Orientador: Falcondes José Mendes Seixas / Banca: Dilson Amancio Alves / Banca: Priscila da Silva Oliveira / Resumo: Com o passar dos anos houve a difusão de cargas não lineares no sistema elétrico, e o fator de potência, que antes sofria influência apenas do fator de deslocamento, passa também a ser influenciado pela DHT (Distorção Harmônica Total) do sistema. As componentes harmônicas têm significativo impacto na qualidade de energia do sistema elétrico como um todo, resultando dentre outros problemas, ao acréscimo das perdas no sistema elétrico, dificuldades na medição e diminuição da vida útil de capacitores. Com intuito de mitigar esses impactos no sistema, diversas são as soluções aplicáveis, sendo uma dentre elas, o emprego do conversor de 12 pulsos. Este trabalho tem como objetivo a análise experimental do conversor 12 pulsos que faz uso de um transformador com culatra intermediária. Deseja averiguar como se porta o transformador que emprega a culatra intermediária, e é desenvolvido o equacionamento para mensurar a magnitude e fase do fluxo que atravessa a mesma. Neste trabalho serão analisados os impactos provenientes da retirada do transformador de interfase do circuito. Será feita a comparação experimental dos casos de operação (com e sem IPT) verificando quais as vantagens de se operar em cada uma destas condições. Os resultados obtidos experimentalmente serão comparados à norma IEC 61000-3-2 / Abstract: Over the years there was a diffusion of nonlinear loads in power system, and the power factor, which previously suffered only influence by the displacement factor, now is decreased by the THD (Total Harmonic Distortion) of the system. Harmonic components have significant impact on the power electrical quality of the system as a whole, resulting among other problems, such as the addition of losses in the electric system, difficulties in the measurement and reduction of the useful life of capacitors. In order to reduce these impacts in the system, there are several applicable solutions, one among them, the use of 12-pulse converter. This paper aims to analyze the experimental pulse converter 12 which makes use of a transformer with intermediary yoke. A modeling of the flux in the core was made to know how its behavior in the intermediary yoke. It will be analyzed the impacts of interphase transformer removal. Comparison will be made on an experimental operation of both cases (with and without IPT) verifying the advantages of operating at each of these conditions. The experimental results are compared with standard IEC 61000-3-2 / Mestre

Orientador: Sérgio Kurokawa / Banca: Marina Lavorato de Oliveira / Banca: Edgar Manuel Carreno Franco / Resumo: As soluções das equações diferenciais de uma linha de transmissão são geralmente de difícil obtenção devido a sua complexidade, especialmente quando os efeitos da frequência e solo são considerados. Considerando essa característica foram propostos dois modelos para estudar os transitórios eletromagnéticos de linha de transmissão monofásica. O primeiro é o modelo a parâmetros discretos que considera a linha de transmissão representada por uma cascata de circuitos π e as correntes e tensões ao longo da cascata são descritas por equações de estado e suas soluções são obtidas por métodos numéricos de integração desenvolvidos diretamente no domínio do tempo. O segundo é o modelo a parâmetros distribuídos que transforma as equações diferenciais no domínio do tempo em equações hiperbólicas algébricas no domínio da frequência e uma vez obtidas as soluções a, usando a Transformada Inversa de Laplace implementada numericamente, são obtidas as soluções no domínio do tempo. Observa-se a presença de oscilações espúrias nas simulações do modelo a parâmetros discretos quando a linha de transmissão é representada por cascatas de circuitos π. Neste trabalho serão analisadas as oscilações espúrias presentes nas simulações obtidas para uma linha de transmissão monofásica e trifásica de comprimento fixo e representada por distintas quantidades de circuitos π e submetida a diversas condições de energização. Será projetado um filtro passivo analógico inserido diretamente no modelo a parâmetros discretos para reduzir as oscilações espúrias nas simulações obtidas, tornando-o mais preciso e confiável para análise de transitórios eletromagnéticos em sistemas de potência / Abstract: The solutions of differential equations of a transmission line are generally difficult to obtain due to the complexity of these equations. Considering this characteristics, two models have been proposed to study the electromagnetic transient in transmission line. The first model considers the discrete parameters to represents the transmission line using a cascade of π - circuit and the uses numerical integration methods developed directly in the time domain. The second model considers the distributed parameter of the transmission line. The differential equations in time domain are transformed to algebraic equations in the frequency domain and once obtained the solutions, using Inverse Laplace Transform implemented numerically, the solutions are obtained in the time domain. It was observed the presence of spurious oscillations when a transmission line is represented by a cascade of π-circuits. In this work the spurious oscillations will be analyzed using the simulations obtained from a single and three-phase transmission line. For these analyses, the transmission line is considered with fixed length and represented by different quantities of the π-circuits and the line energized by different voltage sources. It will be designed an analog low-pass filter inserted directly in the lumped parameters transmission line model to reduce spurious oscillations in the simulations, making it more accurate and reliable for the analysis in electromagnetic transients in power systems / Mestre

Orientador: Sergio Kurokawa / Co-orientador: Eduardo Coelho Marques da Costa / Banca: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Rogério Andrade Flauzino / Resumo: Um modelo de linhas de transmissão é desenvolvido diretamente no domínio do tempo com base no método de Bergeron. A inclusão do efeito da frequência sobre os parâmetros longitudinais é realizada no domínio do tempo por meio da aproximação de Z(ω) por uma função racional utilizando "vector fitting". As perdas na linha são representadas por meio de uma impedância variável em função da frequência, modelada por elementos discretos de circuitos elétricos obtidos a partir dos polos e zeros da função racional obtida no ajuste da curva de Z(ω). Dessa forma, o efeito da frequência pode ser incluído no modelo de Bergeron diretamente no domínio do tempo. O modelo proposto nesta dissertação de mestrado é validado com base nos resultados obtidos a partir do conceituado modelo "Universal Line Model" e do modelo de linha por equações de estado levando em conta o efeito da frequência / Abstract: A transmission line model is developed directly in the time domain based on the Bergeron's method. The inclusion of the frequency effect in the longitudinal parameters is performed in the time domain through the approximation of the Z(ω)by a rational function using vector fitting. The line losses are represented with a variable impedance as a function of frequency, modeled by discrete elements of electrical circuits obtained through the poles and zeros of the adjusted Z(ω) curve. Thus, the frequency effect can be included in the Bergeron's model directly in the time domain. The proposed model in this Master's thesis is validated with the results obtained from the prestigious Universal Line Model and with the line's model that takes into account the frequency effect through state equations / Mestre

Orientador: Fábio Bertequini Leão / Banca: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: João Bosco Augusto London Junior / Resumo: Neste trabalho são apresentadas propostas de modelagem matemática para otimização do problema de restauração de sistemas de distribuição de energia elétrica radiais. O problema de restauração consiste em estratégias de reconfiguração topológica da rede elétrica para o restabelecimento ótimo do fornecimento de energia elétrica para áreas desatendidas após interrupção permanente do fornecimento. O objetivo principal é atender à maior demanda possível do sistema durante o estado restaurativo, preservando o atendimento às restrições físicas e operacionais da rede elétrica, cumprindo, assim, os critérios de qualidade e confiabilidade do serviço prestado. O problema tem sido resolvido há muitas décadas através de metodologias heurísticas, sendo as meta-heurísticas as técnicas mais empregadas. Na literatura especializada não há propostas de modelagem matemática para resolução exata do problema de restauração pelas técnicas de otimização clássica. A razão principal era o desconhecimento de uma forma eficiente de representar a restrição de radialidade através de relações algébricas simples. Recentemente, a representação da restrição de radialidade foi apresentada na literatura. Portanto, a proposta deste trabalho é apresentar finalmente formulações matemáticas para resolução exata do problema de restauração de sistemas de distribuição que operam em topologia radial. São essencialmente propostas duas formulações matemáticas diferentes: a primeira proposta trata o problema de restauração com uma abordagem simplificada, em que algumas restrições do problema são relaxadas; e a segunda proposta trata o problema de restauração de forma completa, onde todas as restrições fundamentais relacionadas aos requisitos técnicos e operacionais do sistema elétrico de distribuição são consideradas. Os modelos matemáticos podem ser resolvidos... / Abstract: This work presents proposals of mathematical modeling to optimize the restoration problem of radial distribution electrical systems. The restoration problem consists in strategies of topological reconfiguration of the electrical network for optimal restoration of the electric energy supply to outage areas. The main objective is to supply the most possible demand of the system under the restorative state, preserving the physical and operational constraints of the electrical network, satisfying the criteria of quality and reliability of provided service. The problem has been solved for many decades by heuristic methodologies, with the meta- heuristics as the most used techniques. In the specialized literature there are no proposals for mathematical modeling to exact solving of the restoration problem through classical optimization techniques. The main reason was the lack of an efficient way to represent the radiality constraint through simple algebraic relations. Recently, a representation of the radiality constraint was presented in the literature. Therefore, the proposal of this work is to present mathematical formulations for exact solving of the restoration problem of distribution systems operating in radial topology. Two different mathematical formulations are essentially proposed: the first proposal addresses the restoration problem with a simplified approach, where some constraints of the problem are relaxed; and the second proposal addresses the restoration problem with a full approach, where all the fundamental constraints related to technical and operational requirements of the distribution electrical system are considered. The mathematical models can be solved using efficient commercial solvers, appropriate to the type of problem that was formulated in each proposed approach. In this work, mathematical models have been implemented in the mathematical programming environment AMPL and solved ... / Mestre

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Antonio Padilha Feltrin / Banca: Walmir de Freitas Filho / Resumo: O problema da alocação ótima das chaves de interconexões nos sistemas de distribuição de média tensão é um problema do planejamento da operação dos sistemas de energia elétrica, de natureza combinatória e sujeito a restrições técnicas e operacionais que derivam em modelos complexos, não-lineares, não determinísticos e, em muitos casos, não analíticos e difíceis de representar matematicamente. Portanto, a melhor opção para obter soluções de boa qualidade em tempo razoável são as técnicas heurísticas modernas. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na formulação de modelos matemáticos convexos e resolvida utilizando o algoritmo de busca inteligente GRASP, para gerar soluções de boa qualidade ao problema da alocação ótima das chaves de interconexões. As chaves alocadas pela metodologia fornecem um esquema de restauração eficiente que, em caso de uma falta permanente, possa isolar a zona afetada pela falta e restaurar o serviço elétrico da maior quantidade possível de usuários. Por outro lado, as chaves instaladas pela metodologia proposta, também são aproveitadas para otimizar o ponto de operação em estado estacionário do sistema e os índices de confiabilidade experimentados pelos usuários, ou seja, reduzir as perdas de potência ativa e melhorar probabilísticamente os índices de continuidade da duração e da frequência das interrupções (SAIDI e SAIFI) quando o sistema opera em condições normais. Para demonstrar a eficácia e flexibilidade do algoritmo proposto dois sistemas testes, de 43 e 136 nós, serão utilizados para resolver diferentes instâncias do problema da alocação / Abstract: The optimal switch allocation problem in electrical distribution systems is a combinatorial optimization problem, subject to a set of technical and operational constraints that produces complex, nonlinear, nondeterministic and, in many cases, non-analytical and difficult to represent optimization models. Therefore, the best approach to provide high quality solutions, in reasonable time, is the use of modern heuristics algorithms. This work presents an optimization methodology based on the formulation of convex mathematical models and solved by using a simplified GRASP algorithm, in order to provide high quality solutions to the switch allocation problem. The allocated switches establish an efficient restoration scheme that, in case of a permanent fault, isolates the faulty zone and restores the electrical service of as many users as possible. On the other hand, the switches allocated by the proposed methodology, are also used to optimize the steady-state operating point of the system and the reliability indices experienced by the users, i.e., the active power losses are reduced and the reliability indices, SAIDI and SAIFI, are improved when the system is operating flawlessly. In order to show the efficiency and flexibility of the proposed switch allocation methodology, two test systems have been proposed and different allocation instances have been solved / Mestre

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Ruben Augusto Romero Lazaro / Banca: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Antonio César Baleeiro Alves / Banca: Geraldo Roberto Martins da Costa / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvida uma estratégia de resolução de problemas de otimização em sistemas de distribuição de energia elétrica que são modelados como problemas de programação não linear inteira mista (PNLIM), através da teoria de programação cônica de segunda ordem (PCSO) com variáveis inteiras e contínuas (PCSOIM). Apesar dos modelos de PNLIM e de PCSOIM, não serem problemas de otimização equivalentes, foi provado que é possível garantir, mediante algumas condições, que a solução encontrada pelo modelo de PCSOIM é a solução ótima para o problema de PNLIM. A estratégia traçada nesta tese permite a substituição de alguns problemas de PNLIM, com região de busca não convexa, de difícil resolução, de grande porte, e sem garantia de ótimo global; por problemas de PCSOIM que possuem formulação convexa, com solução ótima garantida pelo solver comercial robusto. Os modelos foram implementados em linguagem AMPL e foram utilizados os solvers CPLEX e KNITRO para a resolução. A metodologia proposta foi avaliada para os seguintes problemas de otimização em sistemas de distribuição de energia elétrica: reconfiguração de sistemas de distribuição, análise de sistemas de distribuição com geração distribuída, operação ótima e alocação ótima de banco de capacitores e reguladores de tensão e operação ótima de dispositivos de armazenamento de energia em sistemas com fontes renováveis. Os sistemas testados foram os de 3, 11, 33, 42, 70, 136, 202 e de 400 nós / Abstract: In this work it is presented a strategy for solving optimization problems in power distribution systems that are modeled as mixed integer nonlinear programming (MINLP) problems, through the theory of second-order cone programming (SOCP) with integer and continuous variables (MISOCP). Despite MINLP models and MISOCP optimization problems are not equivalent, it was proven that it is possible to guarantee, through some conditions, that the solution found by the MISOCP model is the optimal solution to the MINLP problem. The strategy outlined in this thesis, allows the replacement of some MINLP problems, with a non- convex region of search, difficult to solve, large, and with no guarantee of global optimal convergence, by MISOCP problems that have convex formulation, for which optimal solution convergence can be ensured by robust commercial solvers. The models were implemented in AMPL language and solved by CPLEX and KNITRO. The proposed methodology was evaluated for the following distribution problems: reconfiguration of distribution systems, analysis of distribution systems with distributed generation, optimal operation and optimal allocation of capacitor banks and voltage regulators and optimal operation of energy storage devices in networks with renewable energy sources. The 3, 11, 33, 42, 70, 136, 202 and 400 bus systems were tested / Doutor

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: Marcos Julio Rider Flores / Banca: João Bosco Augusto London Junior / Resumo: O problema da reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em determinar a topologia radial, que pode ser obtida por meio da abertura ou fechamento de chaves de seccionamento (normalmente fechadas) e de ligação (normalmente abertas), de forma que um objetivo seja atingido, geralmente a minimização das perdas, balanceamento das cargas, melhoria dos níveis de tensão ou isolamento de faltas. Além disto, a topologia ótima deve cum- prir com restrições operacionais, como o limite de tensão nas barras e os limites de correntes nos circuitos. O modelo deste problema é de programação não linear inteira mista, não convexo e de difícil solução através de técnicas clássicas de otimização, além disto, este problema apre- senta o fenômeno da explosão combinatória. Neste trabalho são apresentadas metodologias, baseadas na meta-heurística de busca em vizinhança variável, para resolver o problema da re- configuração de sistemas de distribuição de energia elétrica considerando vários níveis de de- manda e topologia fixa da rede, que visa encontrar uma única topologia ótima para operar nos vários níveis de demanda de um período. O objetivo considerado é a minimização do custo das perdas de energia. Foram desenvolvidas quatro formas do algoritmo de busca em vizinhança variável: Basic Variable Neighborhood Search (BVNS), Variable Neighborhood Descent (VND), Reduced Variable Neighborhood Search (RVNS) e General Variable Neighborhood Search (GVNS). Todos os programas foram escritos em linguagem FORTRAN. Os algoritmos propostos foram testados com os sistemas de 33, 84, 136, 415 e 10477 barras. Os resultados foram comparados com os existentes na literatura especializada e os obtidos pela resolução de um modelo de otimização, escrito em linguagem AMPL e resolvido com o solver comercial CPLEX / Abstract: The distribution network reconfiguration problem consists in determining the radial to- pology, that can be obtained by opening and closing sectionalizing switches (normally closed switches) and tie switches (normally open switches), so that an objective is achieved, commonly loss minimization, load balancing, voltage levels improvement or fault isolation. Furthermore, the optimal topology must satisfy operational constraints, such as voltage levels on nodes and current magnitude on circuits. The model for this problem is a mixed-integer nonlinear pro- gramming problem, non-convex and hard to solve by classical optimization techniques, besides, this problem presents the combinatorial explosion phenomenon. This work presents methodol- ogies, based on the variable neighborhood search metaheuristic, to solve the distribution net- work reconfiguration problem with variable demand and fixed topology, which aims in finding only one optimal topology to operate on the various load levels during a period. The considered objective is the reduction of the cost of energy losses. Four variable neighborhood search algo- rithms were developed: Basic Variable Neighborhood Search (BVNS), Variable Neighborhood Descent (VND), Reduced Variable Neighborhood Search (RVNS) and General Variable Neigh- borhood Search (GVNS). All programs were implemented in FORTRAN. The proposed algo- rithms were tested with the 33, 84, 136, 415 and 10477-node systems. The results were com- pared with the best-known solutions presented in specialized literature and the solutions ob- tained from an optimization model, written in AMPL and solved with commercial solver CPLEX / Mestre

Orientador: Sérgio Kurokawa / Banca: Julio Borges de Souza / Banca: José Carlos da Costa Campos / Resumo: Na criação e funcionamento de um sistema elétrico é de suma importância a correta parametrização das linhas de transmissão. Com o passar do tempo foram desenvolvidos modelos para o estudo e modelagem desses fatores que resume em representações matemáticas. Esses modelos apresentam algum grau de erro, já que tomam como certas condições iniciais e assumem critérios que podem ser uteis num caso e prejudicial no outro. Neste trabalho foi desenvolvida estimação de parâmetros da linha diretamente das medições das correntes e tensões da linha, assim pode omitir ou reduzir ao mínimo estas considerações. Uma linha de transmissão trifásica foi decomposta em seus três modos e cada modo foi modelado através de um único circuito π. Foram encontradas as equações dos parâmetros em função das correntes e tensões que são resolvidas pelo método dos mínimos quadrados. Este método numérico foi escolhido como base para esta pesquisa já que o mesmo tem como prioridade encontrar a solução de um sistema de equações minimizando o erro. Através do programa M ATLAB baseando-se na representação de parâmetros distribuídos para linha longa e usando a teoria da decomposição modal estima-se os parâmetros de uma linha trifásica com plano de simetria vertical. As medições das grandezas nos terminais da linha são feitas em regime transitório / Abstract: To create and operate the electrical system it is important to estimate transmission lines parameters precisely. Through history there has been developed many models for the study of this factors that are summarize in very precise mathematical representations. All these models are the foundation of the similar existing studies used for parameterizing, but there are too many considerations and assumptions that have to be accounted for these models to work. Therefore, they can either simplify the problem or make it worse. Trying to minimize this error, new methods for estimating line parameters are being developed using the records of a line's terminals current and voltages. A three-phase line will be decomposed in its three modes and each mode will be represented as one sole -circuit. A system of equations that relates the line parameters with the line terminal voltages and currents is found and solved using the least square method. This numerical method was chosen because its priority is to find the solution to a system of equations that allows the error to be minimal. Using the MATLAB software, the representation for a long transmission line and the modal decomposition, the line parameters of a three-phase transmission line with vertical symmetry, are estimated. The records are taken during faults / Mestre

Orientador: Carlos Roberto Minussi / Banca: Mara Lúcia Martins Lopes / Banca: José Guilherme Magalini Santos Decanini / Resumo: O estudo do processo de previsão constitui-se numa rotina de extrema importância para o funcionamento e a operação dos sistemas elétricos de potência. Para isso, há a necessidade de se prever os acontecimentos futuros visando o fornecimento de energia aos consumidores, de forma segura, eficaz e econômica. Neste sentido, nesta pesquisa, apresenta- se uma metodologia, baseada nas redes neurais, para resolver o problema de previsão de carga. São propostas melhorias na rede neural, via o emprego do algoritmo retropropagação (backpropagation), por meio da adaptação dos parâmetros de inclinação e de translação da função sigmoide (função ativação da rede neural). Além disto, é desenvolvido um controlador fuzzy com o propósito de ajustar a taxa de treinamento durante o processo de convergência. Visando testar a metodologia proposta, apresenta-se um estudo de previsão da carga considerando-se uma base de dados de uma companhia do setor elétrico / Abstract: The prediction process study is a very important task for the operation of the electrical power systems. Therefore, it is necessary to predict the future behavior to provide energy with security, efficiency and economy to the users. This work presents a methodology based on neural networks to solve the problem of load forecasting. The proposal is to improve the neural network using the backpropagation algorithm adapting the inclination and translation parameters of the sigmoid function (activation function of the neural network). Besides, it is developed a fuzzy controller to adjust the training during the convergence process. To test the proposed methodology, it is presented a load forecasting study considering a database from an electrical energy company / Mestre

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: Sérgio Azevedo de Oliveira / Banca: Carlos Roberto Mendonça da Rocha / Resumo: O aumento consistente e constante do consumo de energia elétrica, o crescimento irregular e desordenado de edificações residenciais, comerciais e industriais, dentro e fora dos centros urbanos, as irregularidades nas características do fator de potência das cargas instaladas, podem colocar em xeque o bom desempenho dos sistemas elétricos de distribuição sendo necessário e urgente, a aplicação de ferramentas computacionais eficientes que atuem na otimização da operação. A investigação, análise e projeto destes sistemas são o foco da automação da distribuição, que visa redução das perdas técnicas que pode ser feita através da reconfiguração e alocação de bancos de capacitores que contribuirão para o melhoramento nos perfis de tensão e a minimização de perda de potência ativa nas linhas. Este trabalho visa propor a melhoria no desempenho econômico da operação de sistemas de distribuição através da minimização de determinados custos da operação, propondo investimentos que garantam lucros em seu retorno, através da solução simultânea dos problemas de reconfiguração de sistemas de distribuição radiais para alguns tipos de carregamento e do problema da alocação dos bancos de capacitores que será feita através de urna metaheurística especializada para avaliar a qualidade de cada proposta de solução fornecida pela meta-heurística sendo implementado um módulo de fluxo de carga em sistemas de distribuição radial com uso de um algoritmo de varredura / Abstract: The consistent and steady increase in electricity consumption, the irregular and uncontrol­ led growth of residential, commercial and industrial buildings, inside and outside urban centers, the irregularities in the characteristics of the power factor of the loads installed, can risk the good performance electrical distribution systems is necessary and urgent, the application of eflicient computational tools that work on optimizing the operation. The research, analysis and design of these systems is the focus of distribution automa­ tion, which aims to reduce technical losses can be clone by reconfiguring and allocation of capacitors which contribute to the improvement in the voltage profile and minimizing loss active power lines. This work aims to propose improvements in the economic perfor­ mance of the distribution system operation by minimizing certain costs of the operation, proposing investments to ensure profits on their return, by the simultaneous solution of the reconfiguration of radial distribution systems problems for some types of loading and allocation problem of capacitor banks to be made by a specialized metaheurist to assess the quality of each proposed solution provided by metarheuristics are implemented a load module radial flow distribution system using an algorithm scan / Mestre