Orientador: Prof. Dr. Edmarcio Antonio Belati / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2014.

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para localização e proposição de reforços no sistema de distribuição de energia elétrica através de programação linear, PL, e algoritmo genético, AG. A técnica de PL utilizada para a localização de pontos de reforços e, principalmente, novas subestações de distribuição, é baseada no algoritmo de ?out-of-kilter?, um conhecido algoritmo de transporte. A seleção de melhores alternativas é solucionada através do AG, que permite a modelagem de redes com proporções reais e possibilita a obtenção de resultados em tempos de execução compatíveis para aplicação de atividades em planejamento de sistemas de distribuição de energia. O modelo de algoritmo proposto aloca automaticamente novos reforços, como o recondutoramento de trechos da rede e a expansão de subestações existentes, complementando os reforços candidatos, novas subestações e novos alimentadores, propostos previamente pelo modelo de PL. A metodologia proposta é aplicada à resolução de uma rede de distribuição real, possibilitando a análise da potencialidade que esta modelagem pode oferecer. / This dissertation presents a methodology for the allocation and proposal of new reinforcements in electric distribution systems through linear programming (LP) and genetic algorithm (GA). The linear programming technique used for the allocation of new reinforcements, namely new distribution substation locations, is based on the ?out-of-kilter? algorithm, a well known transport algorithm. The selection of alternatives, determined by technical and economical criteria, is carried out through a genetic algorithm that allows the modeling of real sized distribution networks and makes possible the attainment of results in compatible execution times for distribution network planning. The proposed model places new reinforcements automatically, as it is the case of cable resizing in distribution lines and the expansion of existing substations, complementing the new substations and new feeders proposed by the linear programming model. The proposed methodology is applied to the solution of a real distribution network, showing the potential applications of the models.

Geração Distribuída é uma expressão utilizada para designar a geração elétrica proveniente de locais próximos ou juntos de consumidores, não interferindo a potência, tecnologia ou fonte de energia empregada. Estudos indicam que, até o ano de 2010, 20% do total de geração (em termos mundiais) serão provenientes desta forma de obtenção, uma vez que se torna fático sua vantagem sobre a geração central, por oferecer economia em matéria de investimentos relacionados à transmissão, redução de perdas e melhoria acerca da estabilidade do serviço de energia elétrica. Exemplos de geração distribuída são observados em pequenas centrais hidrelétricas, eólicas, térmicas, fotovoltaicas e geradoras de emergência, por terem pequeno porte e serem integradas ao sistema elétrico. Voltandose por hora ao potencial hidráulico passível de exploração no país, associado por sua vez às pequenas centrais hidrelétricas, tem-se cerca de 4% da potência instalável total (parcela extremamente significativa). De acordo com o Plano 2.015 da ELETROBRÁS, centrais que atingem até 30 MW de potência instalada representam um potencial de 9.456 MW. Informações de Geração da ANEEL indicam que há cerca de 254 PCH em operação no país, totalizando 1327 MW (1,4% do total), 40 empreendimentos em construção (500 MW) e 211 projetos outorgados (construção não iniciada) que, se implantados, adicionarão ao sistema elétrico 3426 MW. O panorama da reordenação da matriz energética nacional não tem apresentado abundância no que diz respeito ao investimento público, direcionado a grandes empreendimentos. Desta forma, as quedas d´água de pequeno e médio porte representam uma evidente opção de geração. As Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH) surgem então como uma alternativa viável, como já especificado anteriormente. Oferece vantagens primeiramente pelo custo acessível, pelo menor prazo de implementação e maturação do investimento, pelas facilidades oferecidas pela legislação, pela disposição das concessionárias de energia elétrica de comprarem o excedente de energia gerada por autoprodutores e finalmente por disponibilizarem o acesso às suas linhas de distribuição e transmissão à longa distância. A partir do incentivo proveniente do Governo Federal para a construção de PCH e descontos nas tarifas de uso dos sistemas de transmissão e distribuição, propiciou-se a ligação de novos pontos de geração de energia no sistema de Distribuição. Com a finalidade de reduzir os custos de transportes de energia, visa-se a localização dos novos pontos de geração próxima aos pontos de consumo potencial. Sendo assim, na medida em que a rede garante a regulação de freqüência e a absorção permanente da potência total, os grupos serão equipados com geradores que não requerem controle com comando sofisticado. Há, todavia, a possibilidade da construção de interligações que devem ser estudadas mesmo quando se tratando de rede de pequeno porte. Sua vantagem está no fato de permitir a utilização de geradores assíncronos, os quais são menos onerosos e mais robustos. Os efeitos da geração nos sistemas de distribuição irão depender do tamanho, do tipo e do local onde será instalada a geração. Atualmente não se tem dado a devida importância aos impactos na proteção da rede de distribuição da concessionária - fato lamentável já que se poderia evitar a degradação da qualidade de energia, confiabilidade e operação - uma vez que se dá prioridade aos benefícios como a energia de backup, a redução dos afundamentos de tensão, a energia de ponta, dentre outras. A partir do momento em que estas PCH são instaladas nas redes de Distribuição, transforma-se um sistema anteriormente radial em um sistema em anel, com mais de uma fonte de contribuição de corrente de curtocircuito. Sendo assim, têm-se como diretrizes deste trabalho abordar temas relacionados aos problemas com falta de coordenação e sensibilidade dos equipamentos de proteção, bloqueio de religamento, necessidade de proteção de sobre-corrente com função direcional, coordenação com consumidores e ramais (gerando problemas de segurança com pessoas e equipamentos) e continuidade de energia. Portanto, é de suma importância a realização sistemática de estudos de proteção de redes com geração de PCH em paralelo, uma vez que é determinante para a segurança e melhoria dos índices de continuidade de serviço. Finalmente, são descritos e analisados detalhadamente, os impactos no sistema de proteção nas redes de distribuição com a ligação de Pequenas Centrais Hidrelétricas, sendo propostas soluções para a redução deste impacto. / Distributed Generation is an expression used to designate the electric generation source in places near or contiguous to consumers, regardless of the power, technology or energy source used. Studies show that, by the year 2010, 20% of the total amount of generation (worldwide) will be acquired this way. The advantages of distributed generation, over central generation, are obvious and include: lower investment needed for transmission, reduction of losses and better performance regarding stability in the electric energy service. Examples of distributed generation include: small hydro electrics, wind turbines, thermals, photovoltaics and emergency generators. These examples are small in size and are interconnected to the electric system. Hydraulic power, which is available through exploration in the country, could comprise about 4% of the total power to be generated (which is a verysignificant portion) in small hydro electrics. According to ELETROBRÁS´ Plan 2,015, a power station that reaches up to 30 MW of installed power represents a potential of 9,456 MW. ANEEL´ information about Generation shows that there are about 254 PCH in operation in the country, which total 1,327 MW (1.4% of the total), 40 enterprises under construction (500 MW) and 211 approved projects (construction has not yet begun) that, when finished, will add 3,426 MW to the electric system. Substantial public investments have not been directed toward the larger enterprises since the re-arrangement of the national energy center. Thus, small and medium sized waterfalls represent a very interesting generation option. The small hydro electrics (PCH) appear as a possible choice, as mentioned before. They offer advantages, such as affordable cost, a short implementation time required, return of investment, support through legislation, the willingness of the electric power utilities to buy the exceeded energy generated by selfproducers and, finally, the possibility of access to its distribution and transmission lines through long distances. The connection of new points of energy generation in the Distribution system was made possible with the support from the Federal Government, through encouragement for PCH constructions and tax discounts for use of the transmission and distribution systems. We plan on locating the new points of generation next to the points of potential consumers with the objective of decreasing energy transportation costs. Thus, as the network guarantees the regulation of frequency and the permanent absorption of the total power, groups are equipped with generators that do not require a sophisticated command control. There is, however, the possibility of building interconnections, which must be studied even when related to the small potency network. The advantage lies in the facts that asynchronous generators can be used - which are cheaper and stronger. The effects of generation on distribution systems will depend on size, type and location where the generation will be installed. The protection of the utilities distribution network should be assigned a higher priority. Instead, we prioritize the benefits of energy production, such as the backup energy, voltage sags, top-notch energy, among others. This is unfortunate, since the protection of the utilities distribution network will avoid the degradation of the energy quality, of reliability and of operations. From the moment that these PCH are installed on the Distribution networks, a radial system is turned into a ring system with more than one source of short-circuit current contribution. Thus, the guidelines for this work are the approach to topics related to problems with the lack of coordination and sensibility of protection equipment, re-connection blockage, necessity of protection of overcurrent with directional function, coordination with consumers and extension lines (causing security problems with people and equipment) and energy continuity. It is of great importance to perform systematic studies on the protection of networks with the simultaneous generation of PCH since they are essential for the security and improvement of the current levels of continuity of service. Finally, the impacts on the distribution system protection of networks with connections to Small Hydroelectric Centrals are described and analyzed in detail, followed by proposals of solutions for the reduction of such impacts.

Este trabalho tem por objetivo apresentar e discutir alguns modelos desenvolvidos para a avaliação do impacto de motores de indução trifásicos nas redes de distribuição de energia elétrica partindo de seus dados de placa e utilizando algoritmos evolutivos para o cálculo dos parâmetros elétricos do circuito equivalente do motor. A discussão é de fundamental importância, na medida em que as distorções na onda de tensão impactam diretamente na qualidade do suprimento promovida por uma concessionária de energia elétrica, a qual deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e frequência constantes. Destaca-se a importância da representação de alguns aspectos específicos na avaliação do impacto de motores trifásicos na rede de distribuição. Por exemplo, a representação correta dos motores de indução na sua partida permitirá a identificação de afundamentos momentâneos de tensão tanto em pontos da rede secundária quanto da rede primária. Este trabalho apresenta o modelo de representação do motor de indução e dos elementos constituintes das redes de baixa e média tensão, incluindo os transformadores de distribuição, que possibilitam a análise do impacto desta carga perturbadora em toda a cadeia da rede, partindo-se do ponto de ligação do equipamento e analisando-se, dependendo do caso, a rede secundária, transformador de distribuição, rede primária e subestação de distribuição. Com o módulo computacional desenvolvido a partir da metodologia proposta neste trabalho, foi possível propor critérios bem definidos para avaliar se a partida de motores causa algum prejuízo para a rede de baixa tensão e/ou aos demais consumidores. Foi apresentado um método detalhado e um método expedito que permitem avaliar a viabilidade da instalação de um motor em uma determinada barra dependendo de sua potência, da potência nominal do transformador de distribuição e da sua distância até o transformador. Os critérios e os métodos estabelecidos neste trabalho constituem-se em uma proposta de regulamentação para o acesso de motores de indução à rede de baixa tensão e representam a segunda grande contribuição deste trabalho. / Much research is currently being conducted on the subject of Power Quality in electrical systems. This stems from the widespread use of polluting devices that introduce distortions on voltage waveforms so these become increasingly different form pure sinusoidal. At the same time, there has also been an increase on the use of sensitive equipment that cannot operate properly when fed by a non-sinusoidal source. This work focuses on the development of a few models aimed at evaluating the impact of electrical motors on electricity distribution networks. Motors have a direct impact on the quality of electrical energy provided to the networks customers, mainly owing to voltage sags during the motors startup. A detailed representation of all components (motors, primary circuits, distribution transformers and secondary circuits) has been developed. This allows a precise identification of critical points of the distribution system as to voltage sags. The first important contribution of this work refers to the computation of the motors equivalent circuit from its rated data using evolutionary algorithms. With these models, two different methods for evaluating the impact of the connection of a motor at a given load point were developed. These methods take into account the motors rated power, the distance between the distribution transformer and the load point, and the transformers rated power. The methods constitute a proposal for a regulatory framework within this subject, and they represent the second major contribution of this work.

Neste trabalho, apresenta-se um método para o Planejamento de Redes de Distribuição Secundária. O modelo básico desenvolvido baseia-se em técnica de programação dinâmica a fim de selecionar a política de evolução de trocas de transformadores de distribuição e rede secundária, com mínimo custo operacional dentro de limites de qualidade de serviço, para o atendimento de carga crescente no tempo em uma área de estudo restrita. Inicialmente, apresenta-se a filosofia básica do método, incluindo-se os dados necessários, critérios de planejamento e metodologia para o cálculo elétrico de redes secundárias. Em sequência, são apresentados três modelos para a solução do problema; tais modelos são diferenciados pela eliminação progressiva de hipóteses simplificativas. Nos dois primeiros modelos, a carga e seu crescimento são supostos uniformemente distribuídos ao longo dos trechos da rede secundária. No terceiro modelo, a distribuição da carga dos pontos presentes na rede secundária, durante o período de estudo, é estabelecida por procedimento randômico, com o único vínculo de serem mantidos os mercados globais de demanda e número de consumidores na área em estudo. Posteriormente, estabelece-se um exemplo de aplicação que permite proceder à comparação entre os três modelos desenvolvidos. Finalizando o trabalho, são estabelecidas as conclusões, possibilidades de aplicação do método em diversos estudos do sistema de Distribuição Secundária e são tecidos comentários sobre tópicos para ulterior desenvolvimento. / This work focuses on a method for the Planning of Secondary Distribution Systems. The basic model deals with dynamic programming in order to get an optimized design - Distribution Transformer and Secondaries - which presents the lowest operation cost within service quality limits in order to supply growing load on a restricted area. Initially the basic concepts of the method are presented, including the establishment of the data base, planning criteria and methodology in order to get operating conditions at secondary networks. Concerning this method, three computational models were established. These models differ form each other as far as some of the simplified hypothesis are eliminated. The first two models consider a uniform distribution of loads along the secondary system. The third model establishes a randomic distribution of loads on the restricted studying area. Following an application example, comparison is proceeded among the developed models. Eventually the conclusions, some possible applications of the method on Distribution system studies and research topics for further developments are settled.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.

Um aspecto importante relacionado à operação de sistemas de distribuição é o referente à segurança nas ações de restabelecimento pós-perturbações, em manobras emergenciais e programadas, onde necessite de transferência de cargas entre alimentadores aéreos primários de uma mesma subestação ou para uma subestação adjacente, de forma segura e confiável. Devem-se observar os requisitos de carregamento, tensão a nível sistêmico, proteção, entre outros. Atualmente as decisões e tomadas de ações referentes às manobras necessárias para os remanejamentos de cargas são de competência dos operadores que atuam nas salas de controle de operações e, em muitos casos, respaldadas somente na experiência de cada operador, acumulada ao longo do tempo. Este trabalho visa o estudo dos fenômenos físicos envolvidos em situações que coloquem alimentadores aéreos primários de distribuição em paralelo ou mesmo quando se forme uma configuração em anel fechado. Estas manobras podem ser executadas através de alimentadores e transformadores distintos, de mesma potência ou de potências diferentes, estabelecendo diretrizes e respaldando os operadores das salas de controle em situações de emergência, urgência ou programadas no sistema aéreo de distribuição. O objetivo principal é oferecer informações técnicas, possibilitando as tomadas de decisões mais adequadas na coordenação de manobras no sistema aéreo de distribuição, em tempo real. Cada uma delas tem condições que se pode considerar como a mais adequada para a execução dos procedimentos estabelecidos, porém sem os principais subsídios técnicos. Desta forma, algumas variáveis como tensão mínima, limites de carregamento de equipamentos, ângulo de fase dos transformadores, restrições operativas do sistema e de consumidores, devem ser aplicadas em tempo real para a tomada de decisão por parte dos operadores do sistema elétrico. / An important aspect related to the distribution systems operation concerns the safety required in the post-disturbances restorement actions or in the emergency and scheduled maneuvers, which involve the need for load transfer between primary overhead feeders of a same sub-station or for an adjacent sub-station, in a safe and reliable way, complying with the loading requirements, voltage at systemic level and protection, among others. Currently the decisions and taking actions related to the necessary maneuvers to carry out the load transfers are responsibility of the operators who work in the operations control rooms, and in many cases, only endorsed by each operator´s own experience, gathered along the time. This paper aims at the study of the involved physical phenomena in situations that place distribution primary overhead feeders in parallel or even when a configuration in closed ring is formed, via distinct transformers and feeders of same or different powers, establishing guidelines and endorsing the control rooms operators in emergency, urgency or scheduled situations in the distribution overhead system. The main objective is to provide technical information, enabling more adequate taking decisions in the distribution overhead system maneuvers coordination, in real time. Each of them has conditions that can be considered the most adequate to carry out the established procedures, however without the main technical information. Thus, some variables such as minimum voltage, equipment loading limits, transformers´ phase angle, the operational restrictions of the system and customers must be applied in real time for the taking decision by the electrical system operators.

A busca no aumento da vida útil dos transformadores de distribuição, redução dos custos de manutenção e mitigação de falhas, leva ao desenvolvimento de novos materiais e critérios de exploração diferenciados desses ativos. Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de um novo transformador de distribuição compacto e mais eficiente utilizando óleo vegetal isolante totalmente biodegradável. Além de biodegradável, o óleo vegetal utilizado possui menor agressividade ambiental e maior capacidade térmica aumentando, a capacidade de carregamento do transformador sem comprometer a sua vida útil. A fim de atestar essa menor agressividade em relação ao óleo mineral, ensaios foram efetuados em um equipamento que permaneceu 12 anos em operação. O equipamento foi totalmente desmontado para análise e coleta de amostras de papel e óleo vegetal isolante. As análises visam comprovar a menor agressividade em relação ao óleo mineral, apresentadas na revisão bibliográfica. A menor agressividade torna possível a proposição de uma nova filosofia de planejamento de redes de distribuição utilizando uma quantidade menor dos novos transformadores para uma mesma carga, tornando-a mais compacta e eficiente. / The search of increase on the life expectancy of distribution transformers, reducing maintenance costs and mitigation failures, leads to the development of new materials and different operating criteria of these assets. This research presents the development of a new distribution transformer compact and more efficient with insulating in vegetable oil totally biodegradable. In addition to biodegradable, the vegetable oil used has less environmental aggressiveness and greater thermal capacity, increasing the loading capacity of the transformer without compromising its life expectancy. To prove that the vegetable oil is less aggressive than mineral oil, tests were done out in a transformer that worked for 12 years. The equipment was disassembled for analysis and collection of samples of vegetable oil and paper insulation. The analyses aim to prove the lesser aggressiveness compared to mineral oil, presented in the literature review. This situation makes it possible the proposition of a new philosophy of planning of distribution networks using a smaller amount of new transformers for the same load, making it more compact and efficient.

As empresas concessionárias de energia elétrica convivem com elevados custos de manutenção em suas redes de distribuição de energia elétrica; em particular um dos motivos está ligado a preço e durabilidade de cruzetas de madeira, seja na sua instalação inicial, seja na sua troca que pode ocorrer freqüentemente, havendo a necessidade de utilização de madeiras nobres em princípios as quais, além do preço, sofrem restrições ambientais em seus usos. Este trabalho visa à análise destas vigas de madeira, do ponto de vista de ensaios mecânicos e suas simulações computacionais, com base em madeiras com menores restrições ambientais, submetidas ou não a impregnação com resina poliuretana derivada do óleo de mamona. É apresentado, também, um texto para o auxílio de futuros leitores e usuários na aplicação do software ANSYS. / The power supply dealership companies live together with high maintenance costs on electrical systems, in private one of reasons is linked to the cost and durability of wood crossarms, either in its initial installation, either in its exchange that can occur frequently, having the necessity of noble wood use in principles which, beyond the price, suffer enviromental restrictions in its uses. This work aims at to the analysis of these beams wooden, of the point of view of mechanical tests and its computational simulation, on the basis of wood with lesser enviromental restrictions, submitted or not to the impregnation with castor-oil polyurethane resin. It is presented, also, a text for the aid of reading and using futures in the application of software ANSYS.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.