Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a modelagem e resolução de problemas de fluxo de carga em sistemas elétricos de potência. O modelo proposto é formado simultaneamente pelo conjunto de equações não lineares que representam as restrições de carga do problema e por restrições de complementaridade associadas com as restrições de operação da rede, as quais propiciam o controle implícito das tensões nas barras com controle de geração. Também é proposta uma técnica para a obtenção dos valores discretos dos taps de tranformadores, de maneira que o ajuste dessas variáveis possa ser realizado em passos discretos. A metodologia desenvolvida consiste em tratar o sistema misto de equações e inequações não lineares como um problema de factibilidade não linear e transformá-lo em um problema de mínimos quadrados não lineares, o qual é resolvido por uma sequência de subproblemas linearizados dentro de uma região de confiança. Para a obtenção de soluções aproximadas desse subproblema foi adotado o método do gradiente conjugado de Steihaug, combinando estratégias de região de confiança e filtros multidimensionais para analisar a qualidade das soluções fornecidas. Foram realizados testes numéricos com os sistemas de 14, 30, 57, 118 e 300 barras do IEEE, e com um sistema brasileiro equivalente CESP 53 barras, os quais indicaram boa flexibilidade e robustez do método proposto. / This work presents a new approach to the load flow problem in electrical power systems and develops a methodology for its resolution. The proposed model is simultaneously composed by nonlinear equations and inequations which represent the load and operational restrictions of the system, where a set of complementarity constraints model the relationship between voltage and reactive power generation in controled buses. It is also proposed a new technique to obtaining a discrete solution for the transformer taps, allowing their discrete adjustment. The method developed treats the mixed system of equations and inequations of the load flow problem as a nonlinear feasibility problem and converts it in a nonlinear least squares problem, which is solved by minimizing a sequence of linearized subproblems, whitin a trust region. To obtain approximate solutions at every iteration, we use the Steihaug conjugate gradient method, combining trust region and multidimensional filters techniques to analyse the quality of the provided solution. Numerical results using 14, 30, 57, 118 and 300-bus IEEE power systems, and a real brazilian equivalent system CESP 53-bus, indicate the flexibility and robustness of the proposed method.

Este trabalho propõe um novo modelo e uma nova abordagem para resolução do problema de fluxo de potência ótimo reativo com variáveis de controle discretas e restrições de atuação de dispositivos de controle de tensão. Matematicamente, esse problema é formulado como um problema de programação não linear com variáveis contínuas e discretas e restrições de complementaridade, cuja abordagem para resolução proposta neste trabalho se baseia na resolução de uma sequência de problemas modificados pelo algoritmo da função Lagrangiana barreira modificada-penalidade-discreto. Nessa abordagem, o problema original é modificado da seguinte forma: 1) as variáveis discretas são tratadas como contínuas por funções senoidais incorporadas na função objetivo do problema original; 2) as restrições de complementaridade são transformadas em restrições de desigualdade equivalentes; e 3) as restrições de desigualdade são transformadas em restrições de igualdade a partir do acréscimo de variáveis de folga não negativas. Para resolver o problema modificado, a condição de não negatividade das variáveis de folga é tratada por uma função barreira modificada com extrapolação quadrática. O problema modificado é transformado em um problema Lagrangiano, cuja solução é determinada a partir da aplicação das condições necessárias de otimalidade. No algoritmo da função Lagrangiana barreira modificada-penalidade-discreto, uma sequência de problemas modificados é resolvida até que todas as variáveis do problema modificado associadas às variáveis discretas do problema original assumam valores discretos. Para demonstrar a eficácia do modelo proposto e a robustez dessa abordagem para resolução de problemas de fluxo de potência ótimo reativo, foram realizados testes com os sistemas elétricos IEEE de 14, 30, 57 e 118 barras e com o sistema equivalente CESP 440 kV de 53 barras. Os resultados mostram que a abordagem para resolução de problemas de programação não linear proposta é eficaz no tratamento de variáveis discretas e restrições de complementaridade. / This work proposes a novel model and a new approach for solving the reactive optimal power flow problem with discrete control variables and voltage-control actuation constraints. Mathematically, such problem is formulated as a nonlinear programming problem with continuous and discrete variables and complementarity constraints, whose proposed resolution approach is based on solving a sequence of modified problems by the discrete penalty-modified barrier Lagrangian function algorithm. In this approach, the original problem is modified in the following way: 1) the discrete variables are treated as continuous by sinusoidal functions incorporated into the objective function of the original problem; 2) the complementarity constraints are transformed into equivalent inequality constraints; and 3) the inequality constraints are transformed into equality constraints by the addition of non-negative slack variables. To solve the modified problem, the non-negativity condition of the slack variables is treated by a modified barrier function with quadratic extrapolation. The modified problem is transformed into a Lagrangian problem, whose solution is determined by the application of the first-order necessary optimality conditions. In the discrete penalty- modified barrier Lagrangian function algorithm, a sequence of modified problems is successively solved until all the variables of the modified problem that are associated with the discrete variables of the original problem assume discrete values. The efectiveness of the proposed model and the robustness of this approach for solving reactive optimal power flow problems were verified with the IEEE 14, 30, 57 and 118-bus test systems and the 440 kV CESP 53-bus equivalent system. The results show that the proposed approach for solving nonlinear programming problems successfully handles discrete variables and complementarity constraints.

Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a modelagem e resolução de problemas de fluxo de carga em sistemas elétricos de potência. O modelo proposto é formado simultaneamente pelo conjunto de equações não lineares que representam as restrições de carga do problema e por restrições de complementaridade associadas com as restrições de operação da rede, as quais propiciam o controle implícito das tensões nas barras com controle de geração. Também é proposta uma técnica para a obtenção dos valores discretos dos taps de tranformadores, de maneira que o ajuste dessas variáveis possa ser realizado em passos discretos. A metodologia desenvolvida consiste em tratar o sistema misto de equações e inequações não lineares como um problema de factibilidade não linear e transformá-lo em um problema de mínimos quadrados não lineares, o qual é resolvido por uma sequência de subproblemas linearizados dentro de uma região de confiança. Para a obtenção de soluções aproximadas desse subproblema foi adotado o método do gradiente conjugado de Steihaug, combinando estratégias de região de confiança e filtros multidimensionais para analisar a qualidade das soluções fornecidas. Foram realizados testes numéricos com os sistemas de 14, 30, 57, 118 e 300 barras do IEEE, e com um sistema brasileiro equivalente CESP 53 barras, os quais indicaram boa flexibilidade e robustez do método proposto. / This work presents a new approach to the load flow problem in electrical power systems and develops a methodology for its resolution. The proposed model is simultaneously composed by nonlinear equations and inequations which represent the load and operational restrictions of the system, where a set of complementarity constraints model the relationship between voltage and reactive power generation in controled buses. It is also proposed a new technique to obtaining a discrete solution for the transformer taps, allowing their discrete adjustment. The method developed treats the mixed system of equations and inequations of the load flow problem as a nonlinear feasibility problem and converts it in a nonlinear least squares problem, which is solved by minimizing a sequence of linearized subproblems, whitin a trust region. To obtain approximate solutions at every iteration, we use the Steihaug conjugate gradient method, combining trust region and multidimensional filters techniques to analyse the quality of the provided solution. Numerical results using 14, 30, 57, 118 and 300-bus IEEE power systems, and a real brazilian equivalent system CESP 53-bus, indicate the flexibility and robustness of the proposed method.

Este trabalho propõe um novo modelo e uma nova abordagem para resolução do problema de fluxo de potência ótimo reativo com variáveis de controle discretas e restrições de atuação de dispositivos de controle de tensão. Matematicamente, esse problema é formulado como um problema de programação não linear com variáveis contínuas e discretas e restrições de complementaridade, cuja abordagem para resolução proposta neste trabalho se baseia na resolução de uma sequência de problemas modificados pelo algoritmo da função Lagrangiana barreira modificada-penalidade-discreto. Nessa abordagem, o problema original é modificado da seguinte forma: 1) as variáveis discretas são tratadas como contínuas por funções senoidais incorporadas na função objetivo do problema original; 2) as restrições de complementaridade são transformadas em restrições de desigualdade equivalentes; e 3) as restrições de desigualdade são transformadas em restrições de igualdade a partir do acréscimo de variáveis de folga não negativas. Para resolver o problema modificado, a condição de não negatividade das variáveis de folga é tratada por uma função barreira modificada com extrapolação quadrática. O problema modificado é transformado em um problema Lagrangiano, cuja solução é determinada a partir da aplicação das condições necessárias de otimalidade. No algoritmo da função Lagrangiana barreira modificada-penalidade-discreto, uma sequência de problemas modificados é resolvida até que todas as variáveis do problema modificado associadas às variáveis discretas do problema original assumam valores discretos. Para demonstrar a eficácia do modelo proposto e a robustez dessa abordagem para resolução de problemas de fluxo de potência ótimo reativo, foram realizados testes com os sistemas elétricos IEEE de 14, 30, 57 e 118 barras e com o sistema equivalente CESP 440 kV de 53 barras. Os resultados mostram que a abordagem para resolução de problemas de programação não linear proposta é eficaz no tratamento de variáveis discretas e restrições de complementaridade. / This work proposes a novel model and a new approach for solving the reactive optimal power flow problem with discrete control variables and voltage-control actuation constraints. Mathematically, such problem is formulated as a nonlinear programming problem with continuous and discrete variables and complementarity constraints, whose proposed resolution approach is based on solving a sequence of modified problems by the discrete penalty-modified barrier Lagrangian function algorithm. In this approach, the original problem is modified in the following way: 1) the discrete variables are treated as continuous by sinusoidal functions incorporated into the objective function of the original problem; 2) the complementarity constraints are transformed into equivalent inequality constraints; and 3) the inequality constraints are transformed into equality constraints by the addition of non-negative slack variables. To solve the modified problem, the non-negativity condition of the slack variables is treated by a modified barrier function with quadratic extrapolation. The modified problem is transformed into a Lagrangian problem, whose solution is determined by the application of the first-order necessary optimality conditions. In the discrete penalty- modified barrier Lagrangian function algorithm, a sequence of modified problems is successively solved until all the variables of the modified problem that are associated with the discrete variables of the original problem assume discrete values. The efectiveness of the proposed model and the robustness of this approach for solving reactive optimal power flow problems were verified with the IEEE 14, 30, 57 and 118-bus test systems and the 440 kV CESP 53-bus equivalent system. The results show that the proposed approach for solving nonlinear programming problems successfully handles discrete variables and complementarity constraints.