[pt] O objetivo desta dissertação é realizar uma introdução aos estudos e às aplicações dos Esquemas de Proteção de Sistemas -EPSs- usados para manter a segurança dos Sistemas de Energia Elétrica. Um pequeno conjunto de definições e conceitos das áreas de proteção, confiabilidade e análise de desempenho de sistemas de potência é apresentado com o objetivo de distinguir os EPSs das proteções convencionais de componentes do sistema. Isto também ajuda a entender as funções dos EPSs com mais clareza. Os EPSs são usados para manter a integridade do sistema quando este está submetido a fenômenos que provocam instabilidade ou desligamentos em cascata. A classificação e a descrição destes fenômenos, bem como a aplicação dos EPSs estão mostradas nesta dissertação. A estrutura geral dos EPSs, as formas de classificá-los e as diferentes ações usadas pelos EPSs para controlar as perturbações são objeto de análise do trabalho. Para exemplificar, é dada uma visão de como se situam os EPSs no Sistema Interligado Brasileiro (SIB) e também pelo restante do mundo. Alguns EPSs usados no Brasil mereceram destaque especial.As análises dos principais blecautes ocorridos no Brasil e na América do Norte são apresentadas, de forma resumida, no apêndice I. Dessas análises são tiradas muitas lições para implementar medidas que minimizam o risco de interrupções no suprimento de energia. Também é feita uma comparação do grau de severidade dos grandes blecautes ocorridos no Brasil e, para os dois maiores, é realizada uma estimativa dos seus respectivos custos de interrupção. Procurou-se também, no apêndice II, estabelecer os requisitos básicos para a implantação de EPSs que usem tecnologia baseada em microprocessadores.Com base na experiência vivida nos estudos desenvolvidos pelo grupo que analisou a segurança do SIB após o blecaute de 11-MAR-99, foram estabelecidos critérios e procedimentos para analisar a segurança do sistema e realizar estudos de implantação de EPSs. E, como desfecho, é realizado um breve estudo do SIB, onde é analisado o desempenho dos EPSs para controlar graves emergências que podem ocorrer no presente momento. / [en] The objective of this dissertation is to accomplish an introduction to the studies and the applications of the System Protection Schemes -SPSs- used to maintain the Electric Energy Systems safety. A small group of definitions and concepts from the protection,reliability and power systems performance analysis areas is presented with the objective of distinguishing SPSs from the conventional system component protections. It also helps in understanding the functions of the SPSs with more clarity. The SPSs are used to maintain the integrity of the system when it is submitted to phenomena that provoke instability or cascade circuit outages. The classification and the description of these phenomena, as well as the SPSs application are shown in this dissertation. The general structure of the SPSs, the ways of classifying them and the different actions used by SPSs to control the disturbances are the objectives of the analysis of this work. In order to exemplify, a vision is given of how the SPSs are located in the Brazilian Interconnected System -BIS- and also in the rest of the world. Some SPSs used in Brazil deserved special attention.The analyses of the main blackouts that occurred in Brazil and in North America are presented, in a summarized term, in appendix I. Considerable knowledge is obtained from these analyses, leading to implementation measures that minimize the risk of interruptions in the energy supply. A comparison is also made of the degree of severity of the great blackouts that happened in Brazil and, for the two largest, an estimate of their respective interruption costs is made. In appendix II, an attempt was also made to establish the basic requirements for the SPSs implementation using microprocessing technology. Based on the experience lived during the studies developed by the group that analyzed the safety of the BIS after the blackout on March 11/1999, criteria and procedures to analyze the safety of the system and to accomplish studies of SPSs implantation were established. Finally, a brief study of the BIS is done, where the SPSs performances are analyzed to verify the ability to control serious emergencies that can happen in the present moment.

Both electric power systems and the transportation sector are essential constituents to modern life, enhancing social welfare, enabling economic prosperity and ultimately providing well-being to the people. However, to mitigate adverse climatological effects of emitting greenhouse gases, a rigorous de-carbonization of both industries has been set on the political agenda in many parts of the world. To this end, electrifying personal vehicles is believed to contribute to an affordable and reliable energy model that provides tolerable environmental impact. Representing an inherently flexible electricity demand, plug-in electric vehicles (PEVs) promise to facilitate the integration of variable renewable energy sources. Yet, how should the PEVs' system usage be ideally coordinated for providing benefits to electric power systems in the presence of resource scarcity? The thesis develops a model of an aggregation agent as the interface to the wholesale electricity generators, which is envisaged to be in charge of procuring energy in electricity markets, exposed to uncertainty in prices, fleet availability and demand requirements. This aggregator could coordinate the PEV charging either with direct load control (DLC), i.e., sending power set points to the individual vehicles, or with indirect load control (ILC), i.e., by sending retail price signals. Contributing to the technical literature this thesis has on the one hand proposed a two-stage stochastic linear program for the PEV aggregator's day-ahead and balancing decisions with DLC over a large fleet of PEVs, while accounting for conditional value at risk in the objective function. On the other hand, it has put forward a formulation of ILC coordination as a bi-level optimization problem given by mathematical programming with equilibrium constraints, in which 1) the upper level decisions on retail tariffs and optimal bidding in electricity markets are subject to 2) the lower level client-side optimization of PEV charging schedules. These decisions may respect a potential discomfort that could arise when PEV users have to deviate from their preferred charging schedule. Set in an existing, real medium voltage distribution network with urban characteristics and spatial PEV mobility, network UoS tariffs for capacity have been applied to both DLC and ILC scheduling by a PEV aggregator. / Både elkraftsystem och transportsektorn är nödvändiga komponenter av vårt moderna liv – de förstärker den sociala välfärden, möjliggör ekonomisk framgång och bidrar slutligen med välmående för folket. För att undvika skadliga klimateffekter av utsläppta växthusgaser har en rigorös utfasning av fossila bränslen inom båda dessa sektorer prioriterats på politiska agendor runtom i världen. På så vis förväntas elektrifieringen av personbilar bidra till en prisvärd och pålitlig energimodell som ger en acceptabel miljöpåverkan. Med en betydande flexibilitet i efterfrågan på el har elbilarna möjlighet att underlätta integrationen av förnybara energikällor. Frågan är då, hur ska elbilarnas elanvändning koordineras för att bäst bistå elkraftsystemet med hänsyn till resursbrist? Det huvudsakliga syftet med den här forskningen är att föreslå beslutsstödsverktyg som kan förbättra systemeffektiviteten genom elbilsladdning. Forskningen utvecklar en modell för en aggregatoragent som länk till grossistelproducenterna, som antas vara ansvariga för att köpa energi på elmarknaden, under osäkerhet inom priser, tillgång på bilar och efterfrågan. Aggregatorn kan koordinera elbilsladdningen antingen genom direkt efterfrågekontroll, med kraftbegräsningar för enskilda elbilar, eller genom indirekt efterfrågekontroll, men prissignaler. Den här avhandlingen har å ena sidan föreslagit ett tvåstegs stokastiskt linjärt program för elbilsaggregatorns spotmarknads- och balansbeslut med direkt efterfrågekontroll för en stor elbilsflotta, genom att ta hänsyn till conditional value at risk i målfunktionen. Å andra sidan har den tagit fram en formulering för koordinering av indirekt efterfrågekontroll som ett bileveloptimeringsproblem med jämviktsrestriktioner, där 1) de övre besluten om slutkundspriser och optimal budgivning i elmarknaderna med förbehåll för 2) den lägre optimeringen av kundoptimeringen av laddningsscheman. Dessa beslut kan åsamka möjligt obehag för elbilsanvändarna då de behöver avvika från sina föredragna laddningsscheman. Kapacitetsnätverkstariffer har tillämpats både för direkt och indirekt laddningskontroll för en elbilsaggregator, i ett existerande distributionsnätverk med urbana egenskaper och spatiala laddningsscheman för elbilar. / ¿Cómo sería nuestra sociedad moderna, si no existiese el acceso generalizado a la electricidad y cómo viviríamos sin transporte motorizado? Parece muy difícil imaginar nuestras sociedades contemporáneas en países desarrollados sin los sistemas eléctricos como la columna vertebral para incrementar el beneficio social, el desarrollo económico y ultimadamente el bienestar humano. No hay duda que el sector transporte es un constituyente esencial para la vida moderna. Sin embargo, para mitigar los efectos adversos de los gases de efecto invernadero, una rigorosa descarbonización del sector eléctrico y transporte ha sido establecida en la agenda política de muchas partes del mundo. En este sentido, se espera que los vehículos contribuyan a lograr un modelo energético accesible y fiable con un impacto ambiental tolerable. Pero todavía existe una duda: ¿Exactamente cuánto deberían coordinarse los vehículos eléctricos, de tal manera que puedan proveer beneficios al sistema eléctrico en la presencia de escasez de recursos? El principal objetivo de esta investigación es proponer herramientas de soporte que puedan mejorar la eficiencia de todo el sistema a través de la carga de vehículos eléctricos. Un agente agregador podría ser el interfaz con el mercado mayorista de electricidad en la cual el agregador está encargado de comprar energía en los mercados eléctricos exponiéndolo a la incertidumbre de precios, la disponibilidad de la flota de vehículos y los requerimientos de demanda. Este agregador podría coordinar la carga de vehículos eléctricos con control directo de carga (CDC), esto es enviando consignas a los vehículos individuales, o con control indirecto de cargas (CIC), enviando señales de precios minoristas. Esta tesis contribuye con la literatura técnica en dos maneras, por un lado propone una programación lineal en dos etapas con CDC para el agregador de vehículos eléctricos que toma decisiones de oferta en el mercado diario y desvíos de energía para una flota grande de vehículos eléctricos, mientras se tiene en cuenta el valor en riesgo condicional. Por otro lado, se propone una formulación de coordinación con CIC como un problema de optimización binivel dado por una programación matemática con restricciones de equilibrio, donde 1) las decisiones del nivel superior son el diseño de las tarifas minoristas y las ofertas óptimas en los mercados, que dependen de 2) las decisiones de optimización de tiempo de carga de los vehículos eléctricos por parte de los clientes, que se da en un nivel inferior. Las tarifas de red han sido aplicadas a ambos CDC y CIC, estas tarifas están basadas en una red de distribución de media tensión con características urbanas y con movilidad de vehículos eléctricos. / Zowel het elektrische energiesysteem als het transportsysteem leveren een essentiële bij-drage aan de hedendaagse samenleving: het verhogen de maatschappelijke welvaart, het toelaten van economische vooruitgang, en het verbeteren van het menselijke welzijn. Echter, om de nadelige effecten van broeikasgassen te beperken, is een verregaande decarbonisatie van beide sectoren een belangrijk politiek agendapunt geworden in verschillende delen van de wereld. De elektrificatie van personenwagens wordt geacht bij te dragen aan een betaalbaar en betrouwbaar energiemodel dat een aanvaardbare milieu impact heeft. De inherente flex-ibiliteit in de energievraag van plug-in elektrische voertuigen (PEV’s) is beloftevol voor de facilitering van de integratie van hernieuwbare energiebronnen. De vraag is: hoe kan het opladen van PEV’s het best gecoördineerd worden om voordelig te zijn voor het elektrische energiesysteem op momenten van productieschaarste? Het belangrijkste doel van dit onderzoek is om beleidsondersteunende hulpmiddelen aan te bieden, om het totale systeemrendement te verbeteren door middel van het gecoördineerd opladen van PEV’s. Het proefschrift ontwikkelt een model van een aggregatie-agent die als interface fungeert naar de groothandelsmarkt van elektriciteitsproducenten. De aggregator is verantwoordelijk voor de aankoop van de energie op deze elektriciteitsmarkten, en is bij-gevolg blootgesteld aan prijsvolatiliteiten, de beschikbaarheid van de voertuigvloot, en de vereiste energievraag. Deze aggregator kan het opladen van de PEV‘s coördineren via directe lastregeling (Direct Load Control, DLC), het verzenden van de vermogenssetpoints naar de individuele voertuigen, of via indirecte lastregeling (Indirect Load Control, ILC), het sturen van prijssignalen. De bijdrage van dit proefschrift aan de technische vakliteratuur is tweeledig. Ener-zijds wordt er een tweetraps stochastische lineaire programmatiemethode voorgesteld voor de beslissingen van de PEV aggregator op de day-ahead markt en de balanceringsmarkt, waarbij rekening gehouden wordt met het voorwaardelijke risicogehalte van de doelfunctie. Ander-zijds wordt er een formulering van de ILC-coördinatie voorgesteld, als een bi-level optimalisatie probleem dat gebaseerd is op de wiskundige programmeringsmethode met evenwichtsbeperkin-gen. Hierbij zijn er 1) de high-level beslissingen omtrent de retailtarieven en de optimale biedstrategie in de elektriciteitsmarkten, en 2) de low-level optimalisatie van de individuele PEV oplaadschema’s. Deze beslissingen kunnen een mogelijk ongemak creëren door de af-wijking van het optimale laadschema voor de PEV-gebruiker. Voor een realistisch en bestaand stedelijk middenspanning distributienetwerk en ruimtelijk PEV mobiliteitsgedrag, zijn UoS capaciteitstarieven toegepast door een PEV-aggregator, zowel voor DLC- als ILC-gebaseerde laadcoördinatie. / <p>SETS Joint Doctorate</p><p>The Erasmus Mundus Joint Doctorate in Sustainable Energy Technologies and Strategies, the SETS Joint Doctorate, is an international programme run by six institutions in cooperation:</p><p>• Comillas Pontifical University, Madrid, Spain</p><p>• Delft University of Technology, Delft, the Netherlands</p><p>• Florence School of Regulation, Florence, Italy</p><p>• Johns Hopkins University, Baltimore, USA</p><p>• KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden</p><p>• University Paris-Sud 11, Paris, France</p><p>The Doctoral Degrees provided upon completion of the programme are issued by Comillas Pontifical University, Delft University of Technology, and KTH Royal Institute of Technology.</p><p>The Degree Certificates are giving reference to the joint programme. The doctoral candidates are jointly supervised, and must pass a joint examination procedure set up by the three institutions issuing the degrees.</p><p>This Thesis is a part of the examination for the doctoral degree.</p><p>The invested degrees are official in Spain, the Netherlands and Sweden respectively.</p><p>SETS Joint Doctorate was awarded the Erasmus Mundus excellence label by the European Commission in year 2010, and the European Commission’s Education, Audiovisual and Culture Executive Agency, EACEA, has supported the funding of this programme</p><p>The EACEA is not to be held responsible for contents of the Thesis.</p><p>QC 20150923</p>

[pt] Este trabalho apresenta uma metodologia para a avaliação do impacto de incertezas associadas aos parâmetros estocásticos dos equipamentos nos índices de confiabilidade composta. Dois métodos são usados para estimar a variância dos índices. O primeiro utiliza um esquema de simulação Monte Carlo estratificada, onde uma avaliação de confiabilidade é realizada condicionada a cada amostra dos parâmetros estocásticos dos equipamentos. Neste esquema, além das médias e variâncias, são computadas distribuições empíricas para os índices de confiabilidade. O segundo método utiliza as sensibilidades dos índices de confiabiliade com relação a variações nos parâmetros estocásticos, obtidas como subproduto da avaliação de confiabilidade tradicional, para calcular analiticamente a variância dos índices. No esuqema de simulação Monte Carlo estratificada também são computados intervalos de confiança para as variâncias estimadas. Os intervalos de confiança das variâncias são usados para avaliar a precisão dos resultados obtidos analiticamente através de sensibilidades. A metodologia proposta é ilustrada em estudos de caso com o IEEE-Reliability Test System e uma configuração do Sistema Norte-Nordeste Brasileiro, prevista para o ano 2002 / [en] This work presents a methodology for evaluating the impact of uncertainties associated with stochastic parameters of equipament on the composite reliability índices. Two methods are used for the estimation of indices variances. The first one makes use of stratified Monte Carlo simulation scheme, where a reliability evaluation is carried out, conditioned to every sample stochastic parameters. In this scheme, besides means and variances, empirical distributions are computed for the reliability indices. The second method employs the sensitives of the reliability indices with respect to variations in the stochastic parameters, obtained as a by-product of the traditional reliability evaluation, to calculate analytically the indices variances. In the stratified Monte Carlo simulation scheme, computed confidence intervals for the variances estimates. Are also computed confidence intervals are used for the evaluating the precision of the results obtained analytically through the sensitivities. The proposed methodology is illustrated in case studies with the IEEE-Reliability Test System and with a configuration of the North-Northeastern Brazilian System, planned for the year 2002.

Introducción: Hasta ahora, ninguno de los métodos empleados para la evaluación y asignación de la prestación del servicio complementario de control de tensión y potencia reactiva resuelve el problema de garantizar la reserva suficiente de potencia reactiva dinámica, para minimizar el riesgo del colapso de tensión. En esta tesis se plantea una novedosa metodología para la evaluación, valoración y asignación de la prestación de este servicio, asociando al índice del margen de estabilidad de tensión, la valoración d ela potencia reactiva dinámica requerida para el control de tensión y la minimización del riesgo de un colapso de tensión. Así mismo, en esta tesis se propone y desarrolla una nueva metodología que permite la participación de recursos de la demanda, mediante la asociación del índice del margen de estabilidad con el coste de oportunidad de su incluisión en la prestación del servicio de control y potencia reactiva. ESTRUCTURA DE LA TESIS: Esta tesis está organizada de la siguiente manera. Inicialmente se presenta una revisión del estado del arte sobre la prestación de los servicios complementarios, en general, y del servicio complementario de control de tensión y potencia reactiva, en particular, mediante un análisis compartativo entre cuatro, y dos regiones de USA. Posteriormente se desarrolla el marco teórico de los aspectos físicos que limitan la prestación del servicio de potencia reactiva dinámica y las implicaciones de estos límites en la seguridad del sistema de potencia, demostrándose en esta tesis nuevos efectos que sobre la estabilidad tienen los límites operacionales de los generadores. A continuación se desarrolla en esta tesis una nueva metodología para la evaluación, valoración y asignación de la prestación del servicio complementario de tensión y potencia reactiva, resolviendo el problema de garantizar de forma eficiente la prestación de eeste servicio para minimizar el riesgo de colapso de tensión, al igual se desarrolla la motodología para la / Perdomo Fontalvo, DA. (2013). Valoración de la presentación del servicio complementario de control de tensión y soporte de potencia reactiva dinámica para la seguridad de los sistemas electrónicos de potencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29029 / Palancia

[pt] O uso da representação de modelos completos em estudos de sistemas de potência pode levar a indesejados níveis de esforço computacional e imprecisão devido às incertezas e complexidade dos sistemas modernos. Para endereçar este problema de tratabilidade, métodos de redução de redes buscam criar um modelo simplificado, com dimensão reduzida, de um dado sistema de potência. As técnicas atuais consideram apenas um ponto de operação no processo de redução falhando em desempenho para uma grande variedade de condições operativas. Adicionalmente, a solução para o fluxo de potência CA (não linear) apresenta pior performance computacional, mas melhor precisão quando comparada à sua contraparte linear (solução para fluxo de potência CC). Infelizmente, a aproximação do fluxo de potência CC desconsidera a perda de energia nas linhas e os efeitos das não linearidades devido as mudanças nos níveis de tensão e potências reativas no sistema. Neste contexto, um novo modelo de fluxo de potência equivalente baseado em otimização é proposto. Assim, para superar as limitações relativas a performance computacional e as imprecisões para multiplos cenários operativos, utilizamos o modelo proposto para produzir um método de redução baseado no fluxo CC, que apresenta bom desempenho em variados pontos operativos. Neste caso, a solução de um problema de otimização linear, que considera múltiplos cenários de fluxo CA ou medições do sistema, determina os parâmetros da rede equivalente. Para garantir a precisão do modelo, consideramos um conjunto de cargas artificiais para representar o desbalanço entre os cenários observados e a resposta da rede equivalente. Estas cargas artificiais são funções polinomiais do ponto operativo do sistema, e seus coeficientes são cootimizados com os parâmetros da rede reduzida. A Analise de Componentes Pincipais é utilizada para extrair as componentes relevantes do vetor de cargas que define um ponto operativo, reduzindo a dimensão do modelo, e melhorarando o desempenho out–of–sample. A metodologia é testada contra o equivalente Ward para diferentes condições operativas. Casos de estudo com dados gerados são apresentados com o objetivo de analisar a capacidade de generalização do modelo para diferentes níveis de ruído. Por fim, um caso de estudo com perfís de carga realísticos oriundos de uma companhia de distribuição brasileira é conduzido no sistema de teste IEEE 118–Bus. / [en] The use of full model representation in power system studies may lead to undesirable levels of computational burden and inaccuracy due to modern system complexities and uncertainties. To address the tractability issue, network reduction methods aim to create a simplified model, with reduced dimension, of a given power system. Current techniques consider only one operating point in their reduction process, falling short in properly performing for a wide range of operating conditions. Additionally, a nonlinear AC power flow solution features worse computation performance, but better accuracy when compared against its linearized counterpart (DC power flow solution). Unfortunately, the DC power flow approximation disregards the line losses and nonlinear effects due to changes in voltage levels and reactive power. In this context, we propose a novel optimization–based framework to create equivalent power flow models. Thus, to overcome the computational performance limitations and imprecision for multiple operating scenarios, we use the proposed framework to produce a DC–based network reduction method that performs well in many operating points. The solution of a linear optimization problem, which considers multiple AC power flow scenarios or network measurements, determines the equivalent network parameters. To ensure modeling accuracy, we consider a set of artificial dynamic loads to represent the mismatch between observed scenarios and the response of the equivalent. These artificial loads are polynomial functions of the operating point, and their coefficients are co-optimized with the reduced network parameters. Principal Component Analysis (PCA) is used to extract the relevant components of the load vector defining the operating point, reducing the equivalent model dimensionality, and improving out–of–sample performance. We test the methodology against traditional Ward equivalent for different operating conditions. We present case studies with generated data to investigate the model generalization capability for different noise levels. Finally, we conduct a case study based on realistic load profiles from a Brazilian distribution company within the IEEE 118–Bus test system.

[pt] O planejamento da expansão da transmissão (PET) visa identificar reforços para a rede a fim de permitir uma adequada interligação entre a demanda e a geração de energia elétrica, ambas previstas para um determinado horizonte futuro de planejamento. Um bom plano de expansão deve garantir o adequado equilíbrio entre o custo de investimento e o custo de operação, mantendo ainda um nível satisfatório de confiabilidade no fornecimento da energia. Entretanto, a identificação de bons planos de expansão para a rede de transmissão tem se tornado uma tarefa cada vez mais difícil. Isso se deve, principalmente, às características e dimensões dos sistemas atuais e, ainda, às incertezas inerentes ao problema. Dessa forma, torna-se necessário o desenvolvimento de ferramentas cada vez mais ela-boradas para auxílio dos planejadores. Neste sentido, é proposto nesta tese de dou-torado um algoritmo metaheurístico construtivo, denominado AMC-PET, o qual realiza um processo gradual e concomitante de construção de soluções viáveis (planos de expansão). Por meio de mecanismos baseados principalmente em índices de sensibilidade para avaliação dos reforços candidatos e na troca de informações entre as soluções correntes, o processo construtivo proposto é conduzido, parcimoniosamente, na direção de planos de excelente qualidade. Para validação da metodologia proposta, é utilizado o problema PET estático de longo prazo, considerando o critério de segurança N-1 para a rede de transmissão. Um mode-lo linearizado de rede com a inclusão de perdas ôhmicas é utilizado para análise das configurações obtidas. Dois sistemas teste, comumente utilizados neste tópico de pesquisa e, também, um sistema real de grande porte, que corresponde à rede elétrica do sul do Brasil, são empregados na validação. / [en] The transmission expansion planning (TEP) aims to identify reinforcements for the network in order to allow an adequate interconnection between load and electric power generation, both foreseen for a given future planning horizon. A good expansion plan must ensure the proper balance between investment and operating costs, while preserving a satisfactory reliability level in the energy supply. However, identifying good expansion plans for the transmission network has become an increasingly difficult task. This is mainly due to the characteristics and dimensions of current power systems and also to the uncertainties inherent to the problem. Thus, it becomes necessary to develop even more elaborate tools to assist system planners. This doctoral thesis proposes a new optimization tool named constructive metaheuristic algorithm (CMA-TEP). The proposed CMA-TEP tool performs a gradual and parallel process of building feasible solutions (expansion plans). By means of mechanisms mainly based on sensitivity indices for the evaluation of candidate reinforcements and on the information exchange among current solutions, the proposed constructive process is parsimoniously conducted towards high quality plans. To verify the performance of the proposed methodology, the long-term static PET problem considering the N-1 security criterion for the transmission network is solved. A linearized network model with the inclusion of ohmic losses is used to analyze the obtained configurations. Two test systems, commonly utilized in this research area, and also a real large network, which corresponds to the electric grid of Southern Brazil, are used to validate the proposed method.

This works proposes a novel methodology for Fault Section Estimation in Power Systems. This document describes a computational tool to assist operators of electrical system in decision-making, thus ensuring the reliability of the energy supply and the reduction of reestablishment time after of fault occurrence. The proposed methodology is based on the interpretation of alarms provided by the Supervisory and Data Acquisition System (SCADA) and the electrical characteristics of the system, as well as impedance of transmission lines and transformers, circuit breakers states and settings of distance protective relays. The methodology is deterministic and uses the interception between zones of distance protective relays as base for the section estimation and the circuit breaker states to associate physically isolated sections in the system after of fault occurrence, making use of a shortest path search algorithm. Possible fault scenarios were simulated on the IEEE-30 Bus System in order to validate the methodology. The results show that the approach can provide satisfactory solutions, even in cases of multiple faults or failure of protections devices. / Este trabalho propõe uma nova metodologia para a estimação da seção de falta em sistemas elétricos de potência. O presente documento descreve uma ferramenta computacional capaz de auxiliar os operadores do sistema elétrico na tomada de decisão, favorecendo a confiabilidade do fornecimento da energia e a redução do tempo de reestabelecimento quando da ocorrência de falta. A metodologia proposta esta baseada na interpretação dos alarmes fornecidos pelo Sistema de Supervisão e Aquisição de dados (SCADA) e nas características elétricas do sistema, assim como impedâncias de linhas de transmissão e transformadores; nos estados dos disjuntores e nos sinais e ajustes dos relés de proteção de distância. A metodologia é determinística e utiliza a intercepção entre as zonas de proteção dos relés de distância como base para a estimação da seção e os estados dos disjuntores para associar as seções fisicamente isoladas no sistema ante a ocorrência de falta, fazendo uso de um algoritmo de busca do caminho mais curto. Possíveis cenários de falta foram simulados no sistema IEEE-30 barras a fim de validar a metodologia. Os resultados mostram que a abordagem consegue fornecer soluções satisfatórias, mesmo em casos de faltas múltiplas ou em caso de falha de dispositivos de proteção.

[pt] Na medida em que as redes de transmissão de energia elétrica ficaram mais malhadas, os limites térmicos de linhas e transformadores passaram a restringir menos a transmissão de potência. Similarmente, o uso de sistemas estáticos de compensação de potência reativa e estabilizadores na excitação dos geradores aumentou a capacidade de transmissão de potência nos sistemas antes limitados por problemas de estabilidade angular. Hoje as linhas de transmissão estão mais carregadas e isto deu origem ao problema da instabilidade de tensão.Neste trabalho, as condições de estabilidade de tensão são avaliadas por condições nodais associadas ao máximo fluxo de potência ativa e reativa que pode ser transmitida dos geradores para as cargas. Estas condições nodais são avaliadas por uma ferramenta analítica com base em modelo matemático, simples mas poderoso, de uma direta interpretação física do fenômeno.Índices abrangentes e significativos são obtidos a partir da matriz Jacobiano do sistema. Eles indicam a região de operação na curva V x P, Q , a margem em MVA para o máximo carregamento, a importância relativa entre as barras, uma medida de dificuldade de transmissão, e o índice de influência que relaciona as margens de potência entre dois pontos de operação, o que caracteriza a eficácia ou não, por exemplo, de uma ação de controle. O método proposto nesta tese para reforçar as condições de estabilidade de tensão consiste de três etapas seqüenciais. Primeiramente, avalia-se as condições de estabilidade de tensão determinando-se a barra crítica da rede através do cálculo da margem de potência. Determinase o caminho de transmissão crítico, conceito novo usado neste trabalho, entre os vários existentes para transportar potência de geradores para aquela barra crítica. Determina-se então o ramo crítico deste caminho, conceito introduzido neste trabalho. Um programa de fluxo de potência ótimo é usado para aliviar o carregamento desse ramo crítico. A seqüência começa novamente com a avaliação das condições no novo ponto de operação. Todas as etapas são repetidas até que as margens resultantes sejam julgadas adequadas.Barras de carga, de geração e de tensão controlada por compensadores de potência reativa em paralelo com a rede podem ser eleitas como a barra crítica. Somente o método de avaliação nodal usado é capaz de lidar com qualquer tipo de barra. Da mesma forma, o procedimento proposto para reforçar as condições de estabilidade de tensão é adequado para qualquer tipo de barra.São mostrados inúmeros testes, tanto ilustrativos como com sistemas reais, em pontos de operação também reais, inclusive na situação de iminente colapso de tensão. Verifica-se que o método proposto realmente produz os resultados desejados. / [en] As the electric power transmission networks became more interconnected, the thermal limits of lines and transformers restrict less the power transmission. Similarly, the use of static systems of reactive power compensation increases the power transmission capacity in systems whereas before they were limited by problems of angular stability. Actually, transmission lines are more loaded and create the voltage stability problem. In this work, voltage stability conditions are assessment by nodal conditions associated to the maximum active and reactive power flow that can be transmitted from generators to loads.These nodal conditions are assessment using an analytical tool, based on a simple but sound mathematical background, modelling a straightforward physical haracterisation of the phenomena. Comprehensive and meaningful indices are obtained from system Jacobean matrix. They indices indicate the operating region in V x P,Q curve, the MVA margin to the maximum load, the relative importance among buses, the buses loading ranking, a measure of difficult for power transmission, and the influence indices that relates power margins between two operating points, which characterises efficiency or not, for example, of a control action.In order to reinforce voltage stability condition, the thesis proposes a method consisting of three sequential stages. Firstly, voltage stability is analysed, deciding network critical bus using the power margin calculation. Next, the critical transmission path is decided, which is a new concept used in this work, in between several existing used to transport generators power for that critical bus. Then, critical branch is obtained through this path, concept introduced in this work. An optimal power flow program is used to alleviate load flow in the critical branch. The sequence starts again with the stability condition assessment in the new operating point. All stages are repeated until resultant margins are judged suitable. Load, generation and voltage-controlled bus by shunt reactive power compensators could be considered critical bus. The nodal method used is the only one capable of handling any bus type.Several cases are shown, illustrative as well as real systems using real operating points,including imminent voltage collapse situations. It is verified that the proposed method really produces the desired results.

[pt] A solução do problema de planejamento da expansão da transmissão (PET) tem por objetivo geral identificar reforços a serem construídos na rede de forma a garantir a adequada interligação entre carga e geração, previstos para um determinado horizonte de estudo. No processo de solução desse problema, busca-se manter o equilíbrio ótimo entre os custos envolvidos (investimento e operação) e os níveis de qualidade e desempenho na operação do sistema reforçado. Nesse sentido, é proposta nesta dissertação de mestrado uma ferramenta de otimização especializada para solução do problema PET, a qual é baseada na técnica metaheurística Algoritmo Genético. A ferramenta proposta, denominada Algoritmo Genético Especializado (AGE-PET), faz uso de informações heurísticas fundamentadas em análises atualizadas de fluxo de potência da rede realizadas durante o processo evolutivo de solução do problema. Essas informações heurísticas são traduzidas por meio de índices de sensibilidade, os quais são integrados aos operadores genéticos inerentes à ferramenta, conduzindo a solução do problema na direção de planos de expansão de boa qualidade. Para análise e validação da metodologia proposta, é solucionado o problema PET estático de longo prazo, considerando o modelo linearizado DC com perdas ôhmicas e atendimento do critério de segurança N-1 para a rede de transmissão. Sistemas elétricos de transmissão com diferentes características e dimensões, incluindo um subsistema atual da rede interligada brasileira, são empregados nos estudos realizados. / [en] The main goal in the solution of the transmission expansion planning (TEP) is to identify reinforcements to be built in the network in order to guarantee the adequate interconnection between load and electric power generation, both foreseen for a given future planning horizon. In the process of solving this problem, the aim is to maintain the optimal balance between the costs involved (investment and operation) and the levels of quality and performance in the operation of the reinforced system. Thus, it is proposed in this dissertation a specialized optimization tool for solving the TEP problem, which is based on the metaheuristic Genetic Algorithm technique. The proposed tool, called Specialized Genetic Algorithm (SGA-TEP), makes use of heuristic information based on updated network power flow analyses carried out during the evolutionary process of solving the problem. This heuristic information is translated by means of sensitivity indices, which are integrated with the genetic operators inherent to the tool, leading to the solution of the problem in the direction of good quality expansion plans. For analysis and validation of the proposed methodology, the long-term static TEP problem is solved, considering the linearized DC model with ohmic losses and the compliance of the N-1 security criterion for the transmission network. Electric transmission systems with different characteristics and dimensions, including a recent subsystem of the Brazilian interconnected grid, are used in the case studies.

[pt] Atualmente a metodologia correspondente ao estado da arte utilizada para o planejamento de médio-/longo-prazo da operação de sistemas elétricos de potência é a Programação Dual Dinâmica Estocástica (PDDE). No entanto, a tratabilidade computacional proporcionada por este método ainda requer simplificaçõeses consideráveis de detalhes de sistemas reais de maneira a atingir performaces aceitáveis em aplicações práticas. Simplificações feitas no estágio de planejamento em contraste com a implementação das decisões podem induzir políticas temporalmente inconsistentes e, consequentemente, um gap de sub-otimalidade. Inconsisência temporal em planejamento hidrotérmico pode ser induzida, por exemplo, ao assumir um coeficiente de produtividade constante para as hidrelétricas, ao agregar os reservatórios, ao negligenciar a segunda lei de Kirchhoff e neglienciando-se critérios de segurança em modelos de planejamento. As mesmas restrições são posteriormente consideradas na etapa de implementação do sistema. Esse fato pode estar envolvido com esvaziamento não planejado de reservatórios e entregabilidade inadequada de reservas girantes. Ambos podem levar a altos custos operacionais. Além disso, o sistema pode ficar exposto a um risco sistêmico de racionamento e em última instâcia, blackouts. O gap de sub-otimalidade pode também levar a distorções em mercados de energia. Assim, é razoável que as consequências da inconstência temporal em sistemas hidrotérmicos sejam estudadas. Nesse sentido, este trabalho propõe uma extensão de trabalhos já realizados relacionados à inconsistência temporal para medir os efeitos de simplificações de modelagem em modelos de planejamento resolvidos pela PDDE. A abordagem proposta consiste em usar um modelo simplificado para o planejamento do sistema, que é feito pela avaliação da função de recurso, e um modelo detalhado para a sua operação. Estudos de caso envolvendo simplificações em modelagem de linhas de transmissão e critérios de segurança são realizados. No entanto, o foco deste trabalho se dará na segunda fonte, já que a mesma apresenta maior complexidade na caracterização do efeito. No entanto, a incorporação de critérios de segurança é um grande desafio para operadores de sistemas elétricos, pois o tamanho do modelo tende a crescer exponencialmente quando critérios de segurança reforçados são aplicados. Motivado por isso, o principal objetivo deste trabalho é propor uma nova abordagem ao problema que permite que critérios de segurança possam ser incorporados em modelos de planejamento e consequentemente garantir a entregabilidade de reservas em políticas de planejamento. A formulação do problema é uma extensão multiperiodo e estocástica the modelos de Otimização Robusta Ajustável que já foram propostos na literatura para resolver o problema relacionado à dimensionalidade para um período. A metodologia de solução involve um algoritmo híbrido Robusto-PDDE que por meio do compartilhamento de estados de contingência ativos entre os períodos e cenários de afluência é capaz de atingir tratabilidade computacional. Com a nova abordagem proposta, é possível (i) resolver o problema de agendamento ótimo das reservas em sistemas hidrotérmicos garantindo a entregabilidade das reservas em um critério n - K e (ii) calcular o custo e os efeitos negativos de se negligenciar critérios de segurança no planejamento. / [en] The current state of the art method used for medium/long-term planning studies of hydrothermal power system operation is the Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) algorithm. The computational savings provided by this method notwithstanding, it still relies on major system simplifications to achieve acceptable performances in practical applications. Simplifications in the planning stage in contrast to the actual implementation might induce time inconsistent policies and, consequently, a sub-optimality gap. Time inconsistency in hydrothermal planning might be induced by, for instance, assuming a constant coefficient production for hydro plants, reservoir aggregation, neglecting Kirchhoff s voltage law, and neglecting security criteria in planning models, which are then incorporated in implementating models. Unaccounted for reservoir depletion and inadequate spinning reserve deliverability situations that were observed in the Brazilian power system might be induced by time inconsistency. And this can lead to higher operational costs. Both these consequences are utterly negative since they pose the system to a great systemic risk of energy rationing or ultimately, system blackouts. In addition, the suboptimility gap may also lead to energy markets distortions. Hence, it seems reasonable that further investigations on consequences of time inconsistency in hydrothermal planning should be undertaken. Along these lines, this work proposes an extension to previous work on the subject of time inconsistency to measure the effects of modeling simplifications in the SDDP framework for hydrothermal operation planning. The approach consists of using a simplified model for planning the system, which is done by means of the assessment of the recourse (cost-to-go) function, and a detailed model for its operation (implementation of the policy). Case studies involving simplifications in transmission lines modeling and in security criteria are carried out. Nevertheless, the focus of this work is on the later source as it is more difficult to address due to the complexity involved in the characterization of this effect. However, incorporating security criteria in planning models poses a major challenge to system operators. This is because the size of the model tends to grow exponentially as tighter security criteria are adopted. Motivated by this, the main objective of this work is to propose a new framework that allows security criteria to be incorporated in planning models and consequently ensure reserve deliverability in planning policies. The problem formulation is a multiperiod stochastic extension of Adjustable Robust Optimization (ARO) based models already proposed in literature to successfully address the dimensionality issue regarding the incorporation of security criteria n - K and its variants. The solution methodology involves a hybrid Robust-SDDP algorithm that by means of sharing active contingency states amongst periods and possible inflow scenarios in the SDDP algorithm is capable of achieving computational tractability. Then, with the proposed approach it is possible to (i) address the optimal scheduling of energy and reserve in hydrothermal power systems ensuring reserve deliverability under an n - K security criterion and (ii) assess the cost and side effects of disregarding security criteria in the planning stage.