Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Este trabalho apresenta os resultados obtidos em uma pesquisa, visando utilizar a corrente de fuga como parâmetro indicativo do estado de degradação de materiais poliméricos de rede compacta de média tensão, instalados em ambientes agressivos. Testes foram realizados em laboratório de modo a investigar o comportamento da corrente de fuga com o estado de degradação do material polimérico. Os resultados mostram que a corrente de fuga pode fornecer informações valiosas sobre a degradação. Uma análise minuciosa das características da corrente de fuga mostrou que a freqüência de ocorrência da razão terceira harmônica sobre a componente fundamental é a que melhor caracteriza o fenômeno da degradação. Novos testes foram realizados de forma a definir valores de referência para sua utilização como controle de campo para subsidiar a manutenção preventiva. Para o estado de atenção, foi estabelecida freqüência de ocorrência de 50 para a relação entre 0,35 e 0,40 para um período de 24 horas. Para o estado de alerta, foi estabelecida a freqüência de ocorrência de 80, para um período de 24 horas. Um equipamento foi construído e instalado para indicação no caso de ocorrência de trilhamento elétrico e erosão de materiais poliméricos de uma rede compacta instalada na orla marítima. / This paper presents results obtained after research, aiming at the utilisation of the leakage current to indicate the degradation of polymeric material of distribution line spacer and covered cables located in agressive enviroment. Tests were performed at the laboratory in order to investigate the behavior of the leakage current as function of the stage of degradation of polymeric material. The results showed that the leakage current can provide valuable information about the degradation. A closer analysis of the leakage current caracteristics revealed that the frequency of occurrence of the ratio of third harmonic to fundamental component is the the one that best characterize the degradation phenomenon. New analysis were carried out in order to define reference values to be used in the field, obtaining frequencie of occurrence of 50 and 80, for a ratio between 0,35 and 0,40, in a period of 24 hours, for the warning state and the preventive maintenance alert, respectively. A device was built and installed to indicate tracking and erosion of polymeric material in distribution lines located near the coast.

O presente trabalho tem como objetivo analisar as correntes de inrush que surgem nos momentos de energização dos alimentadores de sistemas de distribuição. Desta forma, são relevantes em projetos cotidianos de concessionárias de energia elétrica como por exemplo, nos cálculos de ajustes dos dispositivos de proteção. Foram estudadas 291 (duzentas e noventa e uma) amostras extraídas de oscilografias de medidores alocados nas saídas de alimentadores de distribuição, os quais armazenaram informações de tais correntes nos momentos em que houveram religamentos bem sucedidos (carga quente), bem como em energizações após longos períodos de interrupção (carga fria). Todos os alimentadores analisados pertencem a AES-ELETROPAULO. Os valores (em magnitude) das correntes de inrush foram analisados nos primeiros instantes (16,66 ms e 100 ms) logo após o momento da energização dos alimentadores, sendo os valores estudados como variáveis probabilísticas. As análises desta dissertação fundamentaram-se na comparação dos dados oriundos de medição com os resultados de cálculo segundo o modelo tradicional (aplicação de fatores multiplicativos), na qual se observa uma clara majoração que tende a sobredimensionar os resultados das correntes. Desta forma este trabalho sugere a adoção de valores (ou faixa de valores) mais adequados e que tendem a garantir uma aproximação mais consistente com as medições. Comparando os valores (magnitude) dos fatores multiplicativos para as correntes de inrush entre carga quente e carga fria, verifica-se que as correntes de inrush em carga fria tendem a ser maiores do que em carga quente. Bem como em ambas as cargas, observa-se a relação direta de proporcionalidade do fator multiplicativo com a potência instalada dos alimentadores em termos dos transformadores de distribuição. / The purpose of this dissertation is to analyze the inrush currents generated upon the energization of distribution system feeders. These said currents are relevant for typical designs in electric power concessionaries, for example upon calculating the ideal settings for protection devices. It was analyzed (or studies) 291 (two hundred and ninety one) oscilography samples extracted from measuring devices oscilographs were analyzed. These devices were placed in the beggining of distribution feeders, and stored information on such currents both in successful reclosing (hot load) events and re-energization after long periods of outage (cold load) events. All feeders analyzed belong to the AES-Eletropaulo. The inrush current values (in magnitude) were analyzed right after (more specifically 16.66 ms and 100 ms) the feeder energization. For this reason, its corresponding values were studied as a probabilistic variables. This analysis was based on the comparison between measured data and traditional model (application of factor coefficients) calculation results, in this way, observed it that the traditional model yields over-dimensioned results which lead to oversizement of the results currents. It has thus suggested revised, more suitable values (or bands of values) which are bound to ensure a more consistent approximation to the real measurements. Upon comparing the final value (in magnitude) results on the analysis of the factor coefficients for inrush currents for hot load and cold load, it is observed that the cold load inrush currents tend to be higher than those for hot load. Furthermore, it was observed the direct relation of proportionality of the factor coefficients to the ratings capacity transformer power installed along the feeder lines.

A reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em alterar a topologia das redes através da abertura ou fechamento das chaves de interconexão existentes nos alimentadores de distribuição primários, de forma a otimizar uma determinada função objetivo. Normalmente os objetivos são a minimização de perdas ativas, o isolamento de faltas, o balanceamento de cargas entre alimentadores e/ou a melhoria dos níveis de tensão. Neste trabalho considera-se a minimização da perda ativa total. As dificuldades do problema de reconfiguração de redes de distribuição resultam do tamanho dos sistemas reais, aos quais correspondem um número elevado de variáveis binárias que representam as chaves, e também da relação quadrática existente entre a perda elétrica e a corrente que flui nos elementos da rede. Este trabalho desenvolve algumas novas formulações para o problema de reconfiguração de redes de distribuição, utilizando Programação Não Linear Inteira Mista. Além disso, demonstra-se que a parte contínua de todas as formulações é convexa, o que garante a unicidade da solução ótima para um dado estado das chaves na rede. Esta propriedade permitiu a utilização do Método de Newton na resolução do problema contínuo, com as seguintes vantagens: impossibilidade de o método identificar mínimos locais em vez do mínimo global procurado, e convergência em apenas uma iteração, proporcionada pela natureza quadrática das formulações. As formulações desenvolvidas foram implementadas na forma de programas computacionais. O desempenho das formulações é descrito e analisado através de diversos casos de estudo. / The reconfiguration of electricity distribution systems is concerned with finding the state of switching and protective devices so as to optimize a given objective function, which is usually defined as minimization of total loss, fault isolation, load balancing among feeders, or improvement of voltage profile. In this work, the objective function is defined as the minimization of total active loss. The main difficulties associated with this problem arise from the high number of binary variables that represent the switching and protective devices, as well as the quadratic relationship between electric loss and currents flowing through the network branches. This work develops some new formulations for the distribution system reconfiguration problem, which are then solved through mixed-integer nonlinear programming. In addition, it is shown that the continuous part in all formulations is convex, which guarantees the uniqueness of the optimal solution for a given switch profile. This property allows using the Standard Newton Method for solving the continuous part of the problem, with the following advantages: impossibility of the Newton Method identifying a local minimum instead of the desired global minimum, and convergence in just one iteration owing to the quadratic nature of all formulations. The proposed formulations were implemented as computational programs and their performance was evaluated through various study cases.

Este trabalho apresenta o dimensionamento otimizado de redes pressurizadas de distribuição de água em regime permanente para áreas de topografia relativamente plana. Além dos critérios tradicionais de dimensionamento hidráulico, o resultado ótimo é aquele com menor custo global, ou seja, onde a soma dos custos de implantação e de operação é mínimo. Para a determinação dos resultados, as equações que envolvem a perda de carga nos circuitos e vazões em cada nó foram solucionadas através da programação não linear com emprego de métodos matriciais. As principais variáveis analisadas foram os diferentes materiais das tubulações (PEAD, PVC e Ferro Fundido), tipos de superfície (terra, concreto, paralelepípedo e asfalto), locação da rede (passeio, viário pavimentado e sem pavimentação), tarifas de energia elétrica para concessionárias de água, vida útil usuais para o sistema de bombeamento e taxa de juros ao longo da operação do sistema. Os resultados obtidos através da metodologia proposta demonstraram que as principais variáveis em relação ao custo referencial unitário foram o custo da pressurização inicial, custo da tubulação, além do custo de remoção e recomposição de viário em pavimento asfáltico. / This work presents the optimal design of pressurized networks of water distribution in steady state flow to areas of relatively flat topography. In addition to the traditional hydraulic criteria for design, the optimal outcome is that with lower overall cost, in other words, where the sum of the costs of implementation and operation is minimal. To obtain the results, the equations that involving headloss in the circuits and flows at each node were solved by nonlinear programming with the use of matrix methods. The main variables studied were the different materials of pipes (HDPE, PVC and Cast Iron), surface types (clay, concrete and asphalt paving), network location (walk, paved and unpaved road), electricity tariffs for water utilities, normal life for the pumping system and interest rates along the system operation. The results obtained by the proposed methodology showed that the main variables in relation to the unit cost were the cost of initial pressurization, cost of the pipe, besides the cost of removal and restoration of roads in asphalt pavement.

Este trabalho apresenta o dimensionamento otimizado de redes pressurizadas de distribuição de água em regime permanente para áreas de topografia relativamente plana. Além dos critérios tradicionais de dimensionamento hidráulico, o resultado ótimo é aquele com menor custo global, ou seja, onde a soma dos custos de implantação e de operação é mínimo. Para a determinação dos resultados, as equações que envolvem a perda de carga nos circuitos e vazões em cada nó foram solucionadas através da programação não linear com emprego de métodos matriciais. As principais variáveis analisadas foram os diferentes materiais das tubulações (PEAD, PVC e Ferro Fundido), tipos de superfície (terra, concreto, paralelepípedo e asfalto), locação da rede (passeio, viário pavimentado e sem pavimentação), tarifas de energia elétrica para concessionárias de água, vida útil usuais para o sistema de bombeamento e taxa de juros ao longo da operação do sistema. Os resultados obtidos através da metodologia proposta demonstraram que as principais variáveis em relação ao custo referencial unitário foram o custo da pressurização inicial, custo da tubulação, além do custo de remoção e recomposição de viário em pavimento asfáltico. / This work presents the optimal design of pressurized networks of water distribution in steady state flow to areas of relatively flat topography. In addition to the traditional hydraulic criteria for design, the optimal outcome is that with lower overall cost, in other words, where the sum of the costs of implementation and operation is minimal. To obtain the results, the equations that involving headloss in the circuits and flows at each node were solved by nonlinear programming with the use of matrix methods. The main variables studied were the different materials of pipes (HDPE, PVC and Cast Iron), surface types (clay, concrete and asphalt paving), network location (walk, paved and unpaved road), electricity tariffs for water utilities, normal life for the pumping system and interest rates along the system operation. The results obtained by the proposed methodology showed that the main variables in relation to the unit cost were the cost of initial pressurization, cost of the pipe, besides the cost of removal and restoration of roads in asphalt pavement.

Este trabalho apresenta os resultados obtidos em uma pesquisa, visando utilizar a corrente de fuga como parâmetro indicativo do estado de degradação de materiais poliméricos de rede compacta de média tensão, instalados em ambientes agressivos. Testes foram realizados em laboratório de modo a investigar o comportamento da corrente de fuga com o estado de degradação do material polimérico. Os resultados mostram que a corrente de fuga pode fornecer informações valiosas sobre a degradação. Uma análise minuciosa das características da corrente de fuga mostrou que a freqüência de ocorrência da razão terceira harmônica sobre a componente fundamental é a que melhor caracteriza o fenômeno da degradação. Novos testes foram realizados de forma a definir valores de referência para sua utilização como controle de campo para subsidiar a manutenção preventiva. Para o estado de atenção, foi estabelecida freqüência de ocorrência de 50 para a relação entre 0,35 e 0,40 para um período de 24 horas. Para o estado de alerta, foi estabelecida a freqüência de ocorrência de 80, para um período de 24 horas. Um equipamento foi construído e instalado para indicação no caso de ocorrência de trilhamento elétrico e erosão de materiais poliméricos de uma rede compacta instalada na orla marítima. / This paper presents results obtained after research, aiming at the utilisation of the leakage current to indicate the degradation of polymeric material of distribution line spacer and covered cables located in agressive enviroment. Tests were performed at the laboratory in order to investigate the behavior of the leakage current as function of the stage of degradation of polymeric material. The results showed that the leakage current can provide valuable information about the degradation. A closer analysis of the leakage current caracteristics revealed that the frequency of occurrence of the ratio of third harmonic to fundamental component is the the one that best characterize the degradation phenomenon. New analysis were carried out in order to define reference values to be used in the field, obtaining frequencie of occurrence of 50 and 80, for a ratio between 0,35 and 0,40, in a period of 24 hours, for the warning state and the preventive maintenance alert, respectively. A device was built and installed to indicate tracking and erosion of polymeric material in distribution lines located near the coast.

A reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em alterar a topologia das redes através da abertura ou fechamento das chaves de interconexão existentes nos alimentadores de distribuição primários, de forma a otimizar uma determinada função objetivo. Normalmente os objetivos são a minimização de perdas ativas, o isolamento de faltas, o balanceamento de cargas entre alimentadores e/ou a melhoria dos níveis de tensão. Neste trabalho considera-se a minimização da perda ativa total. As dificuldades do problema de reconfiguração de redes de distribuição resultam do tamanho dos sistemas reais, aos quais correspondem um número elevado de variáveis binárias que representam as chaves, e também da relação quadrática existente entre a perda elétrica e a corrente que flui nos elementos da rede. Este trabalho desenvolve algumas novas formulações para o problema de reconfiguração de redes de distribuição, utilizando Programação Não Linear Inteira Mista. Além disso, demonstra-se que a parte contínua de todas as formulações é convexa, o que garante a unicidade da solução ótima para um dado estado das chaves na rede. Esta propriedade permitiu a utilização do Método de Newton na resolução do problema contínuo, com as seguintes vantagens: impossibilidade de o método identificar mínimos locais em vez do mínimo global procurado, e convergência em apenas uma iteração, proporcionada pela natureza quadrática das formulações. As formulações desenvolvidas foram implementadas na forma de programas computacionais. O desempenho das formulações é descrito e analisado através de diversos casos de estudo. / The reconfiguration of electricity distribution systems is concerned with finding the state of switching and protective devices so as to optimize a given objective function, which is usually defined as minimization of total loss, fault isolation, load balancing among feeders, or improvement of voltage profile. In this work, the objective function is defined as the minimization of total active loss. The main difficulties associated with this problem arise from the high number of binary variables that represent the switching and protective devices, as well as the quadratic relationship between electric loss and currents flowing through the network branches. This work develops some new formulations for the distribution system reconfiguration problem, which are then solved through mixed-integer nonlinear programming. In addition, it is shown that the continuous part in all formulations is convex, which guarantees the uniqueness of the optimal solution for a given switch profile. This property allows using the Standard Newton Method for solving the continuous part of the problem, with the following advantages: impossibility of the Newton Method identifying a local minimum instead of the desired global minimum, and convergence in just one iteration owing to the quadratic nature of all formulations. The proposed formulations were implemented as computational programs and their performance was evaluated through various study cases.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010