Este projeto de pesquisa propõe desenvolver um novo modelo e uma nova abordagem para a resolução do problema da otimização Volt/VAr em redes de distribuição de energia elétrica. A otimização Volt/VAr consiste em, basicamente, determinar os ajustes das variáveis de controle tais como bancos de capacitores chaveados, transformadores com comutação de tap sob carga e reguladores de tensão, de modo a satisfazer, simultaneamente, as restrições de carga e de operação para um dado objetivo operacional. Esse problema, matematicamente, foi formulado como um problema de programação não linear, multiperíodo, e com variáveis contínuas e discretas. Algoritmos de programação não linear foram utilizados com o intuito de aproveitar as vantagens das matrizes altamente esparsas montadas ao longo do método de solução. Para utilizar tais algoritmos, as variáveis discretas são tratadas como contínuas por meio da utilização de funções senoidais que penalizam a função objetivo do problema original enquanto estas não convergirem para algum dos pontos pré-definidos no seu domínio. O caráter multiperíodo do problema, contudo, refere-se à consideração de uma restrição que relaciona os ajustes das variáveis de controle para sucessivos intervalos de tempo na medida em que limita o número de operações de chaveamento desses dispositivos para um período de 24-horas. O estudo fundamenta-se, metodologicamente, em métodos do tipo Primal-Dual Barreira-Logarítmica. Para demonstrar a eficiência do modelo proposto e a robustez dessa abordagem, a partir de dados teóricos obtidos de levantamentos bibliográficos, testes foram realizados em sistemas-teste de 10, 69 e 135 barras, e em um sistema de 442 barras do noroeste do Reino Unido. As implementações computacionais foram feitas nos softwares MATLAB, AIMMS e GAMS, utilizando o solver IPOPT como método de solução. Os resultados mostram que a abordagem proposta para a resolução do problema de programação não linear é eficaz para tratar adequadamente todas as variáveis presentes em problemas de otimização Volt/VAr. / This work proposes a new model and a new approach for solving the Volt / VAr optimization problem in distribution systems. The Volt/VAr optimization consists, basically, to determine the settings of the control variables of switched capacitor banks, on-load tap changer transformers and voltage regulators, in order to satisfy both the load and operational constraints, to a given operational objective. The problem is formulated as a nonlinear programming problem, multiperiod, and with continuous and discrete variables. Nonlinear programming algorithms were used in order to take advantage of the highly sparse matrices built along the solution method. The discrete variables are treated as continuous along the solution method by means of the use of sinusoidal functions that penalize the original objective function while the control variables do not converge to any of the predefined discrete points in its domain. The multiperiod, or dynamic, characteristic of the problem, however, refers to the use of a constraint that relates the settings of the control variables for successive time intervals that limits the control devices switching operations number for a period of 24-hours. The study is based, methodologically, on Primal-Dual Logarithmic Barrier method. To demonstrate the effectiveness of the proposed model and the robustness of this approach, the data were obtained from theoretical literature surveys, and tests were performed on test-systems of 10, 69 and 135 buses, and in a 442 buses located in the Northwest of the United Kingdom. The computational implementation was accomplished in the softwares MATLAB, AIMMS and GAMS, using the IPOPT solver as solution method. The results have shown the approach for solving nonlinear programming problems is effective to appropriate cope with all the variables presented in Volt/VAr optimization problems.

Ser eficiente é um requisito para a sustentabilidade das empresas concessionárias de distribuição de energia elétrica no Brasil. A busca pela eficiência deve estar em harmonia com a melhoria contínua da qualidade, da segurança e da satisfação dos consumidores e das partes envolvidas. O desafio de atender múltiplos objetivos requer que as empresas do setor desenvolvam soluções inovadoras, com a mudança de processos, tecnologia, estrutura e a capacitação das pessoas. Desenvolver um modelo operacional eficiente e uma gestão rigorosa dos custos são fatores-chave para o sucesso das empresas, considerando o contexto regulatório de revisão tarifária que incentiva a melhoria do desempenho. O modelo operacional é definido a partir da organização logística dos recursos para atendimento da demanda de serviços, que define também os custos fixos e variáveis de pessoal (salário, horas extras, refeições), infraestrutura (manutenção de prédios, ferramentas e equipamentos) e deslocamentos (manutenção de veículos, combustível), por exemplo. A melhor alocação e o melhor dimensionamento de bases operacionais possibilitam a redução dos custos com deslocamento e infraestrutura, favorecendo o aproveitamento da força de trabalho em campo, a melhoria do atendimento dos clientes e da segurança dos colaboradores. Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização de custos através da alocação de bases e equipes operacionais, com o modelamento matemático dos objetivos e restrições do negócio e a aplicação de algoritmo evolutivo para busca das melhores soluções, sendo uma aplicação de Pesquisa Operacional, no campo da Localização de Instalações, em distribuição de energia elétrica. O modelo de otimização desenvolvido possibilita a busca pelo ponto de equilíbrio ótimo que minimiza o custo total formado pelos custos de infraestrutura, frota (veículos e deslocamentos) e pessoal. O algoritmo evolutivo aplicado no modelo oferece soluções otimizadas pelo melhoramento de conjuntos de variáveis binárias com base em conceitos da evolução genética. O modelo de otimização fornece o detalhamento de toda a estrutura operacional e de custos para uma determinada solução do problema, utilizando premissas de produtividade e deslocamentos (velocidades e distâncias) para definir as abrangências de atuação das bases operacionais, recursos (equipes, pessoas, veículos) necessários para atendimento da demanda de serviços, e projetar todos os custos fixos e variáveis associados. A metodologia desenvolvida neste trabalho considera também a projeção de demanda futura para a aplicação no estudo de caso, que evidenciou a efetividade da metodologia como ferramenta para a melhoria da eficiência operacional em empresas de distribuição de energia elétrica. / Being efficient is a requirement for the sustainability of electricity distribution companies in Brazil. The quest for efficiency must be in harmony with the continuous improvement of quality, safety and satisfaction of customers and all stakeholders involved. The challenge of attending multi-objectives requires companies in the sector to develop innovative solutions with the change of processes, technology, structure and enabling their professionals to drive this. Developing an efficient operational model and a strict cost management are keys for companies to achieve success, considering the regulatory context of tariff reviewing that encourages performance improvement. The operational model is defined from the logistics organization of resources to meet the demand of services, which also defines fixed and variable costs with people/teams (payments, overtime, meals), infrastructure (maintenance of building, tools and equipments) and fleet (maintenance of vehicles and fuel costs), for example. The best allocation and the best design of operational facilities (or operational bases) will reduce infrastructure costs and truck rolls, releasing workforce to attend customers and reducing displacements risks. This work presents a cost optimization methodology through the allocation of operational bases and teams, with the mathematical modelling of business objectives, constraints and using Evolutionary Algorithm to find the best solution, as an application of Operations Research in the field of Facility Location in electricity distribution. The optimization model enables the search for the optimal balance point that minimizes the total cost formed by infrastructure, fleet and people. The Evolutionary Algorithm applied in the model offers optimized solutions through the improvement of sets of binary variables based on genetic evolution concepts. The optimization model also gives detailed information about the operational structure and costs for a given allocation solution, using productivity and displacements (speed, distances) information to define the service regions for each operational base and resources (people, vehicles) needed to attend the demand of services, defining all fixed and variable costs for this. The methodology presented in this paper also considers the future demand of services (forecast), used in a case study that showed the effectives of this methodology as a tool for the improvement of operational efficiency in electricity distribution companies.

As redes secundárias de distribuição são item de extrema importância no processo de levar a energia produzida de uma fonte até o consumidor final. Dentro de uma Empresa Concessionária de Distribuição de Energia Elétrica o setor de planejamento, juntamente com o grupo técnico, deve realizar o planejamento dos investimentos necessários nos níveis de alta, média e baixa tensão, sendo que para a baixa tensão (redes secundárias de distribuição), normalmente utilizam-se os dados históricos e a média de investimentos dos últimos anos (de três a cinco últimos anos). Em geral não são encontrados nestas Empresas os cadastramentos das redes secundárias de distribuição ou então, quando estes existem, muitas vezes não são confiáveis. Neste ponto, esta dissertação de mestrado apresentará, aplicará e discutirá os resultados de uma metodologia de geração de redes secundárias de distribuição a partir dos dados das redes primárias de distribuição (média tensão) e dos ativos da Empresa, tendo como foco os investimentos necessários para estas dentro do planejamento agregado de investimentos. O trabalho proposto visa criar condições para que as Empresas enquadradas na situação anterior possam realizar o seu planejamento de baixa tensão valendo-se da aplicação de uma metodologia capaz de gerar tais redes. Uma vez criadas, tais redes serão inseridas dentro de um software de planejamento agregado de investimentos que fornecerá o valor total das aplicações necessárias para os próximos dez anos (planejamento decenal – longo prazo). Ao final do processo, poderá ser observado que os resultados obtidos são muito próximos dos valores esperados para as redes secundárias reais e, com isto, a dissertação discutirá como a metodologia foi implementada, os detalhes da aplicação e, até mesmo, todo o processo de planejamento para três Empresas Concessionárias de Distribuição de Energia Elétrica. Já de posse dos resultados, poderá afirmar-se que o processo produziu valores de muito boa aderência e, assim, os investimentos obtidos para as redes secundárias poderão ser aceitos pelo grupo de planejamento da Empresa. Como conseqüência dos valores de investimentos obtidos para os dez anos, poderão ser observados ainda, guardadas algumas considerações especiais, os valores dos custos marginais de baixa tensão, item de grande importância no planejamento de redes de distribuição. / The low voltage distribution networks are an item of extreme importance in the process of delivering the produced energy from a plant (supply) to the final consumer. In an Electric Power Distribution Company the planning group (sector), together with the technical group, must accomplish the planning of the necessary investments in the high voltage, medium voltage and low voltage levels, and for low voltage distribution networks, usually the historical data and the average of investments of the last years are used (from three to last five years). In general the databases of low voltage networks are not found in these Companies or then, when these exist, a lot of times they are not reliable. For this, this article will show, apply and discuss the results of a methodology for generating low voltage distribution networks starting from the database of the medium voltage distribution networks and of the assets of the Company, having as focus the necessary investments for these networks in planning of investments. The proposed work wishes to create conditions so that the Companies that are in the previous situation can accomplish their planning on low voltage distribution networks using a methodology capable to generate such nets. Once created, such nets will be inserted in a software of planning of investments that will supply the total amount of investments for them for the next ten years (long period planning). In the end of the process, it will be observed that the obtained results are very close to the expected values for the real low voltage distribution networks and, with this, the article will discuss how the methodology was implemented, the details of the application and, even, the whole planning process for three Electric Power Distribution Companies. With the results, it will be affirmed that the process produces values of very good adherence and, for this, the investments obtained for low voltage distribution networks can be accepted by the planning group in the Company. As a consequence of the investments values obtained for the ten years, it will be able to be observed, kept some special considerations, the values of the marginal costs of low voltage, item of great importance in the planning of distribution networks.

Nos sistemas de distribuição de alta e média tensão tem-se aumentado a utilização de linhas de distribuição de energia subterrâneas ou cabos subterrâneos. A ocorrência de faltas nas linhas afeta negativamente a qualidade da energia e o correto funcionamento da rede. O processo que leva a uma falta nos cabos é gradual e está caracterizado por uma série de subciclos de faltas incipientes associadas a uma tensão de arco. Estas, muitas vezes, passam despercebidas e, eventualmente, resultam em uma falta permanente. Os métodos clássicos de localização de faltas como as metodologias baseadas no cálculo da impedância aparente, as baseadas na inteligência artificial e as baseadas nas ondas viajantes são, habitualmente, aplicadas ao sistema depois de uma falta permanente acontecer e precisam de um ou mais ciclos do sinal para entregar uma resposta razoável. No entanto, as faltas nos cabos são um processo gradual, de curta duração (entre ¼ e ½ ciclo do sinal) e seria desejável localizar a falta incipiente antes de tornar-se permanente. Nesse contexto, esta pesquisa aborda o problema de localização de faltas incipientes. Assim, nesta tese propõe-se uma nova técnica de localização de faltas incipientes usando medições em um terminal, no domínio do tempo e que utiliza componentes de fase. Desta forma, são desenvolvidas duas novas formulações do modelo elétrico do sistema de distribuição com cabos subterrâneos durante uma falta incipiente. A abordagem proposta considera simultaneamente na sua formulação características da falta incipiente e dos sistemas de distribuição de energia, como a tensão de arco, o modelo Π nominal de parâmetros concentrados do cabo subterrâneo, o desequilíbrio do sistema e a condição da carga. A estimativa da distância da falta, junto com os parâmetros da falta incipiente, é obtida a partir da solução de um sistema sobredeterminado de equações lineares pela aplicação do método de mínimos quadrados ponderados não negativos. As formulações propostas permitem estimar a distância da falta em termos da reatância da linha até a falta. Além disso, é proposto um processo de compensação de corrente para estimar a corrente de falta; é aplicado um pré-processamento dos dados de entrada para suavizar o efeito do ruído que pode conter o sinal e, é aplicado um pós-processamento dos resultados para refinar e entregar a melhor estimativa obtida durante o processo de localização da falta. O desempenho da técnica proposta é avaliado mediante estudos de casos simulados em um circuito real de distribuição no Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considerando análises de sensibilidade e comparativa. Também, o modelo da falta incipiente foi programado utilizando a ferramenta de MODELS do ATP/EMTP. Os resultados obtidos, considerando faltas incipientes simuladas que avaliam a influência da variação da magnitude de tensão de arco, do ruído aleatório inserido na tensão de arco, da distância da falta, da taxa de amostragem, do carregamento do sistema, do modelo de tensão de arco e de incertezas nas medições, indicam claramente que a abordagem proposta possui validade como técnica de localização de faltas incipientes, apresentando erros médios globais de 1,60% e 0,93%, respectivamente para cada formulação proposta. / The use of underground power distribution lines or underground cables in the high and medium voltage distribution systems has increased dramatically in recent years. The fault occurrence in the distribution lines negatively affects the power quality and the correct network operation. The process which leads to a fault in underground cables is gradual and is characterized by a series of sub-cycles of incipient faults associated with an arc voltage. These often are unnoticed and, eventually, results in a permanent fault. Classical fault localization methods such as the based-impedance, the based on artificial intelligent and the based on traveling waves are, usually, applied to the system after a permanent fault occurrence and need one or more signal cycles for providing a reasonable response. However, the faults in cables are a gradual process, with short duration (between ¼ to ½ of signal cycle) and would be desirable to locate the fault before this becomes a permanent fault. In this context, this research approaches the incipient faults location problem. Thus, in this thesis is proposed a new incipient fault location technique using single-end terminal measurement, in time-domain and employing phase components. In this way, two new formulations of the electrical model of the distribution system with underground cables during an incipient fault are developed. The proposed approach considers simultaneously in its formulation, incipient fault type and power distribution systems characteristics as arc voltage, unbalanced operation, load conditions and complete line model. The fault distance estimation, together with the incipient fault parameters, it is obtained from the solution of an overdetermined linear system of equations by the application of the non-negative weighted least squares estimator method. The proposed formulations allow estimating the fault distance in terms of the line reactance up to the fault. In addition, a load current compensation strategy is proposed to reduce its effect in the fault current estimation; an input data pre-processing is applied to smooth out the noise effect and a post-processing of the results is performed for estimation refinement and to provide the best estimate obtained during the fault location process. The proposed technique performance is evaluated through simulated cases studies in a real-life distribution network with underground cable data in the Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considering sensitivity and comparative analyzes. Also, the fault model was programmed using the MODELS tool of ATP/EMTP. The obtained results, considering simulated incipient faults, which evaluate the influence of variations in the arc voltage magnitude, random noise percentage inserted in the arc voltage, fault distance, sampling rate, load dynamics, the arc voltage model and uncertainties in measurements, indicate clearly that the proposed approach is valid as incipient faults location technique, showing overall average errors of 1,60% and 0,93%, respectively for each proposed formulation.

Problemas ocasionados por perturbações na qualidade da energia elétrica (QEE) podem provocar sérios prejuízos, tanto de cunho social, quanto financeiros, aos clientes conectados ao sistema elétrico de potência como um todo. Neste contexto, os clientes que mais sofrem são os clientes industriais, pois estes possuem cargas sensíveis a vários distúrbios associados à falta da QEE. Sendo assim, para adoções de medidas preventivas, ou corretivas, que melhorem os índices de QEE, faz-se necessário um monitoramento dos sistemas elétricos que permita um melhor acompanhamento da ocorrência dos distúrbios. Nesta pesquisa é proposta a modelagem do problema de alocação ótima de monitores de QEE em sistemas de distribuição com múltiplos objetivos, os quais são: minimização do custo do monitoramento, minimização da ambiguidade topológica, maximização do monitoramento das cargas, maximização da quantidade de ramais monitorados, minimização da quantidade de afundamentos não monitorados, e maximização da redundância do monitoramento dos afundamentos. Na resolução do problema foi utilizado o Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo com Tabelas (AEMT), adotado por ter boa capacidade de resolução com muitos objetivos. Os resultados obtidos permitiram observar que o AEMT forneceu as fronteiras de Pareto com soluções diversificadas e bem distribuídas ao longo da mesma, mostrando-se de grande relevância para o planejamento de sistemas de monitoramento da QEE em sistemas de distribuição de energia. A principal contribuição desta tese é o fornecimento de um modelo que permite às empresas de energia avaliar os investimentos que farão nos seus sistemas de monitoramento considerando seis critérios distintos, permitindo uma maior flexibilidade no estabelecimento do plano de monitoramento e uma melhor análise do custo/benefício considerando os seis aspectos abordados. / Problems arising from disturbances in power quality (PQ) can cause serious damage, both social, and financial, to customers connected to the electrical power distribution systems as a whole. In this context, the customers who suer most are industrial customers, as they have loads sensitive to various disturbances associated with the lack of PQ. Thus, in order to adopt preventive or corrective measures to improve PQ rates, it is necessary to monitor electrical systems to allow better oversight of the occurrence of disturbances. In this research, the proposal is to model the problem of optimal allocation of power quality monitors in distribution systems with multiple objectives. The multiple objectives are: minimizing the monitoring cost, minimizing ambiguities in topology, maximizing the load monitoring, maximizing the area monitoring, minimizing the voltage sag unmonitored, and maximizing the redundancy in the sag monitoring. In solving the problem, a Multiobjective Evolutionary Algorithm with Tables (MEAT) was adopted due to ability to deal with many objectives. The results show that the AMET finds a set of ecient solutions that are diversified and well-distributed along the Pareto Front, and that they are highly relevant for planning of PQ monitoring systems in electrical power distribution systems. The main contribution of this thesis is to provide a model that allows utilities better evaluate investments that they will make in their monitoring systems comprising six dierent criteria, allowing greater flexibility in establishing the monitoring plan and a better analysis of cost/benefit considering the six aspects.

Nesta tese de doutorado, a estabilidade a pequenas perturbações é estudada sob a ótica dos sistemas de distribuição de energia elétrica com geradores síncronos distribuídos. Duas peculiaridades específicas destes sistemas são abordadas: o desequilíbrio da carga e da rede e a proximidade das cargas aos geradores. Em relação ao primeiro tópico, duas abor dagens são propostas para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações em sistemas com desequilíbrio da carga, uma delas baseada na estimação modal a partir de dados obtidos através de medições ou simulações no domínio do tempo, e a outra baseada na modelagem fasorial do sistema com desequilíbrio da carga e posterior linearização do sistema algébrico-diferencial não-linear obtido. Em relação ao segundo tópico, constatam-se nesta tese que as oscilações eletromecânicas podem induzir certos fenômenos de qualidade de energia, notadamente as flutuações de tensão. Nesta tese, uma estrutura é proposta e critérios são definidos para o estudo destas flutuações induzidas por problemas tipicamente relacionados à estabilidade, considerando o estudo de perturbações isoladas e também o estudo estatístico de perturbações. Através desta análise, é proposto também um procedimento de projeto de controladores de amortecimento com critérios bem definidos para auxiliar na mitigação destas flutuações de tensão induzidas por oscilações eletromecânicas. Tal procedimento de projeto é complementar aos índices de desempenho do sistema dinâmico tipicamente utilizados para o projeto destes controladores em sistemas de transmissão. Os significativos avanços em ambos os tópicos abordados abriram um vasto campo de trabalho a ser estudado do ponto de vista da estabilidade a pequenas perturbações de sistemas de distribuição com geradores síncronos distribuídos. / In this thesis, the small-signal stability is studied from the perspective of power distribution systems with distributed synchronous generators. Two specific peculiarities of these systems are addressed: the load and network unbalance, and the proximity of loads to generators. Regarding the first topic, two approaches are proposed to the small-signal stability study of power systems with load unbalance, one based on modal estimation through data obtained from measurements or time-domain simulations, and another one based on a phasorial model of the system with load unbalance and later linearization of the differential-algebraic nonlinear system obtained. Regarding to the second topic, it is observed in this thesis that electromechanical oscillations can induce certain power quality phenomena, notably voltage fluctuations. In this thesis, a structure is proposed and criteria are defined to the study of these fluctuations induced by typical stability problems, considering the study of isolated perturbations and also the statistical study of perturbations. Through this analysis, a procedure for the design of power system stabilizers with clearly defined criteria is also proposed to assist in mitigating the voltage fluctuations induced by electromechanical oscillations. This design procedure is complementary to the stability criteria currently used in the design of power system stabilizers for power transmission systems. The significant advances in both studied topics have also opened a large research field related to the small-signal stability of power distribution systems with distributed synchronous generators.

Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Resumo: Neste trabalho propõem-se formulações matemáticas e metodologias para resolver o problema de planejamento da expansão e operação de sistemas de distribuição de energia elétrica de longo prazo com instalação de geração distribuída despachável, renovável e dispositivos armazenadores de energia, considerando as incertezas nos parâmetros e variáveis envolvidas no comportamento do sistema. No modelo de otimização desenvolvido considera- se uma formulação com espaço de busca convexo como um problema de programação cônica inteira de segunda ordem. Como primeira metodologia de solução para o modelo matemático proposto, usam-se solvers de otimização comerciais através de linguagem de programação matemática. Em segundo lugar é proposta a técnica de otimização meta-heurística VND combinada com um solver de otimização para resolver o modelo de otimização desenvolvido. Os algoritmos e modelos matemáticos de otimização usados para resolver o planejamento de sistemas de distribuição são implementados em AMPL e testados em sistemas presentes na literatura. Finalmente são comparadas as metodologias segundo a solução obtida e desempenho em tempo computacional. / Abstract: This work proposes mathematical formulations and methodologies to solve the long-term electric power distribution system operation and expansion planning with distributed renewable energy sources and energy storage devices, considering the uncertainties in the involved parameters and variables in the system behavior. In the developed optimization model, a convex formulation is considered as integer second-order conic programming problem. The first solution methodology for the proposed mathematical model, the commercial optimization solvers that uses mathematical modelling language is used. In the second way, the VND meta-heuristic optimization technique is proposed combined with the optimization solver to analyze the obtained solutions of the search through optimal neighborhoods. The mathematical optimization model and the proposed algorithm used to solver the planning of distribution systems are implemented in AMPL and tested in literature’s systems. Finally, the methodologies according to the obtained solution and computational time performance are compared. / Doutor

Este projeto de pesquisa propõe desenvolver um novo modelo e uma nova abordagem para a resolução do problema da otimização Volt/VAr em redes de distribuição de energia elétrica. A otimização Volt/VAr consiste em, basicamente, determinar os ajustes das variáveis de controle tais como bancos de capacitores chaveados, transformadores com comutação de tap sob carga e reguladores de tensão, de modo a satisfazer, simultaneamente, as restrições de carga e de operação para um dado objetivo operacional. Esse problema, matematicamente, foi formulado como um problema de programação não linear, multiperíodo, e com variáveis contínuas e discretas. Algoritmos de programação não linear foram utilizados com o intuito de aproveitar as vantagens das matrizes altamente esparsas montadas ao longo do método de solução. Para utilizar tais algoritmos, as variáveis discretas são tratadas como contínuas por meio da utilização de funções senoidais que penalizam a função objetivo do problema original enquanto estas não convergirem para algum dos pontos pré-definidos no seu domínio. O caráter multiperíodo do problema, contudo, refere-se à consideração de uma restrição que relaciona os ajustes das variáveis de controle para sucessivos intervalos de tempo na medida em que limita o número de operações de chaveamento desses dispositivos para um período de 24-horas. O estudo fundamenta-se, metodologicamente, em métodos do tipo Primal-Dual Barreira-Logarítmica. Para demonstrar a eficiência do modelo proposto e a robustez dessa abordagem, a partir de dados teóricos obtidos de levantamentos bibliográficos, testes foram realizados em sistemas-teste de 10, 69 e 135 barras, e em um sistema de 442 barras do noroeste do Reino Unido. As implementações computacionais foram feitas nos softwares MATLAB, AIMMS e GAMS, utilizando o solver IPOPT como método de solução. Os resultados mostram que a abordagem proposta para a resolução do problema de programação não linear é eficaz para tratar adequadamente todas as variáveis presentes em problemas de otimização Volt/VAr. / This work proposes a new model and a new approach for solving the Volt / VAr optimization problem in distribution systems. The Volt/VAr optimization consists, basically, to determine the settings of the control variables of switched capacitor banks, on-load tap changer transformers and voltage regulators, in order to satisfy both the load and operational constraints, to a given operational objective. The problem is formulated as a nonlinear programming problem, multiperiod, and with continuous and discrete variables. Nonlinear programming algorithms were used in order to take advantage of the highly sparse matrices built along the solution method. The discrete variables are treated as continuous along the solution method by means of the use of sinusoidal functions that penalize the original objective function while the control variables do not converge to any of the predefined discrete points in its domain. The multiperiod, or dynamic, characteristic of the problem, however, refers to the use of a constraint that relates the settings of the control variables for successive time intervals that limits the control devices switching operations number for a period of 24-hours. The study is based, methodologically, on Primal-Dual Logarithmic Barrier method. To demonstrate the effectiveness of the proposed model and the robustness of this approach, the data were obtained from theoretical literature surveys, and tests were performed on test-systems of 10, 69 and 135 buses, and in a 442 buses located in the Northwest of the United Kingdom. The computational implementation was accomplished in the softwares MATLAB, AIMMS and GAMS, using the IPOPT solver as solution method. The results have shown the approach for solving nonlinear programming problems is effective to appropriate cope with all the variables presented in Volt/VAr optimization problems.

A conexão de geradores distribuídos em sistemas de distribuição deve ser cuidadosamente avaliada para que os mesmos auxiliem efetivamente na melhoria do desempenho das redes elétricas, buscando reduzir ou eliminar eventuais situações que causem a degradação da qualidade da energia elétrica fornecida aos consumidores, entre outros aspectos. Neste contexto, existem vários trabalhos que analisam a influência da conexão de geradores distribuídos no perfil de tensão da rede elétrica, frequência, desequilíbrio de fases e distorção harmônica. No entanto, há poucos trabalhos analisando os efeitos da desconexão de geradores distribuídos na qualidade da energia fornecida aos consumidores. Uma vez operando em paralelo com a rede de distribuição, esses geradores influenciam o perfil de tensão e o comportamento dos dispositivos reguladores de tensão. Como consequência, sua desconexão pode provocar variações de tensão intensas causando danos ou mau funcionamento às cargas. A desconexão pode ser repentina ou devido à atuação da proteção anti-ilhamento, seguida dos procedimentos de religamento automático do alimentador, se houver. Visando estudar este problema, o qual tende a se tornar uma nova preocupação das concessionárias de energia elétrica, e no intuito de minimizar e/ou eliminar os possíveis efeitos negativos dessas variações de tensão, esta pesquisa propõe o desenvolvimento de um método de controle dos taps dos reguladores de tensão. Neste método, o controle dos taps foi modelado como um problema de otimização, minimizando as violações de tensão mencionadas anteriormente e também a quantidade de operações dos reguladores de tensão ao longo de um dia típico. A otimização foi solucionada com um Algoritmo Genético e os resultados obtidos indicaram que é possível minimizar as variações de tensão usando a curva de carga do sistema para planejar a operação dos reguladores de tensão. / The connection of distributed generators in an electric power system should be evaluated carefully to ensure that they effectively assist in improving the performance of electrical networks, reducing or eliminating any situations that cause degradation of the power quality of the consumers, and other issues. In this context, there are several studies that analyze the influence of generators connected to distribution systems and how they affect the frequency, cause variations in voltage magnitude, voltage unbalance and harmonic distortion. However, there are a few studies analyzing the effects that the disconnection of distributed generators induces to the power quality of consumers. Once operating in parallel with the distribution network, these generators have an effect on voltage variations and voltage regulator devices. As a result, disconnection can cause severe voltage variations causing damage or malfunction to the loads. The disconnection may be sudden or due to the action of anti-islanding protection, followed by the procedure to reconnect the substation, if it is possible. In order to study this problem, which tends to become a new power quality concern for electric utilities, and in order to minimize and / or eliminate the possible side effects of the voltage variations, this research proposes the development of a control method of voltage regulators\' taps. In this method, the control of taps was modeled as an optimization problem which aimed to minimize these voltage variations aforementioned and also the amount of voltage regulator operations over a typical day. The optimization was solved by a Genetic Algorithm and the results obtained demonstrate that it is possible to minimize the voltage variation by using the system load curve to plan the operation of voltage regulators.

As redes secundárias de distribuição são item de extrema importância no processo de levar a energia produzida de uma fonte até o consumidor final. Dentro de uma Empresa Concessionária de Distribuição de Energia Elétrica o setor de planejamento, juntamente com o grupo técnico, deve realizar o planejamento dos investimentos necessários nos níveis de alta, média e baixa tensão, sendo que para a baixa tensão (redes secundárias de distribuição), normalmente utilizam-se os dados históricos e a média de investimentos dos últimos anos (de três a cinco últimos anos). Em geral não são encontrados nestas Empresas os cadastramentos das redes secundárias de distribuição ou então, quando estes existem, muitas vezes não são confiáveis. Neste ponto, esta dissertação de mestrado apresentará, aplicará e discutirá os resultados de uma metodologia de geração de redes secundárias de distribuição a partir dos dados das redes primárias de distribuição (média tensão) e dos ativos da Empresa, tendo como foco os investimentos necessários para estas dentro do planejamento agregado de investimentos. O trabalho proposto visa criar condições para que as Empresas enquadradas na situação anterior possam realizar o seu planejamento de baixa tensão valendo-se da aplicação de uma metodologia capaz de gerar tais redes. Uma vez criadas, tais redes serão inseridas dentro de um software de planejamento agregado de investimentos que fornecerá o valor total das aplicações necessárias para os próximos dez anos (planejamento decenal – longo prazo). Ao final do processo, poderá ser observado que os resultados obtidos são muito próximos dos valores esperados para as redes secundárias reais e, com isto, a dissertação discutirá como a metodologia foi implementada, os detalhes da aplicação e, até mesmo, todo o processo de planejamento para três Empresas Concessionárias de Distribuição de Energia Elétrica. Já de posse dos resultados, poderá afirmar-se que o processo produziu valores de muito boa aderência e, assim, os investimentos obtidos para as redes secundárias poderão ser aceitos pelo grupo de planejamento da Empresa. Como conseqüência dos valores de investimentos obtidos para os dez anos, poderão ser observados ainda, guardadas algumas considerações especiais, os valores dos custos marginais de baixa tensão, item de grande importância no planejamento de redes de distribuição. / The low voltage distribution networks are an item of extreme importance in the process of delivering the produced energy from a plant (supply) to the final consumer. In an Electric Power Distribution Company the planning group (sector), together with the technical group, must accomplish the planning of the necessary investments in the high voltage, medium voltage and low voltage levels, and for low voltage distribution networks, usually the historical data and the average of investments of the last years are used (from three to last five years). In general the databases of low voltage networks are not found in these Companies or then, when these exist, a lot of times they are not reliable. For this, this article will show, apply and discuss the results of a methodology for generating low voltage distribution networks starting from the database of the medium voltage distribution networks and of the assets of the Company, having as focus the necessary investments for these networks in planning of investments. The proposed work wishes to create conditions so that the Companies that are in the previous situation can accomplish their planning on low voltage distribution networks using a methodology capable to generate such nets. Once created, such nets will be inserted in a software of planning of investments that will supply the total amount of investments for them for the next ten years (long period planning). In the end of the process, it will be observed that the obtained results are very close to the expected values for the real low voltage distribution networks and, with this, the article will discuss how the methodology was implemented, the details of the application and, even, the whole planning process for three Electric Power Distribution Companies. With the results, it will be affirmed that the process produces values of very good adherence and, for this, the investments obtained for low voltage distribution networks can be accepted by the planning group in the Company. As a consequence of the investments values obtained for the ten years, it will be able to be observed, kept some special considerations, the values of the marginal costs of low voltage, item of great importance in the planning of distribution networks.