esse novo ambiente, pois permite a melhora de índices de confiabilidade apenas com a abertura e o fechamento de chaves, sem o ônus da aquisição de novos equipamentos. Devido à natureza de explosão combinatória do problema, na solução são empregados métodos metaheurísticos, que convergem para soluções ótimas ou quase ótimas, mas com um elevado esforço computacional. Como o objetivo principal deste trabalho é encontrar a(s) melhor(es) configuração(ões) do sistema de distribuição que apresentem os melhores índices de confiabilidade, a função objetivo utilizada para as metaheurísticas é minimizar o LOLC - Loss Of Load Cost (Custo da Perda de Carga), que está associado tanto com o número quanto a duração das interrupções de energia. Várias técnicas metaheurísticas são testadas, sendo que a Busca Tabu se mostrou a mais adequada para resolver o problema proposto. Para caracterizar computacionalmente o problema da reconfiguração das chaves foi desenvolvido um modelo vetorial (com números inteiros) da representação das chaves, onde cada chave normalmente aberta está associada a um grupo de chaves normalmente fechadas. Neste modelo foram introduzidas simplificações, para reduzir o tempo computacional, e restrições, para excluir soluções que não fornecem energia para algum ponto do sistema. Para verificar se existe violação nos critérios de tensão e carregamento é realizado um estudo de fluxo de potência para as dez melhores soluções encontradas ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In an ever more competitive environment, power distribution companies must satisfy two conflicting objectives: minimizing investment costs and the satisfaction of reliability targets. The network reconfiguration of a distribution system is a technique that well adapts to this new deregulated environment for it allows improvement of reliability indices only opening and closing switches, without the onus involved in acquiring new equipment. Due to combinatorial explosion problem characteristic, in the solution are employed metaheuristics methods, which converge to optimal or quasi-optimal solutions, but with a high computational effort. As the main objective of this work is to find the best configuration(s) of the distribution system with the best levels of reliability, the objective function used in the metaheuristics is to minimize the LOLC - Loss Of Load Cost, which is associated with both, number and duration of electric power interruptions. Several metaheuristics techniques are tested, and the tabu search has proven to be most appropriate to solve the proposed problem. To characterize computationally the problem of the switches reconfiguring was developed a vector model (with integers) of the representation of the switches, where each normally open switch is associated with a group of normally closed switches. In this model simplifications have been introduced to reduce computational time and restrictions were made to exclude solutions that do not supply energy to any load point of the system. To check violation of the voltage and loading criteria a study of power flow for the ten best solutions is performed. Also for the ten best solutions a reliability evaluation using Monte Carlo sequential simulation is performed, where it is possible to obtain the probability distributions of the indices and thus calculate the risk of ... (Complete abstract click eletronic access below)

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.

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.