Optimal transmission switching (OTS) enables us to remove selected transmission lines from service as a cost reduction method. A mixed integer programming (MIP) model has been proposed to solve the OTS problem based on the direct current optimal power flow (DCOPF) approximation. Previous studies indicated computational issues regarding the OTS problem and the need for a more accurate model. In order to resolve computational issues, especially in large real systems, the MIP model has been followed by some heuristics to find good, near optimal, solutions in a reasonable time. The line removal recommendations based on DCOPF approximations may result in poor choices to remove from service. We assess the quality of line removal recommendations that rely on DCOPF-based heuristics, by estimating actual cost reduction with the exact alternating current optimal power flow (ACOPF) model, using the IEEE 118-bus test system. We also define an ACOPF-based line-ranking procedure and compare the quality of its recommendations to those of a previously published DCOPF-based procedure. For the 118-bus system, the DCOPF-based line ranking produces poor quality results, especially when demand and congestion are very high, while the ACOPF-based heuristic produces very good quality recommendations for line removals, at the expense of much longer computation times. There is a need for approximations to the ACOPF that are accurate enough to produce good results for OTS heuristics, but fast enough for practical use for OTS decisions.

In this study, sound radiation and power flow characteristics of plates which constitute the bodies of common engineering applications like cars and household appliances are investigated. Three different vibro-acoustical measurement techniques are used in an integrated manner and results obtained are compared with those obtained from analytical models developed. Two-microphone sound intensity measurement with a probe utilizing side-by-side configuration is used to analyze the near-field radiation characteristics of a square steel plate excited by a shaker at its midpoint. Surface intensity is simultaneously measured on the plate with another probe consisting of a condenser microphone and an eddy-current non-contact displacement transducer to compare the results with those obtained from two-microphone sound intensity measurement. Surface intensity is also measured with a probe consisting of a condenser microphone and an accelerometer as an alternative configuration. Structural intensity is used to identify the power flow patterns on the plate. All measurements are repeated for externally damped configuration of the same plate and results are analyzed. Easily adoptable two distinct, lumped parameter models of the plate are developed to compute the sound power radiated by the structure. In these models, the plate is modeled by employing the pulsating sphere and vibrating piston as the elementary source types, alternatively. In the model employing vibrating piston in the baffle, results are obtained with and without mutual interaction among partitions. Results obtained from these models are compared with the experimental results. Error analysis is also conducted for all of the measurement techniques employed.

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Resumo: Neste trabalho são apresentados quatro métodos de otimização bio-inspirados, Colônia de Abelhas Artificiais, Otimização por Enxame de Partículas, Algoritmo dos Vagalumes e um híbrido aqui denominado por Bee – PSO, que combina particularidades dos outros três. Estes métodos são utilizados no ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores Proporcional-Integral e Suplementares de Amortecimento (Estabilizadores de Sistemas de Potência e o conjunto Unified Power Flow Controller – Power Oscillation Damping). O objetivo é inserir amortecimento adicional aos modos oscilatórios de baixa frequência e, consequentemente, garantir a estabilidade do sistema elétrico frente a pequenas perturbações. São considerados três cenários que englobam duas configurações de instalação dos controladores suplementares e duas condições de carregamento, uma fixa e outra variável. Uma formulação por injeções de corrente do dispositivo Unified Power Flow Controller é sugerida e incorporada ao Modelo de Sensibilidade de Corrente, utilizado para representar o sistema elétrico de potência. Análises estática e dinâmica foram realizadas nos sistemas teste Simétrico de Duas Áreas e New England para validar o modelo de injeções de corrente proposto para o Unified Power Flow Controller e determinar qual dos algoritmos apresentados é o mais eficiente no ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores. Dos resultados obtidos foi possível concluir que a versão híbrida proposta neste trabalho possui desempenho s... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work four bio-inspired optimization methods, Artificial Bee Colony, Particle Swarm Optimization, Firefly Algorithm, and a hybrid called Bee – PSO, which combines the characteristics of the other three are presented. These methods are used in the coordinated adjustment of the parameters of Proportional-Integral and Supplementary Damping Controllers (Power System Stabilizers and the Unified Power Flow Controller - Power Oscillation Damping). The goal is to insert additional damping into the low-frequency oscillatory modes and thus ensure the stability of the electrical system against minor disturbances. Three scenarios are considered that include two installation configurations of the supplementary controllers and two charging conditions, one fixed and one variable. A current injection formulation of the Unified Power Flow Controller is suggested and incorporated into the Current Sensitivity Model used to represent the electric power system. Static and dynamic analyzes were performed in the Two-Zone Symmetric and New England test systems to validate the proposed current injection model for the Unified Power Flow Controller and to determine which of the presented algorithms is the most efficient in the coordinated adjustment of the parameters of the controllers. From the results obtained it was possible to conclude that the hybrid version proposed in this work has superior performance in most scenarios analyzed, providing solutions with sufficient damping, even when smal... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

[pt] Sistemas de isolamento de vibrações são utilizados em uma grande variedade de aplicações (automóveis, edifícios, estruturas espaciais como aeronaves, satélites e em máquinas rotativas) para reduzir a transmissão de vibrações mecânicas geradas por equipamentos ou a eles transmitidas pela vizinhança. Um isolamento é obtido inserindo-se um componente mecânico (isolador) que desempenha o papel de vínculo entre o sub-sistema que contém a perturbação e o sub-sistema a ser isolado. Duas são as quantidades geralmente utilizadas para avaliar a efetividade de um sistema de isolamento: a transmissibilidade e a potência. Neste trabalho foi utilizada a potência, sendo esta uma metodologia mais geral que pode ser facilmente utilizada em sistemas complexos, mas que tem a desvantagem de ser de difícil avaliação experimental. Nesta tese, serão simulados numericamente vários sistemas de isolamento passivo por componentes rígidos ou flexíveis, os quais serão modelados por suas respectivas matrizes de mobilidade ou impedância. Estas matrizes serão obtidas por métodos analíticos ou numéricos dependendo da conveniência de cada caso específico. Os projetos tradicionais de sistemas de isolamento geralmente consideram uma excitação unidirecional e avaliam somente algumas componentes da resposta do sistema, isso devido as limitações impostas pelo conceito da transmisibilidde usados nesses projetos. Além disso, eles não dão a devida importância a alguns parâmetros essenciais de configuração geométrica do sistema (localização e ângulo de inclinação dos isoladores, localização dos apoios de base, etc.). No presente trabalho, será mostrada a relevância desses parâmetros mencionados anteriormente no processo de busca das configurações ótimas e também se verá como essas configurações são fortemente dependentes do tipo de excitação do sistema, para isso serão utilizadas combinações de excitações harmônicas multidirecionais. / [en] Vibration isolation systems are used in a large variety of applications (automotive, buil- dings, spatial structures such as aircrafts, satellites and in rotating machines) in order to reduce the transmission of mechanical vibrations from the equipments toward the foun- ation or viceversa. An isolation is obtained inserting a mechanical component (isolator) that acts as a link between the source subsystem and the isolated subsystem. There are two quantities generally used to evaluate the e®ectiveness of a isolation system: the trans-missibility and the power transmitted. In this work, it has been used the power, being this the most generic methodology that can be easily used in complex systems, but it has the disadvantage of a di±cult experimental validation. In this thesis, it will be studied numerically several passive isolation systems with rigid or °exible components, these will be modeled by theirs mobility or impedance matrices. This matrices are achieved by analytical or numerical methods depending of the convenience in each case. Generally traditional projects of isolation systems consider a unidirectional excitation and evaluate only some components of the response system, this occurs for the limitations in the trans-missibility use. Moreover, they do not give an appropriate attention to some parameters of geometrical con¯guration of the system (location and angle inclination of the isolators, location of the base supports, etc.). Herein, it will be shown the relevance of this pa-rameters in the search process of optimal con¯gurations and it will be also see how they depend strongly on the kind of the system excitation, so it will be used some combinations of multidirectional harmonic excitations. / [es] Los sistemas de aislamiento de vibraciones son utilizados en una gran variedad de aplicaciones (automóbiles, edificios, extructuras espaciales como aeronaves y en máquinas rotativas) para reducir la transmisión de vibraciones mecánicas generadas por los equipos. Se obtiene un aislamiento insertando un componente mecánico (aislante) que desempeña el papel de vínculo entre el subsistema que contiene la perturbación y el subsistema que se desea aislar. Generalmente son dos las cantidades utilizadas para evaluar la efectividad de un sistema de aislamiento: la transmisibilidad y la potencia. En este trabajo se utiliza la potencia, pués al ser una metodología más general, puede ser utilizada en sistemas complejos, pero tiene la desventaja de ser de díficil evaluación experimental. En esta tesis, serán simulados numéricamente varios sistemas de aislamiento pasivo por componentes rígidos o flexibles, que serán modelados por sus respectivas matrices de movilidad o impedancia. Estas matrices se obtendrán por métodos analíticos o numéricos según convenga. Los proyectos tradicionales de sistemas de aislamiento, debido a las limitaciones impuestas por el concepto de transmisibilidad utilizada, consideran una excitación unidireccional y evalúan solamente algunas componentes de la respuesta del sistema. Además de eso, ellos no dan la debida importancia a algunos parámetros escenciales de configuración geométrica del sistema (localización y ángulo de inclinación de los aislantes, localización de los apoyos de base, etc.). En este trabajo, se muestra la relevancia de los parámetros mencionados anteriormente en el proceso de búsqueda de las configuraciones óptimas y también se verá como esas configuraciones son fuertemente dependientes del tipo de exitación del sistema. Para esto se utilizaran combinaciones de exitaciones armónicas multidireccionales.

abstract: The electric transmission grid is conventionally treated as a fixed asset and is operated around a single topology. Though several instances of switching transmission lines for corrective mechaism, congestion management, and minimization of losses can be found in literature, the idea of co-optimizing transmission with generation dispatch has not been widely investigated. Network topology optimization exploits the redundancies that are an integral part of the network to allow for improvement in dispatch efficiency. Although, the concept of a dispatchable network initially appears counterintuitive questioning the wisdom of switching transmission lines on a more regu-lar basis, results obtained in the previous research on transmission switching with a Direct Current Optimal Power Flow (DCOPF) show significant cost reductions. This thesis on network topology optimization with ACOPF emphasizes the need for additional research in this area. It examines the performance of network topology optimization in an Alternating Current (AC) setting and its impact on various parameters like active power loss and voltages that are ignored in the DC setting. An ACOPF model, with binary variables representing the status of transmission lines incorporated into the formulation, is written in AMPL, a mathematical programming language and this optimization problem is solved using the solver KNITRO. ACOPF is a non-convex, nonlinear optimization problem, making it a very hard problem to solve. The introduction of bi-nary variables makes ACOPF a mixed integer nonlinear programming problem, further increasing the complexity of the optimization problem. An iterative method of opening each transmission line individually before choosing the best solution has been proposed as a purely investigative approach to studying the impact of transmission switching with ACOPF. Economic savings of up to 6% achieved using this approach indicate the potential of this concept. In addition, a heuristic has been proposed to improve the computational efficiency of network topology optimization. This research also makes a comparative analysis between transmission switching in a DC setting and switching in an AC setting. Results presented in this thesis indicate significant economic savings achieved by controlled topology optimization, thereby reconfirming the need for further examination of this idea. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2011

Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Resumo: Neste trabalho, o modelo matemático do problema de fluxo de potência ótimo básico não linear é analisado e manipulado algebricamente para obter um modelo de programação convexa, do tipo cônico de segunda ordem. O conceito de envelopes convexos é apresentado para tratar a não linearidade e não convexidade da restrição trigonométrica inversa que surge ao escrever o modelo de FPO como um modelo cônico. Aplicando duas proposições apresentadas neste trabalho a restrição trigonométrica é resolvida em um pré-processamento por um solver de otimalidade local, neste caso o KNITRO, que enumera todas as possibilidades dos pontos de KKT para obter os envelopes convexos e tornar o modelo de FPO totalmente convexo. O modelo é implementado no AMPL e é resolvido com solvers de otimalidade global com sistemas testes da literatura, nesta tese usam-se os sistemas testes IEEE 14, 30, 57 e 118 barras. Os resultados obtidos são validados comparando-os com resultados fornecidos pelo Matpower, que é um simulador para FPO. Como contribuição desta tese, o modelo convexo de FPO obtido é utilizado como exemplo de aplicações no problema de despacho ótimo de potência ativa e reativa, considerando competições via programação binível. São apresentados dois modelos biníveis e dois modelos uníveis. O modelo iterativo convexo utiliza-se do modelo proposto de FPO convexo e as não linearidades são convexificadas fazendo uso dos envelopes de McCormick. O conceito de dualidade forte é empregado afim de obter um mod... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, the basic nonlinear mathematical model for the optimal power flow (OPF) problem is analyzed and manipulated algebraically in order to obtain a second-order conic convex programming model. The concept of convex envelopes is presented to deal with the nonlinearity and nonconvexity of the inverse trigonometric constraint that arises when transforming the nonconvex OPF model into an equivalent conic model. By applying two propositions presented in this work, the trigonometric constraint is solved in a pre-processing stage by a local optimization solver, in this case, the KNITRO solver, which considers all the possibilities of the KKT points to obtain the convex envelopes and find a completely convex OPF model, is used. The model is implemented in AMPL and is solved via global optimization solvers while to show the effectiveness of the model several IEEE systems such as the IEEE 14-, 30-, 57-, and 118-bus systems are used. The obtained results are validated by comparing them with the results provided by Matpower, which is an OPF solver. As a contribution of this thesis, the obtained convex OPF model is used as an application in the active and reactive optimal power dispatch problem, considering competition via bilevel programming. Two bilevel models and two single-level models are presented. The convex iterative model uses the proposed convex OPF model, and the nonlinearities are convexified using McCormick envelopes. The concept of strong duality is employed to obta... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Dilson Amâncio Alves / Banca: Anna Diva Plasencia Lotufo / Banca: Edmárcio Antonio Belati / Resumo: Este trabalho apresenta o método de Newton desacoplado para o fluxo de carga continuado. O método foi melhorado por uma técnica de parametrização geométrica possibilitando assim o traçado completo das curvas P-V, e o cálculo do ponto de máximo carregamento de sistemas elétricos de potência, sem os problemas de mau condicionamento. O objetivo é o de apresentar de forma didática os passos envolvidos no processo de melhoria do método de Newton Desacoplado a partir da observação das trajetórias de solução do fluxo de carga. A técnica de parametrização geométrica que consiste na adição de uma equação de reta que passa por um ponto no plano formado pelas variáveis: tensão nodal de uma barra k qualquer e o fator de carregamento eliminam os problemas de singularidades das matrizes envolvidas no processo e ampliam o grupo das variáveis de tensão que podem ser usadas como parâmetro da continuação. Os resultados obtidos com a nova metodologia para o sistema teste do IEEE (14, 30, 57, 118 e 300 barras) e também para os sistemas reais de grande porte, o 638 barras do sistema Sul-Sudeste brasileiro e do sistema de 904 barras do sudoeste Americano, mostram que as características do método convencional são melhoradas na região do ponto de máximo carregamento e que a região de convergência ao redor da singularidade é sensivelmente aumentada. São apresentados vários testes com a finalidade de prover um completo entendimento do funcionamento do método proposto e também avaliar seu desempenho / Abstract: This work presents the decoupled Newton method for continuation power flow. The method was improved by using a geometric parameterization technique that allows the complete tracing of P-V curves, and the computation of maximum loading point of a power system, without ill-conditioning problems. The goal is to present in a clear and didactic way the steps involved in the development of the improved decoupled Newton method obtained from the observation of the geometrical behavior of power flow solutions. The geometric parameterization technique that consists of the addition of a line equation, which passes through a point in the plane determined by the bus voltage magnitude and loading factor variables, can eliminate the ill-conditioning problems of matrices used by the method and can enlarge the set of voltage variables that can be used as continuation parameter to P-V curve tracing. The method is applied to the IEEE systems (14, 30, 57, 118 and 300 buses) and two large real systems: the south-southeast Brazilian system (638 buses) and the 904-bus southwestern American system. The results show that the best characteristics of the conventional decoupled Newton's method are improved in the vicinity of the maximum loading point and therefore the region of convergence around it is enlarged. Several tests are presented with the purpose of providing a complete understanding of the behavior of the proposed method and also to evaluate its performance / Mestre

This research proposes, implements and analyses a novel framework for multiobjective optimisation through evolutionary computing aimed at, but not restricted to, real-world problems in the engineering design domain. Evolutionary algorithms have been used to tackle a variety of non-linear multiobjective optimisation problems successfully, but their success is governed by key parameters which have been shown to be sensitive to the nature of the particular problem, incorporating concerns such as the number of objectives and variables, and the size and topology of the search space, making it hard to determine the best settings in advance. This work describes a real-encoded multi-objective optimising evolutionary algorithm framework, incorporating a genetic algorithm, that uses self-adaptive mutation and crossover in an attempt to avoid such problems, and which has been benchmarked against both standard optimisation test problems in the literature and a real-world airfoil optimisation case. For this last case, the minimisation of drag and maximisation of lift coefficients of a well documented standard airfoil, the framework is integrated with a freeform deformation tool to manage the changes to the section geometry, and XFoil, a tool which evaluates the airfoil in terms of its aerodynamic efficiency. The performance of the framework on this problem is compared with those of two other heuristic MOO algorithms known to perform well, the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) and NSGA-II, showing that this framework achieves better or at least no worse convergence. The framework of this research is then considered as a candidate for smart (electricity) grid optimisation. Power networks can be improved in both technical and economical terms by the inclusion of distributed generation which may include renewable energy sources. The essential problem in national power networks is that of power flow and in particular, optimal power flow calculations of alternating (or possibly, direct) current. The aims of this work are to propose and investigate a method to assist in the determination of the composition of optimal or high-performing power networks in terms of the type, number and location of the distributed generators, and to analyse the multi-dimensional results of the evolutionary computation component in order to reveal relationships between the network design vector elements and to identify possible further methods of improving models in future work. The results indicate that the method used is a feasible one for the achievement of these goals, and also for determining optimal flow capacities of transmission lines connecting the bus bars in the network.

Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão, pelas próprias condições de funcionamento, sujeitos a perdas de energia e quedas nos níveis de tensão. Uma das formas de reduzir as perdas e ao mesmo tempo melhorar o perfil de tensão do SDEE consiste na utilização de bancos de capacitores e reguladores de tensão ao longo dos alimentadores. Para isto a alocação ótima destes equipamentos torna-se de fundamental importância, logo este trabalho tem por objetivo a utilização de um método quadrático de programação por metas multiobjetivo para a ótima alocação desses equipamentos visando a redução de perdas (meta 1) com o menor custo de investimento (meta 2) sujeito a restrições do fluxo de potência, limites técnicos de operação, mudança no controle dos capacitores chaveados e dos taps dos reguladores de tensão. O constante aumento na penetração da geração distribuída traz novos desafios para o controle e a operação dos SDEE. A metodologia proposta considera os efeitos destas fontes de geração e os seus impactos na alocações ótima dos bancos de capacitores e reguladores de tensão. Com o intuito de resolver o problema de otimização em programas comerciais como Gurobi e Cplex uma metodologia linear de cálculo de fluxo de potência é utilizada. Os algoritmos foram desenvolvidos no software Matlab, e posteriormente foi realizada a conversão para linguagem GAMS (Generic Algebraic Modeling System) para utilização dos solvers na plataforma NEOS (Network Enabled Optimization System). / Power distribution systems (DS) are susceptible to energy loss and voltage drops, mainly because of the way that they are operated and built. One way to minimize system loss and improve the voltage profile of DS is with the use of capacitor banks and voltage regulators (VRs) along the distribution feeders. In this scenario, the optimal placement of these devices becomes crucial. In this paper, a quadratic multi objective goal programming method is proposed to obtain the optimal placement of these devices, where the goals are energy loss (goal 1) and the total investment cost (goal 2). The model is subject to system operation constraints, such as power flow demands, limits of voltages and currents, number of stages of switched capacitors and the tap control of VRs. The increase of distributed generation penetration brings new challenges for control and operation of DS. The proposed methodology considers the effects of these power sources and their impact on optimal allocations of capacitors and VRs. With the aim of solving the optimization problem in commercial programs, a linear power flow is used. The algorithms were developed with Matlab software and the conversion was made to a General Algebraic Modeling System (GAMS) language and solved in the NEOS (Network Enabled Optimization System) platform.

A geração de energia elétrica com fontes renováveis está em aumento e uma das que tem maior crescimento é a eólica. A instalação das máquinas que aproveitam este recurso pode trazer alguns problemas para a rede elétrica devido à intermitência da velocidade do vento. O presente trabalho tem por objetivo analisar o comportamento de dois tipos de aerogeradores que utilizam gerador de indução e sua interação com o sistema elétrico de potência. Os aerogeradores assíncronos analisados são o de velocidade variável com gerador de indução duplamente alimentado (Doubly-Fed Induction Generator-DFIG) e o de velocidade fixa com gerador de indução de rotor de gaiola de esquilo (Squirrel Cage Induction Generator-SCIG). O caso de estudo está baseado no parque eólico Jepirachi na Colômbia, o qual na atualidade tem aerogeradores de velocidade fixa. Para isto inicialmente foi feita a modelagem do parque eólico considerando alguns parâmetros dos aerogeradores comerciais de velocidade variável e velocidade fixa, junto com os principais componentes da rede elétrica da região para obter uma aproximação da mesma. Posteriormente realizaram-se simulações computacionais para obter o comportamento do sistema elétrico de potência alimentado por estes tipos de aerogeradores. Finalmente, foi realizada uma análise dos efeitos que produzem cada tipo de máquina, no fluxo de potência e no nível de tensão da rede elétrica funcionando em regime permanente, considerando os distúrbios ocasionados pelas mudanças da velocidade do vento. / The generation of electricity from renewable sources is increasing, one of the largest growth is the wind power. However the installation of the machines that leverage this resource could bring some problems to the grid due to the intermittency of the wind speed. This work analyzes the behavior of variable speed wind turbines with Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) and fixed-speed wind turbines with Squirrel Cage Induction Generator (SCIG). The case study is based in Jepirachi wind farm in Colombia, that at the present has fixed-speed wind turbines with Squirrel Cage Induction Generator (SCIG). To do this study, initially the modeling of the wind farm considering some parameters of commercial wind turbines with variable speed and fixed speed, also modeling the main components of the electric grid of the region to obtain an approximation of it, after computer simulations we made in order to obtain the behavior of the electric power system powered by these types of turbines. Finally the analysis of the effects produced by each type of machine, in the power flow and the voltage level of the grid operating in steady state, but considering the disturbances caused by changes in wind speed are made.