O objetivo geral deste trabalho é a extensão dos métodos diretos para o estudo de estabilidade de tensão em sistemas de potência. Devido à diversidade dos dispositivos com distinta velocidade de atuação, propriedades de escalas de tempo foram exploradas para viabilizar essa extensão. O presente trabalho de pesquisa tem como contribuições (i) o estabelecimento de uma metodologia geral para análise de estabilidade de sistemas elétricos de potência em escalas de tempo e (ii) a extensão dos métodos diretos para a análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas de potência. Com base na teoria dos sistemas singularmente perturbados, propõe-se um algoritmo geral de análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas elétricos de potência e estabelecem-se os fundamentos teóricos deste algoritmo que validam a decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo. Assim, a análise de estabilidade de um sistema elétrico de potência pode ser decomposta na análise de estabilidade de seus correspondentes subsistemas rápido e lento, de menor ordem. Estes fundamentos preenchem uma lacuna que existia entre as análises de estabilidade no curto-prazo e médio-prazo e estabelece uma relação entre elas. Em particular, o método quase estático (QSS) para análise de estabilidade na escala de médio prazo, que pressupõe que as dinâmicas rápidas são estáveis e a análise de estabilidade transitória são casos particulares do algoritmo proposto. A partir dos fundamentos da decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo, estenderam-se os métodos diretos de análise de estabilidade, em particular o método CUEP, inicialmente desenvolvidos para análises de estabilidade transitória, para o problema de análise de estabilidade no médio prazo via decomposição da análise em escalas de tempo. Essa extensão é importante na medida em que os métodos diretos são rápidos, e viabilizam o desenvolvimento de técnicas de análise de estabilidade de tensão que sejam adequadas para aplicações em tempo real. A metodologia proposta foi testada em sistemas de potência de pequeno porte com bons resultados na avaliação de tempos de atuação dos equipamentos de controle e proteção, fornecendo também um melhor entendimento dos mecanismos de estabilização dos sistemas de potência analisados. / The aim of this study is the extent of direct methods for the study of voltage stability in power systems. Because of the diversity of devices with different speed of action, time-scales properties were explored to enable this extension. This research work has as contributions (i) establishing a general methodology for stability analysis of electric power systems on time scales and (ii) the extent of direct methods for the analysis of stability in time-scales scales of electric power systems. Based on the theory of singularly perturbed systems, we propose a general algorithm of stability analysis in time-scales electric power systems and develop the theoretical foundations of this algorithm to validate the decomposition of stability analysis in time scales. Thus, the stability analysis of a power system can be decomposed in the stability analysis of their corresponding fast and slow subsystems of lower order. These fundamentals fill the gap that existed between the stability analysis in the short-term and mid-term and establishes a relationship between them. In particular, the quasi steady state method (QSS) for stability analysis of the mid-term scale, which presupposes that the fast dynamics are stable and transient stability analysis are particular cases of the algorithm proposed. From the fundamentals of decomposition of time scales stability analysis, the direct methods of stability analysis will be extended, in particular CUEP method initially developed for transient stability analysis, for the mid-term stability problem via time-scale analysis. This extension is important because the direct methods are fast, and enable the development of voltage stability analysis techniques that are suitable for real time applications. The proposed methodology was tested in small power systems with good results in the evaluation of operating times of the control and protection equipment, also providing a better understanding of the stabilization mechanisms of the analyzed power systems.

Neste trabalho, estuda-se o problema de estabilidade de tensão do ponto de vista dinâmico, enfocando a análise nas instabilidades originadas por grandes perturbações. A modelagem utilizada nestes estudos envolve dinâmicas que possuem múltiplas escalas de tempo, mas na prática, os problemas de instabilidade de tensão estão geralmente associados às dinâmicas de longo prazo. Nesse sentido, o método de análise QSS fornece muitas vantagens do ponto de vista computacional, reduzindo significativamente o tempo de processamento, mediante a substituição das equações de dinâmica rápida por suas correspondentes equações de equilíbrio. As contribuições deste trabalho são duas: a primeira consiste no estudo da importância da região de estabilidade das dinâmicas lentas do SEP e sua relação com a região de estabilidade do sistema original. A segunda consiste em estudar a aplicação do método QSS no SEP oleando para as condições existentes na literatura e analisando principalmente as desvantagens de sua aplicação. Os sistemas de potência apresentados na literatura são utilizados como exemplos. Com base nestas simulações e na teoria existente da análise QSS, são estudadas algumas condições sob as quais o método QSS é válido. A teoria de região de estabilidade para estes sistemas é explorada para fornecer indicativos de margem de estabilidade e controle preventivo. / In this work, we study the problem of voltage stability of the dynamic point of view, focusing the analysis on the instability caused by large disturbances. The modeling used in these studies involves dynamics that have multiple time scales, but in practice, the problems of voltage instability are generally associated with long-term scale. Thus, the QSS method of analysis provides many advantages in terms of computational resource, significantly reducing the processing time, by replacing the equations by their corresponding fast dynamic equilibrium equations. The contributions of this work are two: the first is to study the importance of the stability region of the slow dynamics of the power system and its relation to the stability region of the original system. The second is to study the application of the QSS method in power systems considering the current theory in the literature and analyzing the main disadvantages of its application. The power system presented in the literature are used as examples. Based on these simulations and the existing theory of the QSS method, we study some conditions under which this method is valid. The theory of stability region for these systems is exploited to provide indicative of margin stability and preventive control.

Neste trabalho, estuda-se o problema de estabilidade de tensão do ponto de vista dinâmico, enfocando a análise nas instabilidades originadas por grandes perturbações. A modelagem utilizada nestes estudos envolve dinâmicas que possuem múltiplas escalas de tempo, mas na prática, os problemas de instabilidade de tensão estão geralmente associados às dinâmicas de longo prazo. Nesse sentido, o método de análise QSS fornece muitas vantagens do ponto de vista computacional, reduzindo significativamente o tempo de processamento, mediante a substituição das equações de dinâmica rápida por suas correspondentes equações de equilíbrio. As contribuições deste trabalho são duas: a primeira consiste no estudo da importância da região de estabilidade das dinâmicas lentas do SEP e sua relação com a região de estabilidade do sistema original. A segunda consiste em estudar a aplicação do método QSS no SEP oleando para as condições existentes na literatura e analisando principalmente as desvantagens de sua aplicação. Os sistemas de potência apresentados na literatura são utilizados como exemplos. Com base nestas simulações e na teoria existente da análise QSS, são estudadas algumas condições sob as quais o método QSS é válido. A teoria de região de estabilidade para estes sistemas é explorada para fornecer indicativos de margem de estabilidade e controle preventivo. / In this work, we study the problem of voltage stability of the dynamic point of view, focusing the analysis on the instability caused by large disturbances. The modeling used in these studies involves dynamics that have multiple time scales, but in practice, the problems of voltage instability are generally associated with long-term scale. Thus, the QSS method of analysis provides many advantages in terms of computational resource, significantly reducing the processing time, by replacing the equations by their corresponding fast dynamic equilibrium equations. The contributions of this work are two: the first is to study the importance of the stability region of the slow dynamics of the power system and its relation to the stability region of the original system. The second is to study the application of the QSS method in power systems considering the current theory in the literature and analyzing the main disadvantages of its application. The power system presented in the literature are used as examples. Based on these simulations and the existing theory of the QSS method, we study some conditions under which this method is valid. The theory of stability region for these systems is exploited to provide indicative of margin stability and preventive control.

O objetivo geral deste trabalho é a extensão dos métodos diretos para o estudo de estabilidade de tensão em sistemas de potência. Devido à diversidade dos dispositivos com distinta velocidade de atuação, propriedades de escalas de tempo foram exploradas para viabilizar essa extensão. O presente trabalho de pesquisa tem como contribuições (i) o estabelecimento de uma metodologia geral para análise de estabilidade de sistemas elétricos de potência em escalas de tempo e (ii) a extensão dos métodos diretos para a análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas de potência. Com base na teoria dos sistemas singularmente perturbados, propõe-se um algoritmo geral de análise de estabilidade em escalas de tempo de sistemas elétricos de potência e estabelecem-se os fundamentos teóricos deste algoritmo que validam a decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo. Assim, a análise de estabilidade de um sistema elétrico de potência pode ser decomposta na análise de estabilidade de seus correspondentes subsistemas rápido e lento, de menor ordem. Estes fundamentos preenchem uma lacuna que existia entre as análises de estabilidade no curto-prazo e médio-prazo e estabelece uma relação entre elas. Em particular, o método quase estático (QSS) para análise de estabilidade na escala de médio prazo, que pressupõe que as dinâmicas rápidas são estáveis e a análise de estabilidade transitória são casos particulares do algoritmo proposto. A partir dos fundamentos da decomposição da análise de estabilidade em escalas de tempo, estenderam-se os métodos diretos de análise de estabilidade, em particular o método CUEP, inicialmente desenvolvidos para análises de estabilidade transitória, para o problema de análise de estabilidade no médio prazo via decomposição da análise em escalas de tempo. Essa extensão é importante na medida em que os métodos diretos são rápidos, e viabilizam o desenvolvimento de técnicas de análise de estabilidade de tensão que sejam adequadas para aplicações em tempo real. A metodologia proposta foi testada em sistemas de potência de pequeno porte com bons resultados na avaliação de tempos de atuação dos equipamentos de controle e proteção, fornecendo também um melhor entendimento dos mecanismos de estabilização dos sistemas de potência analisados. / The aim of this study is the extent of direct methods for the study of voltage stability in power systems. Because of the diversity of devices with different speed of action, time-scales properties were explored to enable this extension. This research work has as contributions (i) establishing a general methodology for stability analysis of electric power systems on time scales and (ii) the extent of direct methods for the analysis of stability in time-scales scales of electric power systems. Based on the theory of singularly perturbed systems, we propose a general algorithm of stability analysis in time-scales electric power systems and develop the theoretical foundations of this algorithm to validate the decomposition of stability analysis in time scales. Thus, the stability analysis of a power system can be decomposed in the stability analysis of their corresponding fast and slow subsystems of lower order. These fundamentals fill the gap that existed between the stability analysis in the short-term and mid-term and establishes a relationship between them. In particular, the quasi steady state method (QSS) for stability analysis of the mid-term scale, which presupposes that the fast dynamics are stable and transient stability analysis are particular cases of the algorithm proposed. From the fundamentals of decomposition of time scales stability analysis, the direct methods of stability analysis will be extended, in particular CUEP method initially developed for transient stability analysis, for the mid-term stability problem via time-scale analysis. This extension is important because the direct methods are fast, and enable the development of voltage stability analysis techniques that are suitable for real time applications. The proposed methodology was tested in small power systems with good results in the evaluation of operating times of the control and protection equipment, also providing a better understanding of the stabilization mechanisms of the analyzed power systems.

O presente trabalho tem como objetivo investigar a presença de diferentes escalas de tempo nos modelos matemáticos que descrevem a dinâmica dos sistemas elétricos de potência (SEPs), em particular a existência de duas escalas de tempo distintas: lenta e rápida, e explorá-las no estudo de estabilidade transitória destes sistemas através da utilização de métodos diretos (funções energia). Em particular, o método do Ponto de Equilíbrio Instável de Controle (CUEP) para modelos com duas escalas de tempo será estudado e aplicado na análise de estabilidade transitória de SEPs. As bases teóricas para a análise de estabilidade transitória, de sistemas com duas escalas de tempo, serão apresentadas, assim como funções energia e novos algoritmos numéricos para o cálculo do CUEP nestes sistemas, a fim de evidenciar as melhorias e possíveis limitações deste novo método CUEP em duas escalas de tempo quando comparado ao método CUEP tradicional. Explorando as escalas de tempo lenta e rápida na análise de estabilidade transitória, espera-se que novos algoritmos numéricos mais robustos para o cálculo do CUEP sejam obtidos, assim como a diminuição do conservadorismo dos resultados. / The main objective of this work is to investigate the existence of several time-scales in the mathematical models of electric power systems, in particular the existence of two-time scales: slow and fast, and exploit these features in the direct transient stability assessment. In particular, the Controlling Unstable Equilibrium Point (CUEP) method is studied for two-time scale models of power systems and applied to transient stability analysis. In order to accomplish this aim, a sound theoretical basis for two-time scale transient stability analysis of electric power system models will be provided, as well as energy functions and new numerical algorithms for proper two-time scale CUEP calculations, with the purpose of investigating improvements and possible limitations of this method when compared with the traditional CUEP method. Exploiting the two-time scale features of power system models, it is intended to obtain new robust numerical algorithms for transient stability analysis, as well as to diminish the conservativeness of the results.

O presente trabalho tem como objetivo investigar a presença de diferentes escalas de tempo nos modelos matemáticos que descrevem a dinâmica dos sistemas elétricos de potência (SEPs), em particular a existência de duas escalas de tempo distintas: lenta e rápida, e explorá-las no estudo de estabilidade transitória destes sistemas através da utilização de métodos diretos (funções energia). Em particular, o método do Ponto de Equilíbrio Instável de Controle (CUEP) para modelos com duas escalas de tempo será estudado e aplicado na análise de estabilidade transitória de SEPs. As bases teóricas para a análise de estabilidade transitória, de sistemas com duas escalas de tempo, serão apresentadas, assim como funções energia e novos algoritmos numéricos para o cálculo do CUEP nestes sistemas, a fim de evidenciar as melhorias e possíveis limitações deste novo método CUEP em duas escalas de tempo quando comparado ao método CUEP tradicional. Explorando as escalas de tempo lenta e rápida na análise de estabilidade transitória, espera-se que novos algoritmos numéricos mais robustos para o cálculo do CUEP sejam obtidos, assim como a diminuição do conservadorismo dos resultados. / The main objective of this work is to investigate the existence of several time-scales in the mathematical models of electric power systems, in particular the existence of two-time scales: slow and fast, and exploit these features in the direct transient stability assessment. In particular, the Controlling Unstable Equilibrium Point (CUEP) method is studied for two-time scale models of power systems and applied to transient stability analysis. In order to accomplish this aim, a sound theoretical basis for two-time scale transient stability analysis of electric power system models will be provided, as well as energy functions and new numerical algorithms for proper two-time scale CUEP calculations, with the purpose of investigating improvements and possible limitations of this method when compared with the traditional CUEP method. Exploiting the two-time scale features of power system models, it is intended to obtain new robust numerical algorithms for transient stability analysis, as well as to diminish the conservativeness of the results.