Este trabalho propõe uma metodologia baseada em técnicas inteligentes capaz de fornecer uma coordenação otimizada de relés direcionais de sobrecorrente instalados em sistemas de energia elétrica. O problema é modelado como um caso de programação não linear inteira mista, em que os relés permitem ajustes discretizados de múltiplos de tempo e/ou múltiplos de corrente. A solução do problema de otimização correspondente é obtida através de uma metaheurística nomeada como Discrete Particle Swarm Optimization. Na literatura técnico-científica esse problema geralmente é linearizado e aplicam-se arredondamentos das variáveis discretas. Na metodologia proposta, as variáveis discretas são tratadas adequadamente para utilização na metaheurística e são apresentados os resultados que foram comparados com os obtidos pelo modelo clássico de otimização implementado no General Algebraic Modeling System (GAMS). Tendo em vista os aspectos observados, o método permite ao engenheiro de proteção ter um subsídio adicional na tarefa da coordenação dos relés direcionais de sobrecorrente, disponibilizando uma técnica eficaz e de fácil aplicabilidade ao sistema elétrico a ser protegido, independentemente da topologia e condição operacional. / This work proposes a methodology that based on intelligent technique to obtain an optimized coordination of directional overcurrent relays in electric power systems. The problem is modeled as a mixed integer nonlinear problem, because the relays allows a discrete setting of time and/or current multipliers. The solution of the proposed optimization problem is obtained from the proposed metaheuristic named as Discrete Particle Swarm Optimization. In scientific and technical literature this problem is usually linearized and discrete variables are rounded off. In the proposed method, the discrete variables are modeled adequately in the metaheuristic and the results are compared to the classical optimization solvers implemented in General Algebraic Modeling System (GAMS). The method provides an important method for helping the engineers in to coordinate directional overcurrent relays in a very optimized way. It has high potential for the application to realistic systems, regardless of topology and operating condition.

Ser eficiente é um requisito para a sustentabilidade das empresas concessionárias de distribuição de energia elétrica no Brasil. A busca pela eficiência deve estar em harmonia com a melhoria contínua da qualidade, da segurança e da satisfação dos consumidores e das partes envolvidas. O desafio de atender múltiplos objetivos requer que as empresas do setor desenvolvam soluções inovadoras, com a mudança de processos, tecnologia, estrutura e a capacitação das pessoas. Desenvolver um modelo operacional eficiente e uma gestão rigorosa dos custos são fatores-chave para o sucesso das empresas, considerando o contexto regulatório de revisão tarifária que incentiva a melhoria do desempenho. O modelo operacional é definido a partir da organização logística dos recursos para atendimento da demanda de serviços, que define também os custos fixos e variáveis de pessoal (salário, horas extras, refeições), infraestrutura (manutenção de prédios, ferramentas e equipamentos) e deslocamentos (manutenção de veículos, combustível), por exemplo. A melhor alocação e o melhor dimensionamento de bases operacionais possibilitam a redução dos custos com deslocamento e infraestrutura, favorecendo o aproveitamento da força de trabalho em campo, a melhoria do atendimento dos clientes e da segurança dos colaboradores. Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização de custos através da alocação de bases e equipes operacionais, com o modelamento matemático dos objetivos e restrições do negócio e a aplicação de algoritmo evolutivo para busca das melhores soluções, sendo uma aplicação de Pesquisa Operacional, no campo da Localização de Instalações, em distribuição de energia elétrica. O modelo de otimização desenvolvido possibilita a busca pelo ponto de equilíbrio ótimo que minimiza o custo total formado pelos custos de infraestrutura, frota (veículos e deslocamentos) e pessoal. O algoritmo evolutivo aplicado no modelo oferece soluções otimizadas pelo melhoramento de conjuntos de variáveis binárias com base em conceitos da evolução genética. O modelo de otimização fornece o detalhamento de toda a estrutura operacional e de custos para uma determinada solução do problema, utilizando premissas de produtividade e deslocamentos (velocidades e distâncias) para definir as abrangências de atuação das bases operacionais, recursos (equipes, pessoas, veículos) necessários para atendimento da demanda de serviços, e projetar todos os custos fixos e variáveis associados. A metodologia desenvolvida neste trabalho considera também a projeção de demanda futura para a aplicação no estudo de caso, que evidenciou a efetividade da metodologia como ferramenta para a melhoria da eficiência operacional em empresas de distribuição de energia elétrica. / Being efficient is a requirement for the sustainability of electricity distribution companies in Brazil. The quest for efficiency must be in harmony with the continuous improvement of quality, safety and satisfaction of customers and all stakeholders involved. The challenge of attending multi-objectives requires companies in the sector to develop innovative solutions with the change of processes, technology, structure and enabling their professionals to drive this. Developing an efficient operational model and a strict cost management are keys for companies to achieve success, considering the regulatory context of tariff reviewing that encourages performance improvement. The operational model is defined from the logistics organization of resources to meet the demand of services, which also defines fixed and variable costs with people/teams (payments, overtime, meals), infrastructure (maintenance of building, tools and equipments) and fleet (maintenance of vehicles and fuel costs), for example. The best allocation and the best design of operational facilities (or operational bases) will reduce infrastructure costs and truck rolls, releasing workforce to attend customers and reducing displacements risks. This work presents a cost optimization methodology through the allocation of operational bases and teams, with the mathematical modelling of business objectives, constraints and using Evolutionary Algorithm to find the best solution, as an application of Operations Research in the field of Facility Location in electricity distribution. The optimization model enables the search for the optimal balance point that minimizes the total cost formed by infrastructure, fleet and people. The Evolutionary Algorithm applied in the model offers optimized solutions through the improvement of sets of binary variables based on genetic evolution concepts. The optimization model also gives detailed information about the operational structure and costs for a given allocation solution, using productivity and displacements (speed, distances) information to define the service regions for each operational base and resources (people, vehicles) needed to attend the demand of services, defining all fixed and variable costs for this. The methodology presented in this paper also considers the future demand of services (forecast), used in a case study that showed the effectives of this methodology as a tool for the improvement of operational efficiency in electricity distribution companies.

Submitted by Maria Aparecida (cidazen@gmail.com) on 2017-08-02T11:31:43Z No. of bitstreams: 1 Felipe Oliveira.pdf: 3179442 bytes, checksum: 0988804a0a58c2aaf337ea2f5034dc42 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-02T11:31:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Felipe Oliveira.pdf: 3179442 bytes, checksum: 0988804a0a58c2aaf337ea2f5034dc42 (MD5) Previous issue date: 2017-02-17 / The locational marginal prices (LMPs) are essential financial guidelines for the electricity industry, which orientates most of the projects and deliberations in electrical market environments. In current scenario of the electricity markets, wind power plants and energy storage systems have been revealing itself as feasible and relevant electrical energy supply alternatives. In this work a generic methodology based on artificial intelligence (AI) techniques is formulated and applied to the calculation and decomposition of LMPs of electric power systems (EPS) with the insertion of energy storage systems and wind farms. In the proposed AI-based methodology the optimal power flow (OPF) model, on which the calculation and decomposition of LMP is based, considers the wind behavior profile volatility, the risks of wind power levels previously scheduled, and the energy storage systems operative peculiarities. The proposed AI-based methodology takes into account the mathematical and computational models of the particle swarm optimization (PSO) algorithm. This proposal was properly implemented and applied for the computation and decomposition of LMPs of test systems and considering different operative scenarios involving conventional power plants, wind farms, and energy storage systems. / Os preços marginais locacionais (LMPs – Locational Marginal Prices) consistem em diretrizes financeiras mercadologicamente indispensáveis para a indústria da eletricidade, os quais norteiam grande parte dos projetos e deliberações no âmbito dos mercados elétricos. No panorama vigente dos mercados elétricos, as plantas de geração eólica e os sistemas de armazenamento de energia vêm progressiva e ininterruptamente se revelando alternativas de suprimento de eletricidade cada vez mais relevantes e viáveis. Neste trabalho, é formulada uma metodologia genérica baseada em técnicas de inteligência artificial (IA) cuja aplicação tem o objetivo de computar e decompor os LMPs associados às barras constituintes de um sistema elétrico de potência (SEP) integrado por geradores convencionais, plantas de geração eólica e por sistemas de armazenamento de energia. Na metodologia IA proposta, o modelo de fluxo de potência ótimo (FPO) sobre o qual se alicerça o cômputo e a decomposição dos LMPs associados às barras de um SEP, leva em consideração a volatilidade inerente ao perfil comportamental dos ventos, os riscos associados à assunção de níveis previamente programados de potência proveniente da geração eólica e as peculiaridades operativas concernentes aos sistemas de armazenamento de energia. Adotando-se os modelos matemáticos e computacionais dos algoritmos de otimização por enxame de partículas (PSO – Particle Swarm Optimization), a metodologia IA proposta foi devidamente implementada e aplicada na aquisição e decomposição dos LMPs associados às barras constituintes de sistemas-testes submetidos a diferentes cenários operativos envolvendo centrais de geração convencionais, plantas de geração eólica e sistemas de armazenamento de energia.

Este trabalho propõe uma metodologia baseada em técnicas inteligentes capaz de fornecer uma coordenação otimizada de relés direcionais de sobrecorrente instalados em sistemas de energia elétrica. O problema é modelado como um caso de programação não linear inteira mista, em que os relés permitem ajustes discretizados de múltiplos de tempo e/ou múltiplos de corrente. A solução do problema de otimização correspondente é obtida através de uma metaheurística nomeada como Discrete Particle Swarm Optimization. Na literatura técnico-científica esse problema geralmente é linearizado e aplicam-se arredondamentos das variáveis discretas. Na metodologia proposta, as variáveis discretas são tratadas adequadamente para utilização na metaheurística e são apresentados os resultados que foram comparados com os obtidos pelo modelo clássico de otimização implementado no General Algebraic Modeling System (GAMS). Tendo em vista os aspectos observados, o método permite ao engenheiro de proteção ter um subsídio adicional na tarefa da coordenação dos relés direcionais de sobrecorrente, disponibilizando uma técnica eficaz e de fácil aplicabilidade ao sistema elétrico a ser protegido, independentemente da topologia e condição operacional. / This work proposes a methodology that based on intelligent technique to obtain an optimized coordination of directional overcurrent relays in electric power systems. The problem is modeled as a mixed integer nonlinear problem, because the relays allows a discrete setting of time and/or current multipliers. The solution of the proposed optimization problem is obtained from the proposed metaheuristic named as Discrete Particle Swarm Optimization. In scientific and technical literature this problem is usually linearized and discrete variables are rounded off. In the proposed method, the discrete variables are modeled adequately in the metaheuristic and the results are compared to the classical optimization solvers implemented in General Algebraic Modeling System (GAMS). The method provides an important method for helping the engineers in to coordinate directional overcurrent relays in a very optimized way. It has high potential for the application to realistic systems, regardless of topology and operating condition.

A busca de uma melhor qualidade da energia passa necessariamente por um melhor entendimento dos fenômenos relacionados às descargas atmosféricas. No caso de redes de distribuição com tensões nominais inferiores a 69 kV, uma parcela significativa das interrupções se deve às sobretensões induzidas por descargas próximas às linhas. Este trabalho teve por objetivo desenvolver e implantar um sistema para estudo de tensões induzidas em linhas de distribuição devido a descargas atmosféricas indiretas através da obtenção simultânea das formas de onda de tensões induzidas em duas linhas com diferentes configurações. Além das linhas, equipadas com divisores de tensão especialmente projetados para medições de tensões impulsivas, também fazem parte do sistema uma torre metálica para captação de descargas, construída nas proximidades das linhas, o sistema de medição instalado em sua base para registro de correntes de descargas que eventualmente incidam em sua estrutura e o programa computacional que gerencia os processos de aquisição e armazenamento de dados. A metodologia adotada no estudo é pioneira no que se refere a descargas naturais, pois somente em pesquisa desenvolvida pelo Grupo de Alta Tensão e Descargas Atmosféricas (GATDA/USP) através de modelo em escala reduzida foram obtidos registros simultâneos de tensões induzidas pelas mesmas descargas em linhas de distribuição com e sem proteção. O presente estudo representa uma extensão da pesquisa realizada com modelo reduzido, sendo a metodologia anteriormente desenvolvida transportada para um sistema em escala real. O sistema entrou em operação no final de fevereiro de 2002, tendo sido registradas várias formas de onda de tensões induzidas, comprovando o seu desempenho satisfatório. Este trabalho descreve os principais componentes do sistema e apresenta alguns dos resultados preliminares obtidos. / For improving the energy quality it is essential to understand the phenomena related to the lightning discharges. In the case of distribution networks with rated voltages lesser than 69 kV, there is a significant number of interruptions caused by overvoltages induced by lightning discharges near to the lines. The aim of this work was to develop and to implement a system to study lightning induced voltages on distribution lines through simultaneous acquisition of induced voltages waveforms on two lines with different configurations. Besides the lines, equipped with voltage dividers specially designed to measure impulsive voltages, also belong to the system a metallic tower built in the vicinity of the lines, the measuring system installed at its base to register lightning currents that eventually hit it and the computer programme that manages the acquisition and data storage process. The methodology adopted in the study is pioneer concerning natural lightning, since records of voltages induced simultaneously on unprotected and protected distribution lines by the same lightning event were obtained only in a previous research developed by the High Voltage / Lightning Research Group (GATDA/USP), by means of a scale model. The present study represents an extension of that research, so that the same methodology previously developed has been transferred to a real scale system. The system started to operate in the end of February 2002 and several induced voltages waveforms have been registered, confirming its satisfactory performance. This Dissertation describes the system and its main components and shows some of the preliminary results obtained so far.

Nos dias atuais, há muitos casos em que sistemas de potência estão operando perto dos seus limites de estabilidade devido a restrições econômicas e leis ambientais. A estabilidade de tensão é uma matéria de muita pesquisa e interesse devido a que é considerado como uma das maiores ameaças na segurança dos sistemas. Uma prevenção exitosa de colapso do sistema baseia-se na precisão do método, a simplicidade dos índices, e muito baixo tempo de computação. Este trabalho apresenta uma rede Perceptron Multicamada (PMC) como proposta para monitoramento em tempo real da estabilidade de tensão de sistemas de potência usando como principais dados de entrada medidas obtidas do sistema SCADA. Os dados de treinamento são obtidos com cálculos de fluxo de potência continuado. A rede Perceptron Multicamadas é apresentada como um aproximador universal de funções, que diminui o tempo computacional dos métodos convencionais como o fluxo de potência continuado. Por fim, a topologia da rede PMC proposta é avaliada com o sistema de 30 barras do IEEE, e os resultados em relação ao tempo de computação e precisão são comparados com o método de fluxo de potência continuado. / Nowadays, many power systems are operating near their limits of stability due to economic restrictions and environmental laws. Voltage stability is a subject of great interest because it is considered one of the greatest threats for power systems security. The keys to preventing blackouts are the accuracy of the method, speed indication, and low computation time. This work presents a Multi-layer Perceptron (PMC) network as a proposal for real-time monitoring of voltage stability in power systems using input data obtained from the SCADA system. The training data are obtained by running Continuation Power Flow (CPF) routine. The multi-layer Perceptron network is presented as a universal approximator, reducing the computation time of conventional methods such as the Finally, the proposed PMC network is evaluated in the IEEE 30-bus system. Computation time and accuracy are compared with the continuation power flow method.

Os smart grids são tidos como a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas distribuídos e inteligência artificial para prover maiores funcionalidades sobre acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta abordagem alteraria fundamentalmente a maneira como se dá o planejamento e a operação de sistemas de distribuição, e há grandes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca de implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem a partir do uso de sistemas multiagentes para estudar o gerenciamento de sistemas de distribuição, do ponto de vista da reconfiguração da topologia da rede, simulando as características de um smart grid. Nesta dissertação, foi desenvolvido um sistema multiagente para simulação computacional de um sistema de distribuição elétrico do tipo smart grid, buscando executar a reconfiguração topológica do sistema a partir de dados de carga capturados de forma distribuída pelos agentes dispersos na rede elétrica. Espera-se que o desenrolar da pesquisa conduza à vários estudos sobre algoritmos e técnicas que melhor implementem tais funcionalidades a serem transpostas para um ambiente de produção. / Smart grids are taken as the new generation of electric power systems, combining advances in computing, distributed systems and artificial intelligence to provide more features on real-time monitoring of demand and consumption of electricity, managing large-scale distributed generators, among others, from a distributed control system on the grid. This approach fundamentally alter the way how is the planning and operation of distribution systems, and there are great possibilities for research and development offered in the quest to implement these features. With that environment, this text uses an approach through the use of multi-agent systems to study the management of the distribution system, from the reconfiguration of grid topology, simulating the characteristics of a smart grid. In this text, was developed a multiagent system to computational simulation of a distribution system like smart grid to topological reconfiguration, from datas collected for agents in electrical grid. It is expected that the conduct of research leads to several studies about better algorithms and techniques that would implement such functionality in a production environment.

Neste trabalho será apresentado um algoritmo de pontos interiores para a solução do problema de fluxo de carga ótimo (FCO). A abordagem proposta é o método primai dual barreira logarítmica. As restrições de desigualdade do problema de FCO são transformadas em igualdades pelo uso de variáveis de folga, e estas são incorporadas na função objetivo através da função barreira logarítmica. A esparsidade da matriz Lagrangeana é explorada e o processo de fatoração é feito por elementos e não por submatrizes. Resultados numéricos de testes realizados em sistemas de 3, 14, 30 e 118 barras serão apresentados com o objetivo de mostrar a eficiência do método. / In this thesis an interior point algorithm is presented for the solution of the optimal power flow problem (OPF). The approach proposed here is the logarithmic barrier primal-dual method. The inequality constraints of the optimal power flow problem are transformed into equalities by slack variables that are incorporated into the objective function through the logarithmic barrier function. The sparsity of the Lagrangian matrix is explored and the factorization process is carried out by elements rather than submatrices. Numerical tests results obtained with systems of 3, 14, 30 and 118 buses are presented to show the efficiency of the method.

Buscou-se refletir de que forma as decisões governamentais afetam o setor energético e como os agentes reagem ao modelo e à instabilidade das regras vigentes. O estudo compreende uma breve revisão da estrutura do atual modelo e dos principais riscos que envolvem a comercialização de eletricidade. Partiu-se do pressuposto que o preço é o maior risco presente no Setor Elétrico Brasileiro (SEB), uma vez que é o reflexo de uma somatória de riscos. Os preços analisados são: i) o preço de curto prazo de energia elétrica (PLD), sua relação com as usinas termoelétricas e o despacho fora da ordem de mérito; ii) a tarifa de energia elétrica no ambiente cativo e livre, as principais variáveis de influência e uma projeção dos valores futuros; e iii) o preço de longo prazo de energia elétrica, uma revisão do resultado dos leilões e a discussão sobre a prorrogação / licitação das concessões de geração pelo governo. Entendendo a estreita relação que existe entre os três preços discutidos (tarifa, PLD e contratação de longo prazo) propõe-se uma metodologia alternativa para formação de carteiras eficientes de recursos de geração com o objetivo de demonstrar a importância de promover a expansão através de um sólido planejamento de longo prazo. Demonstra-se a metodologia em um estudo de caso em que se discute os resultados alcançados. Por fim, três medidas de melhoria ao atual modelo do SEB são sugeridas: 1) O planejamento de longo prazo da expansão da geração ser feito de forma integrada, considerando aspectos sociais, políticos, ambientais e econômicos; 2) Desassociar o custo marginal de expansão do custo marginal de operação; e 3) Criar um mecanismo para que o próprio mercado possa estabelecer o preço de curto prazo da energia elétrica. / It is intended to reflect how the governmental decisions affect the energy sector, as the agents react to the model and the instability of the effective rules. The research understands a brief of the current electric sector model structure and the main risks that involve the electricity trade. It was assumed that the price is the largest present risk in the Brazilian Electric Sector (BES), because it is the consequence of a sum of risks. The prices analyzed are: i) the short term price of electric power, its relation with the thermoelectric plants and the out of merit order dispatch; ii) the tariff of electric power in the captive and free environments, the main influence variable and a projection of the future values; and iii) the long term price of electric power, an auctions results revision and the question of to renew or to bid the currents concessions for generation plants at the end of the granted period. Understanding the narrow relationships existent between the three argued prices (tariff, short and long term prices) it is proposed an alternative methodology to build efficient portfolio of generation resources to demonstrate the importance of long term plan to promote the expansion. The methodology is demonstrated in a study case where the results are discussed. Finally, three measures of improvement to the current model of the BES are suggested: 1) A long term plan to expand the generation resources based in an integrated methodology that involves social, ambiental politics and economics aspects; 2) To disassociate the operational marginal costs to the expansion marginal costs; and 3) To create a mechanism in order that the market itself can to establish the spot price of electric power.

Esta dissertação realiza uma análise comparativa de sobretensões transitórias que ocorrem durante o chaveamento de disjuntores a vácuo. Estas sobretensões podem ocasionar a falha da isolação dos equipamentos conectados aos disjuntores, conforme vários relatos da literatura. Esse fenômeno está associado às características intrínsecas dos disjuntores a vácuo, na formação do arco elétrico em seu interior e de sua interrupção, na sua capacidade de recuperação da rigidez dielétrica, na sua capacidade de interromper correntes de alta frequência, além de características do circuito protegido. Devido à natureza complexa e aleatória das sobretensões transitórias, observou-se a necessidade do desenvolvimento de ferramentas para reprodução dos fenômenos associados às características operacionais dos disjuntores a vácuo. Esse trabalho busca preencher tal lacuna, desenvolvendo um modelo que contempla o comportamento do disjuntor a vácuo tanto para a manobra de abertura quanto para de fechamento, de modo a colaborar com o entendimento dos fenômenos e no cálculo das sobretensões no domínio do tempo. O algoritmo desenvolvido foi implementado no programa Alternative Transient Program (ATP) por meio da linguagem Models. A partir da preparação desse modelo e da escolha de um experimento de referência, foi possível analisar o comportamento do modelo proposto do disjuntor e dos modelos dos principais componentes elétricos dos programas de cálculo de transitórios elétricos, como transformadores e cabos, cujos méritos e deficiências são discutidos ao longo do trabalho. A pesquisa foi orientada em buscar resultados que pudessem ser mais representativos para validação do modelo de disjuntor ao se alterar os modelos dos demais componentes elétricos do circuito, sendo o ajuste dos parâmetros dos disjuntores a vácuo realizados de forma a obter os resultados mais próximos da referência. Por fim, foram simuladas condições onde os fenômenos de sobretensão se agravam e soluções que podem ser incorporadas ao circuito para redução das sobretensões e das frequências dos transitórios. / The current dissertation project performs a comparative analysis of the transient overvoltages generated during the switching of vacuum circuit breakers. The overvoltage phenomenon for these cases can lead to the insulation failure of the equipment connected to the circuit-breakers, according to several reports in the literature. This phenomenon is associated to intrinsic characteristics of the vacuum circuit-breakers, as the formation of the electric arc in their interior and its interruption, their dielectric strength recovery, in their capacity to interrupt high frequency currents interruption, beyond characteristics from the circuit. Due to the complex and random nature of the transient overvoltage, the necessity of developing tools to reproduce such phenomenon associated to the operational features of the vacuum circuit-breaker arose. This dissertation seeks filling this gap, by developing a model that contemplates the vacuum circuitbreaker behavior for both opening and closing switching, in order to collaborate with the understanding of such phenomenon and in the calculations of overvoltages in the time domain. The developed algorithm was implemented in the software Alternative Transient Program (ATP) by means of the programming language Models. From the preparation of this model and from the choice of a reference experiment, it was possible to analyze the behavior of the proposed model and of the models from the main electrical components present in software to calculate electrical transients, e.g. transformers and cables, which merits and deficiencies are discussed along the dissertation. The research was oriented in searching for results that could be more representative to the validation of the circuit-breaker model when changing the models of the remaining electrical components of the circuit, being the parameters adjustment of the vacuum circuit-breakers performed in order to achieve the results closer to the reference. Finally, conditions to aggravate the transitory and the incorporation of solution to reduce the overvoltage and frequencies of the transients were also simulated.