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The thesis addresses electronic power distribution systems for the residential applications. Presented are both, renewable energy ac-nanogrid system along with the vehicle-to-grid technology implementation, and envisioned structure and operation of dc-nanogrid addressing all system components chosen as an inherent part of the future electrical architecture. The large-scale model is built and tested in the laboratory environment covering a few operational modes of the ac-nanogrid, while later in the thesis is shown how dc bus signaling technique could be contemplated for the energy management of the renewable energy sources and their maximal utilization. Thesis however puts more focus on the dc-nanogrid system to explore its benefits and advantages for the electrical systems of the future homes that can easily impact not only residential, but also microgrid, grid and intergrid levels. Thus, presented is low frequency terminal behavioral modeling of the system components in dc-nanogrid motivated by the fact that system engineers working on the system-level design rarely have access to all the information required to model converters and system components, other than specification and data given in the datasheets. Using terminal behavioral modeling, converters are measured on-line and their low frequency dynamics is identified by the means of the four transfer functions characteristically used in two port network models. This approach could significantly improve system-level design and simulations. In addition to previously mentioned, thesis addresses terminal behavioral modeling of dc-dc converters with non-linear static behavior showing hybrid behavioral models based on the Hammerstein approach. / Master of Science

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.

Este presente trabalho visa fornecer novas ferramentas para a análise de índices de qualidade no âmbito do planejamento agregado de investimentos em sistemas de distribuição primária. O planejamento agregado de investimentos representa uma metodologia de previsão de investimentos em Sistemas de Distribuição de uma empresa, que utiliza a análise estatística e classificação de rede em famílias para representação da rede, considera aspectos de incertezas e critérios de priorização de obras, em função dos recursos disponíveis, e informa o tipo de obra a ser realizada e o montante de investimentos necessário por tipo de obra. Este trabalho procura complementar o modelo através da análise técnica dos índices de qualidade, quantificando-se os benefícios obtidos ao longo do horizonte de estudo, através de um sistema computacional que, baseado nos resultados dos representantes dos grupos de redes, determina os índices técnicos para tais representantes, para as regionais definidas e para todo o sistema, possibilitando a análise gerencial da evolução da rede elétrica. Também foi desenvolvida ferramenta que permite a determinação do Custo Incremental Médio de Longo Prazo (CIMLP) e do Custo Marginal do sistema de média tensão, englobando subestações de distribuição e circuitos primários do sistema elétrico. O trabalho é finalizado com o estudo de um caso de planejamento de uma área de concessão de uma empresa fictícia, onde são executados os processamentos e analisados os resultados técnicos, de custos e de qualidade. / This work aims at developing new tools for the analysis of quality of supply indices regarding long term investment planning of primary electric power distribution systems. Investment planning in aggregated basis represents a established methodology for estimating future investments in all distribution systems of a utility, by using statistic and clustering analysis to represent the overall network through groups of elementary distribution systems. The methodology also considers uncertainty and makes use of a number of criteria to prioritize new facilities to be incorporated into the system, taking into account financial constraints. For each new facility the system determines costs and corresponding benefits. This dissertation complements such model through the introduction and analysis of various quality of supply indices, helping the planner engineer to assess all benefits related to a given investment plan. The developed computational system is based on the results obtained for each elementary distribution system. It then evaluates global and regional technical indices, that allows for important managerial analysis concerning the system expansion. The computational system also evaluates the average long range incremental and the marginal costs associated with a specific investment plan, thus taking into account new facilities concerning substations and network feeders. A case study considering a fictitious distribution company and its overall system illustrates the tools developed, showing all potential studies and decision making capabilities which were made available during this research work.

Este presente trabalho visa fornecer novas ferramentas para a análise de índices de qualidade no âmbito do planejamento agregado de investimentos em sistemas de distribuição primária. O planejamento agregado de investimentos representa uma metodologia de previsão de investimentos em Sistemas de Distribuição de uma empresa, que utiliza a análise estatística e classificação de rede em famílias para representação da rede, considera aspectos de incertezas e critérios de priorização de obras, em função dos recursos disponíveis, e informa o tipo de obra a ser realizada e o montante de investimentos necessário por tipo de obra. Este trabalho procura complementar o modelo através da análise técnica dos índices de qualidade, quantificando-se os benefícios obtidos ao longo do horizonte de estudo, através de um sistema computacional que, baseado nos resultados dos representantes dos grupos de redes, determina os índices técnicos para tais representantes, para as regionais definidas e para todo o sistema, possibilitando a análise gerencial da evolução da rede elétrica. Também foi desenvolvida ferramenta que permite a determinação do Custo Incremental Médio de Longo Prazo (CIMLP) e do Custo Marginal do sistema de média tensão, englobando subestações de distribuição e circuitos primários do sistema elétrico. O trabalho é finalizado com o estudo de um caso de planejamento de uma área de concessão de uma empresa fictícia, onde são executados os processamentos e analisados os resultados técnicos, de custos e de qualidade. / This work aims at developing new tools for the analysis of quality of supply indices regarding long term investment planning of primary electric power distribution systems. Investment planning in aggregated basis represents a established methodology for estimating future investments in all distribution systems of a utility, by using statistic and clustering analysis to represent the overall network through groups of elementary distribution systems. The methodology also considers uncertainty and makes use of a number of criteria to prioritize new facilities to be incorporated into the system, taking into account financial constraints. For each new facility the system determines costs and corresponding benefits. This dissertation complements such model through the introduction and analysis of various quality of supply indices, helping the planner engineer to assess all benefits related to a given investment plan. The developed computational system is based on the results obtained for each elementary distribution system. It then evaluates global and regional technical indices, that allows for important managerial analysis concerning the system expansion. The computational system also evaluates the average long range incremental and the marginal costs associated with a specific investment plan, thus taking into account new facilities concerning substations and network feeders. A case study considering a fictitious distribution company and its overall system illustrates the tools developed, showing all potential studies and decision making capabilities which were made available during this research work.

Orientador: John Fredy Franco Baquero / Resumo: A presença de Geração Distribuída (GD) no Sistema de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) tem se incrementado nos últimos anos devido a mudanças na regulação e a incentivos governamentais, proporcionando benefícios técnicos e econômicos. Em particular, é esperado que a GD renovável (eólica ou solar) seja integrada adequadamente no SDEE, visando contribuir na redução de emissões de gases de efeito estufa. Entretanto, a presença da GD renovável, junto com suas inerentes incertezas, aumenta a complexidade no planejamento do SDEE. Diante do exposto, neste trabalho propõe-se um modelo de programação estocástica de dois estágios para o problema de planejamento da expansão do SDEE multi-período. As incertezas da geração renovável (associadas à irradiação solar e velocidade do vento) e demanda são representadas por meio de cenários. A função objetivo minimiza o valor presente líquido dos investimentos (subestações, circuitos, e alocação de GD), custo da energia, manutenção e operação, assim como o custo das emissões de CO2. A operação das unidades de GD é representada limitando a potência ativa/reativa que pode ser injetada segundo as curvas de capabilidade e restrições de fator de potência. O modelo proposto foi implementado na linguagem de modelamento AMPL e resolvido com o solver CPLEX. Testes utilizando um SDEE de 24 e 54 nós comprovam a eficiência do modelo. / Abstract: The presence of Distributed Generation (DG) in Electrical Distribution Systems (EDSs) has been increased in recent years due to changes in regulation and government incentives, leading to technical and economic benefits. In particular, renewable DG (wind or solar power) is expected to be properly integrated into the EDS, aiming to contribute to the reduction of greenhouse gas emissions. However, the presence of renewable DG, along with its inherent uncertainties, increases the complexity in the planning of the EDS. In this context, this work proposes a two-stage stochastic programming model for the problem of EDSs expansion planning. The uncertainties of renewable generation (associated with solar irradiation and wind speed) and demand, are represented through scenarios. The objective function minimizes the net present value of investments (substations, circuits, and DG allocation), energy cost, maintenance and operation, as well as the cost of CO2 emissions. The operation of the DG units is represented by limiting the active/reactive power that can be injected according to capability curves and power factor constraints. The proposed model was implemented in the modeling language AMPL and solved with the solver CPLEX. Tests using a 24 and 54-nodes EDS prove the efficiency of the proposed model. / Mestre

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.

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.