Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Sérgio Azevedo de Oliveira / Banca: Rodrigo Aparecido Fernandes Pereira / Resumo: Neste trabalho propõe-se o desenvolvimento de um algoritmo para simulação e avaliação dos impactos provocados por cargas especiais na qualidade da energia elétrica de redes de distribuição secundárias, visando aumentar a rapidez e precisão do processo de permissão da instalação de novos consumidores de característica industrial na rede. Desta forma as cargas especiais, motores de indução e máquinas de soldagem a arco, são modeladas em potência constante e, apenas, em seus principais estágios de funcionamento. Os impactos do funcionamento destas cargas são avaliados através da comparação entre o estado inicial da rede (antes da instalação da carga) com os estados obtidos para cada estágio de funcionamento da carga instalada. O estudo é realizado em uma rede secundária real utilizando como ferramenta computacional um algoritmo de cálculo de fluxo de potência radial trifásico backward/forward. Os resultados obtidos mostram a precisão da modelagem proposta para as cargas especiais estudadas com relação ao seu comportamento real esperado e, ainda, que a ferramenta computacional desenvolvida aumenta significativamente a rapidez na tomada de decisões no planejamento da instalação de novos consumidores na rede / Abstract: This work proposes the development of an algorithm for simulation and evaluation of the impacts caused by special loads in the quality of electricity distribution networks secondary. The goal is increase the speed and accuracy of the permitting process of installing new industrial consumers in network. The special loads studied (Induction Motors and Arc Welding Machines) are modeled at constant power, and only in its main stages of operation. The impacts of the operation of these loads are evaluated by comparing the initial state of the network (before installation of the load) with the states obtained for each stage of operation of the installed load. The study is conducted in a real secondary network using an algorithm as a computational tool for calculating power flow radial-phase backward / forward. The results showed good accuracy of the proposed model for special loads studied with respect to its real expected behavior and still that the developed computational tool significantly increases the speed of decision making in planning the installation of new consumers on the network / Mestre

The use of smart grids is a reality in several developed countries, being a natural evolution for the electrical grids of any developing country, like Brazil. This evolution takes place through the interaction of communication systems with the electrical grids in a bidirectional communication of both data and energy flow using different protocols and communication technologies. Its validation occurs by the physical installation of equipments, or alternatively by computational simulators. This paper demonstrates through simulation the use viability of DNP3 (Distributed Network Protocol) encapsulated over TCP/IP over PLC (Power Line Communication). The network simulator software NS-2 was employed for PLC channel modeling and DNP3 implementation. Some quality parameters, such as packet loss, latency and thoughput, were evaluated under several scenarios. / A utilização de redes inteligentes de energia é uma realidade em diversos países desenvolvidos, sendo uma evolução natural para a rede elétrica de qualquer país em vias de desenvolvimento, como é o caso do Brasil. Essa evolução dá-se por uma interação dos sistemas de comunicação com as redes elétricas, em uma comunicação bidirecional, tanto de dados como de fluxo de energia, utilizando para isso protocolos e tecnologias de comunicação diferentes, cuja validação ocorre com uma instalação física dos equipamentos associados, ou, como alternativa, por simulação computacional. Este trabalho demonstra através de simulações a viabilidade do uso do protocolo DNP3 (do inglês Distributed Network Protocol) encapsulado em TCP/IP e em PLC (do inglês Power Line Communication) para aplicações em redes inteligentes, exceto para atividades que necessitem de comunicação em tempo real. Foram empregados o software de simulação de redes NS-2 para modelagem do canal PLC e do protocolo DNP3 e verificados parâmetros de qualidade, como perda de pacotes, latência e vazão de dados sob diversos cenários de aplicações. / São Cristóvão, SE

Submitted by Rosana Moreira (rosanapsm@outlook.com) on 2018-07-12T17:46:01Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertaccao_Gerenciamento_Otimo_Sistema.pdf: 2488891 bytes, checksum: 5c3f20eef98317e8bf0c75086c2ae3c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciclea Silva (luci@ufpa.br) on 2018-07-18T16:21:48Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertaccao_Gerenciamento_Otimo_Sistema.pdf: 2488891 bytes, checksum: 5c3f20eef98317e8bf0c75086c2ae3c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-18T16:21:48Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertaccao_Gerenciamento_Otimo_Sistema.pdf: 2488891 bytes, checksum: 5c3f20eef98317e8bf0c75086c2ae3c7 (MD5) Previous issue date: 2018-01-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho propõe uma metodologia de gerenciamento de energia de uma rede em um campus universitário, que possui uma usina solar fotovoltaica e um sistema de armazenamento de energia, operando conectado à rede principal. O método tem como objetivo minimizar a compra de energia da rede externa aplicando a ferramenta de otimização Recozimento Simulado para determinar o perfil diário de carga e descarga do banco de baterias, considerando restrições técnicas e operacionais. Nas simulações foram consideradas a dinâmica da demanda e da disponibilidade de recurso solar, bem como da tarifa de energia ao longo do dia, aproveitando a energia armazenada em momentos de tarifa mais barata e maior disponibilidade de geração solar em momentos de pico, reduzindo assim o custo diário de operação. Os resultados evidenciaram a aplicabilidade da ferramenta de otimização, determinando pontos de operação do sistema de armazenamento que maximizaram o aproveitamento dos recursos disponíveis. / This work proposes a method of energy management of a university campus, with a photovoltaic solar generation source and a energy storage system, which are connected to the main grid. The developed method aims to minimize the purchase of energy from the external grid using the Simulated Annealing optimization method. It is considered in the simulations variable energy tariffs according to the period of the day applied by the local utility. The obtained results were satisfactory, since the applied management scheme managed to reduce energy consumption significantly throughout the day, taking advantage of the energy stored at cheaper tariff schedules and greater availability of solar generation at peak times, making a minimum daily cost while it reaches the constraints associated with the problem. The obtained results showed the applicability of the optimization method, through the determination of operating points of the battery bank that maximized the use of available resources

The smart grid will enable a revolution in the way we manage and relates to the distribution networks through intelligent applications. For many of these applications, it is understood that one of the primary activities to provide real time operation is to be aware of the electric state of the network by monitoring and using remote measurements. This thesis addresses the topic of state estimation proposing the use of methods that best fit the requirements of smart distribution networks. In a first moment it is understood that the monitoring will not be satisfactorily comprehensive, and then there will need to merge real measures with not real measures obtained through historical data and direct methods such as calculating the power flow. Another important requirement of these methods is to combine great complexity and large number of buses of the distribution network to a satisfactory response time that allows real-time monitoring. Thus this thesis uses an approach that enables multiprocessing of algorithms like Power Flow and State Estimation in order to get faster response times in multiprocessor environments, which now are quite common. In the case of State Estimator has been proposed a Multi-area estimator associated to an algorithm for massive division of the networks which allows to drastically reduce the complexity of the algorithm without compromising the accuracy of the estimator solution. Nevertheless, other concepts related to state estimation, but adapted to the context of smart grids are also addressed as the detection of errors in measurements, topology errors and to the ideal location of meters, which may have important influence on the accuracy of the obtained result. The ASW software - Analysis of Distribution Systems Web was developed to implement the proposed methodologies. The software is a totally working prototype, already tested on a real distribution networks and have demonstrated good results and potential for managing a distribution system in an smart way. / As redes elétricas inteligentes permitirão uma revolução na forma como se gerencia e se relaciona com as redes de distribuição, através de aplicações inteligentes. Para diversas destas aplicações, entende-se que uma das atividades primordiais para proporcionar a operação em tempo real é ter conhecimento do estado elétrico da rede através do monitoramento e do uso de medidas remotas. A presente tese aborda o tema de estimação de estado propondo o uso de métodos que melhor se adaptam aos requisitos das redes de distribuição inteligentes. Num primeiro momento entende-se que o monitoramento não será satisfatoriamente abrangente, então haverá a necessidade de mesclar medidas remotas reais com outras pseudo-medidas obtidas através de dados históricos e métodos diretos como o cálculo do Fluxo de Potência. Outro requisito importante destes métodos é conseguir conciliar a grande complexidade e o elevado número de nós das redes de distribuição a um tempo de resposta satisfatório que permita o monitoramento em tempo real. Desta forma a presente tese utiliza uma abordagem que permite o multiprocessamento dos algoritmos de Fluxo de Potência e Estimação de Estado de forma a obter um menor tempo de resposta em ambientes multiprocessados, que são bastante comuns atualmente. No caso do Estimador de Estados, foi proposto um estimador multi-área associado a um algoritmo de divisão maciça das redes, que permite reduzir drasticamente a complexidade do algoritmo sem comprometer a precisão da solução. Todavia, outros conceitos relacionados à estimação de estado, porém adaptados ao contexto de redes de distribuição inteligentes também são abordados como a detecção de erros em medidas, erros de topologia e a localização ideal de medidores, os quais podem ter importante influência na precisão do resultado obtido. O software ASW Análise de Sistemas de Distribuição Web foi desenvolvido para implementação das metodologias propostas. O Software ainda se encontra sob a forma de um protótipo, contudo já se apresenta funcional em redes de distribuição reais e demonstrando bons resultados e potencialidades para o gerenciamento de um sistema de distribuição inteligente.

Orientadores: Ariovaldo Verandio Garcia, Alcir Jose Monticelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T00:08:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Asada_EduardoNobuhiro_D.pdf: 8314555 bytes, checksum: 1d07bd4292835815d0cec8ae2b521606 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Este trabalho apresenta estudos sobre a modelagem em tempo-real de sistemas de potência através da estimação de estado generalizada. As principais funções da estimação analisadas foram: processador topológico, observador, estimador de estado e análise de erros grosseiros. Os dispositivos de chaveamento (chaves e disjuntores) são representados através de modelos de impedância nula. A modelagem do sistema na sua forma mais detalhada, através da representação de subestações com todas chaves e disjuntores, permite a verificação de erros de status desses componentes. Portanto, a análise da topologia pode ser realizada simultaneamente à estimação de variáveis de estado convencionais. Chaves e disjuntores, que são elementos de impedância nula, são considerados no modelo generalizado através da adição de variáveis de estado do tipo fluxo e de pseudomedidas adequadas. A interação entre dispositivos de característica discreta e medidas analógicas e a diferença entre os modelos convencional e generalizado são enfatizados em cada função. Dois modelos de estimador são considerados: um baseado no método desacopIado a partir da formação da matriz ganho e o segundo baseado no método Tableau esparso de Hachtel, onde pseudomedidas de injeção nula são consideradas como restrições de igualdade. A análise de erros grosseiros proposta busca tratar um erro reconhecido pela dificuldade na sua detecção: o erro conformativo. As medidas afetadas por esse tipo de erro agem como fossem medidas regulares e seus efeitos atingem medidas sem erro grosseiro. Nesse caso, as metodologias tradicionais quando aplicadas, podem identificar incorretamente as medidas. A identificação de erros conformativos foi formulada através da teoria da decisão e a partir da consideração da confiabilidade das medidas formula-se como um problema combinatório. É sabido que Metaheurísticas são eficientes no tratamento de tais problemas e a Busca Tabu é proposta para identificação e elaboração de hipóteses que melhor expliquem as incoerências encontradas / Abstract: This work presents studies about power system real-time modeling by using generalized state estimation. The analyzed state estimation functions are: topological processing, observability analysis, state estimator and gross errar analysis. All these functions are considered by a generalized approach, where switching components (switches and circuit breakers) are represented by zero impeda_ce models. Consideration of detailed model through explicit representation of substations with all switches and circuit breakers allows topology analysis with estimation of conventional state variables simultaneously. Switches, circuit breakers (zero impedance branches), are represented by the insertion of new flow state variables followed by adequate pseudomeasurements. The interaction among components and measurements of different natures and differences between conventional and generalized models were emphasized for each function. Two state estimator models are considered: the first one is based on decoupled state estimation by using the gain matrix, the second one is based on Hachtel's sparse tableau approach. The proposed gross error analysis. aims to treating an errar that is known by its detection difliculty: the conforming error. Measurements affected by this error act as regular measurements and the negative effects act over good measurements. In this case, conventional identification methods may fail and good measurements are erroneously identified as bad data. The identification of conforming errors are formulated by an approach based on Decision Theory by considering the reliability of each measurement. The resulting problem is a combinatorial problem. It is known that Meta-Heuristics are very suited for combinatorial problems and the Tabu Search approach is proposed for identification and formulation of hypotheses that better explain inconsistencies caused by interacting errors / Doutorado / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Antonio Padilha Feltrin / Banca: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: Denis Vinicius Coury / Banca: Walmir de Freitas Filho / Resumo: Neste trabalho, é proposto um algoritmo para localização de faltas em alimentadores radiais aéreos de distribuição de energia elétrica. A técnica proposta aplica-se a alimentadores trifásicos com cargas desequilibradas, que podem possuir ramais laterais trifásicos, bifásicos e monofásicos. As equações da rede que compõem esta técnica foram desenvolvidas com base nos métodos de fluxo de potência do tipo varredura (backward/forward sweep), o que a torna uma ferramenta eficiente e de baixo esforço computacional. No desenvolvimento da mesma, considera-se que haja disponibilidade de medições de tensões no nó inicial do alimentador e também medições esparsas de tensão em alguns pontos ao longo do alimentador de distribuição. Esta técnica apresenta algumas vantagens quando comparada com as técnicas convencionais para localização de faltas que utilizam o deslocamento do local da falta na rede. Nela eliminam-se, dos possíveis locais de falta, os pontos que estão em ramais laterais geograficamente distantes do verdadeiro local da falta e que poderiam ser indicados pelos métodos convencionais de localização da faltas. Adicionalmente à técnica para localização de faltas, é proposto um modelo matemático de programação binária para fazer a alocação otimizada de medidores esparsos de tensões ao longo do alimentador com o propósito de melhorar a precisão do algoritmo desenvolvido, a partir da técnica proposta para a localização de faltas. Neste modelo matemático, busca-se manter a melhor relação custo-benefício para as empresas de energia, em termos de investimentos, custos operacionais e melhorias dos seus índices de confiabilidade, com a localização eficiente de faltas em suas redes de distribuição. Para a solução deste modelo matemático, propõe-se... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: An algorithm for fault location on overhead and radial electric power distribution feeders is proposed in this work. The proposed technique is able to be applied to three-phase feeders containing unbalanced loads. Also, the proposed technique has the ability to deal with feeders which has three-, two- or single-phase laterals. Equations that describe the network are derived based on the backward/forward sweep load flow methods. This characteristic makes the proposed fault location technique an efficient and fast computational tool. In order to develop this technique, it was considered that voltage measurements are available at the sending node of the feeder, as well sparse voltage measurements at some places on the feeder. Thus, this technique presents some advantages in comparison to the traditional technique for fault location which finds the faulty point by means of sliding the analyzed point on the network. By using traditional techniques, points located geographically far from the actual faulty point can be indicated as a faulty point. The proposed technique eliminates these points from the results. Additionally to the proposed technique, a binary programming model is presented for carrying out the optimized placement of voltage measurement devices along the feeder. The goal of this binary programming model is to enhance the accuracy of the proposed algorithm for fault location. This mathematical model is aimed at keeping the best costbenefit rate for the electric utilities, in terms of operational costs and improvements of reliability indices by means of an efficient fault location. A dedicated genetic algorithm is proposed for solving the optimization model. Results and simulation analyses are presented in order to validate the efficiency... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Este estudo é uma análise de interfaces e protocolos de automação que possuem potencial para serem adotados como padrões em redes elétricas inteligentes em um futuro próximo. A fim de verificar a possibilidade de implementar a IEC 61850 em uma aplicação típica de redes deste tipo, é realizada uma simulação usando o software NS-2. Os resultados deste trabalho servirão de orientação para o dimensionamento de redes de automação baseadas em IEC 61850. / This study is an analysis of automation interfaces and protocols with the potential to be adopted as standards for smart grids in the near future. In order to verify the feasibility of implementing the IEC 61850 in a typical application of such grids, it is performed a simulation using NS-2 software. The results of this work will be an orientation to dimension automation networks based on IEC 61850.

Growing demand and concern over climate change are key drivers for renewable sources of electricity and grid modernization. Grid modernization, or the so called smart grid, not only enables renewable sources but also opens the door to new applications with far-reaching impacts such as preventing or restoring outages (self-healing capabilities), and enabling consumers to have greater control over their electricity consumption and to actively participate in the electricity market. According to the Electric Power Research Institute (EPRI), one of the biggest challenges facing smart grid deployment is related to the cyber security of the systems. The current cyber-security landscape is characterized by rapidly evolving threats and vulnerabilities that pose challenges for the reliability, security, and resilience of the electricity sector. Power system state estimators (PSSE) are critical tools for grid reliability, under a system observable scenario, they allow power flow optimization and detection of incorrect data. In this work cyber-attacks are modeled as malicious data injections on system measurements, parameters and topology. The contributions of this work are twofold. First, a model for cyber-attack as a false data injection detection and identification is presented. The presented model considers the minimization of the composed measurement error while applying the Lagrangian relaxation. The presented contribution, enables false data injection attacks detection even if this belongs to the subspace spanned by the columns of the Jacobian matrix and in network areas with low measurement redundancy Second, state-of-the-art solutions consider correction of parameters or topology when measurements are free of error. However, how may one correct measurements if parameters or topology might be simultaneously in error? To solve this problem, a relaxed model is presented and solved iteratively in a continuous manner. Once identified and detected, cyber-attacks in parameters, topology and measurements are corrected. The proposed solution is based on a Taylor series relaxed, composed normalized error (CNE) hybrid approach with Lagrange multipliers. Validation is made on the IEEE-14 and IEEE-57 bus systems. Comparative results highlight the proposed methodology’s contribution to the current state-of-the-art research on this subject. Providing mitigation, response and system recovery capabilities to the state estimator with reduced computational burden, the proposed model and methodology have strong potential to be integrated into SCADA state estimators for real-world applications. / O aumento da demanda e a preocupação com as mudanças climáticas são importantes motivadores para as fontes de energia renováveis e a modernização da rede elétrica. A modernização da rede elétrica inteligentes (REI) ou smart grid, não somente possibilita as fontes de energia renováveis mas também abre portas à novas aplicações de grande impacto como a prevenção e restauração automática de falhas e a possibilidade dos consumidores terem grande controle sobre o consumo de eletricidade e atuação participativa no mercado de energia. De acordo com o Instituto Norte Americano de Pesquisas do Setor Elétrico, um dos principais desafios a ser enfrentado no desenvolvimento das REIs é relacionado a segurança cibernética dos sistemas. O cenário da segurança cibernética atual é caracterizado pela rápida evolução dos riscos e vulnerabilidades que impõe desafios para a confiabilidade, segurança e resiliência do setor elétrico. Neste contexto, estimadores de estado do sistema de potência são ferramentas críticas para a confiabilidade da rede, sob um cenário de observabilidade do sistema eles possibilitam o fluxo de potência do sistema e a análise de dados incorretos. Neste trabalho, ataques cibernéticos são modelados como injeção de dados incorretos em medidas, parâmetros e topologia do sistema. A metodologia proposta possibilita detecção de ataques mesmo se eles pertencerem ao subespaço ortogonal formado pelas colunas da matriz Jacobiana e em áreas do sistema com reduzida redundância de medidas. A solução proposta pelo estado da arte considera correções em parâmetros ou topologia quando medidas estão livres de erros. Porém, como pode-se corrigir medidas se parâmetros ou a topologia estão simultaneamente com erros? Para resolver este problema um modelo relaxado é proposto e resolvido iterativamente. Assim que detectado e identificado, ataques cibernéticos em parâmetros, topologia e/ou medidas são corrigidos. As contribuições específicas do trabalho são: cálculo do desvio padrão para pseudomedidas (iguais à zero) e medidas de baixa magnitude baseado em medidas correlatas e propriedades da covariância; modelo baseado em relaxação lagrangiana e erro composto de medida para identificação e detecção de ataques cibernéticos; estratégia hibrida de relaxamento iterativo (EHRI) para correção de ataque cibernético em parâmetros da rede de modo contínuo e com reduzido esforço computacional e metodologia baseada em ciclo holístico de resiliência para estimadores de estado sob ataques cibernéticos simultâneos em parâmetros, topologia e medidas. A validação é feita através dos sistemas de teste do IEEE de 14 e 57 barras, testes comparativos elucidam as contribuições da metodologia proposta ao estado da arte nesta área de pesquisa. Trazendo as capacidades de mitigação, resposta e recuperação ao estimador de estado com esforço computacional reduzido, o modelo e metodologia propostos tem grande potencial de ser integrado em SCADAs para aplicação em casos reais.

As redes elétricas inteligentes significam um novo paradigma de fornecimento de energia, cuja concepção integra várias áreas de concentração, novas funcionalidades e funções até então não realizáveis, bem como uma pluralidade de tecnologias e a necessidade de infraestrutura de apoio para a sua realização. A transição das redes elétricas atuais para o modelo de rede inteligente constitui-se num processo complexo, que envolve aspectos técnicos, econômicos, regulatórios e sociológicos. Esta pesquisa visa contribuir significativamente para a solução dessa questão pela proposição das bases conceituais para realizar efetivamente um plano de implementação, respeitando condições vigentes e impostas por cenários de outros setores. O modelo proposto, centrado na expansão da automação, lança as bases para a análise dos impactos da rede elétrica inteligente, para a formulação, análise e seleção de alternativas de implementação. É introduzido o conceito e forma de avaliação de uma rede por meio da definição de um índice de inteligência de uma rede elétrica, composto de vários indicadores, de forma a expressar padrões de eficiência energética e operativa, aspectos de gestão de ativos e da qualidade do serviço. A proposta de alternativas para evolução da automação se baseia em um conjunto de funções pré-estabelecidas, que melhoram os indicadores de desempenho e apresentam custos e benefícios quantificáveis. / The smart grids mean a new paragon for energy supply, whose concept integrates several areas of concentration, functionalities and functions non achievable up to now, as well as a plurality of technologies and the need of supporting infrastructure for its accomplishment. The transition of the present electrical networks to the smart grid model constitutes a complex process, which involves technical, economical, regulatory and sociological aspects. This research aims to contribute significantly to the solution of this issue by proposing the conceptual basis for effectively perform an implementation plan taking into account the constraints imposed by scenarios from other sectors. The proposed model, focused in automation expansion, launches the basis for the impact analysis of Smart Grid in order to formulate, analyze and selection alternatives of implementation. The concept and evaluation method of grid through the definition of a grid intelligence index, composed by several indicators is introduced in order to express standards of energy and operational efficiency, asset management and quality of supply. The proposal of alternatives for automation evolution is based on a set of pre established functions, which improve the performance indicators and present valuable costs and benefits.

Este estudo é uma análise de interfaces e protocolos de automação que possuem potencial para serem adotados como padrões em redes elétricas inteligentes em um futuro próximo. A fim de verificar a possibilidade de implementar a IEC 61850 em uma aplicação típica de redes deste tipo, é realizada uma simulação usando o software NS-2. Os resultados deste trabalho servirão de orientação para o dimensionamento de redes de automação baseadas em IEC 61850. / This study is an analysis of automation interfaces and protocols with the potential to be adopted as standards for smart grids in the near future. In order to verify the feasibility of implementing the IEC 61850 in a typical application of such grids, it is performed a simulation using NS-2 software. The results of this work will be an orientation to dimension automation networks based on IEC 61850.