Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2015-06-19T15:40:42Z No. of bitstreams: 1 Eduardo Augusto Martins.pdf: 5700123 bytes, checksum: 4789112a51c3fa9b5a888aa5987298e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-19T15:40:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eduardo Augusto Martins.pdf: 5700123 bytes, checksum: 4789112a51c3fa9b5a888aa5987298e9 (MD5) Previous issue date: 2013 / Nenhuma / Sistemas centralizados de medição de energia são atualmente uma escolha para automatizar redes e garantir o funcionamento do complexo sistema de distribuidoras de energia elétrica. Atualmente, estes sistemas compõem as chamadas smart grids, redes inteligentes de geração, transmissão e distribuição de energia, dotadas de dispositivos de comunicação de dados, possibilitando a aplicação de sistemas distribuídos, com base na troca de informações entre equipamentos, formando uma nova rede, também de alta complexidade, para interligação e controle de dados. No Brasil, um trabalho inédito vem sendo desenvolvido na criação deste tipo de rede: a utilização de uma infraestrutura avançada de medição, baseada em sistemas de medição centralizada, alocadas em áreas de grandes concentrações urbanas, com objetivos de diminuição, ou até mesmo eliminação de perdas comerciais de distribuição de energia, emerge como novidade na aplicação de redes inteligentes de distribuição de energia elétrica no país. Este trabalho tem por objetivo a descrição do desenvolvimento de uma solução computacional, baseada em um método de busca metaheurística conhecido como Simulated Annealing para apoio à formulação de projetos de redes otimizadas de infraestrutura avançada de medição que utilizam equipamentos de sistemas de medição centralizados em uma rede de distribuição de energia elétrica, garantindo máxima cobertura da rede, atendimento a todos os clientes geograficamente localizados na região de projeto, minimizando custos de instalação dos sistemas. Na busca deste objetivo, este trabalho apresenta a redução do problema de otimização para o Problema do Recobrimento, a construção do modelo matemático, a implementação computacional e as aplicações na forma de simulações e resultados. A metodologia proposta, aplicada ao sistema computacional como forma de simulação, permite uma análise muito rápida e dinâmica de topologias de rede a serem projetadas para utilização em projetos de redes de comunicações, onde se utilizam sistemas de medição centralizados. O sistema computacional permite a alteração das características de simulação e das características das redes, dependendo das restrições impostas pela área geográfica em estudo. A estratégia apresenta bons resultados na formação de topologias de redes de comunicação para sistemas de medição centralizada, bem como otimização na utilização de equipamentos, reduzindo custos de instalação na rede. / Centralized systems of energy measurement are actually a choice for automating networks and ensure the operation of the complex system of electricity distribution. Currently, these systems comprise the so-called smart grid generation, transmission and distribution of energy, equipped with data communication devices, enabling the implementation of distributed systems, based on the exchange of information between devices, forming a new network, of high complexity, and for interconnection data control. In Brazil, a new work is being developed for creating this type of network: the use of an advanced infrastructure for measurement, centralized measurement systems allocation in areas of large urban concentrations, with goals of reducing, or even eliminating, commercial losses of power distribution, that emerges as a novelty in applying smart grid distribution of electricity in the country. This work aims at describing the development of a computational solution, based on a metaheuristic search method known as Simulated Annealing to support the design of optimized network for advanced metering infrastructure using equipment measurement systems on a centralized network of power distribution, ensuring maximum coverage, service to all customers geographically located in the area and minimizing installation costs of the systems. In pursuit of this goal, the work presents the reduction of the optimization problem to the covering problem, the mathematical model construction, computational implementation and application in the form of simulations and results. The methodology applied to the computing system like a simulation, allows an very fast and dynamic analysis of the network topologies to be designed for use in projects where communication networks are used in centralized measurement systems. The computing system allows modification of simulation features and characteristics of networks, depending on the constraints imposed by the geographical area under consideration. The strategy presents good results in the formation of network topologies communication systems for centralized measurement and optimizing the use of equipment, reducing installation costs in the network.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para tratamento de diversas etapas do processo de estimação de estado em Sistemas de Distribuição (SDs), que possibilite um tratamento adequado para as particularidades dos SDs no contexto atual (com poucas medidas disponíveis) e futuro (contando com mais medidas SCADA, com as Medidas Fasoriais Sincronizadas (MFSs) e com as avançadas infra-estruturas de medição), ou seja, que possibilite: análise de sistemas desbalanceados e desequilibrados, com ramais monofásicos, bifásicos e trifásicos; o tratamento de sistemas radiais e malhados sem perda de precisão; uma modelagem adequada dos componentes dos SDs, considerando as várias possibilidades de conexão dos transformadores e dos reguladores de tensão; o tratamento de diversos tipos de medidas (medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA, medidas virtuais, pseudo-medidas de carga e de dados históricos e MFSs), ponderando-as de acordo com as respectivas precisões. A metodologia proposta baseia-se no método dos mínimos quadrados ponderados, trabalha no nível dos alimentadores e compreende os seguintes quatro estágios: Estágio 1 geração de pseudo-medidas de carga; Estágio 2 - análise e restauração de observabilidade e identificação de medidas críticas; Estágio 3 - estimação de estado propriamente dita; e Estágio 4 - processamento de erros grosseiros. Tendo em vista as respostas coerentes das diversas simulações realizadas com os alimentadores de teste trifásicos de 4 e 34 barras do IEEE, demonstra-se satisfatoriamente a performance da metodologia proposta. / This thesis proposes a multi-phase unbalanced distribution system (DS) state estimation methodology based on the weighted least squares technique, which allows: load pseudo-measurement modeling; observability analysis and restoration by selecting the required pseudo-measurements (load pseudo-measurements and/or historical measurement data); identication of critical measurements; state estimation; and, nally, gross errors processing. The proposed methodology intends to be a practical tool able to be applied to a variety of DSs, considering latest and future realities. Therefore, the proposed methodology has the following features: (i) includes all realistic DS modeling details, such as, various types of transformer and voltage regulator connections, the presence of single, two and three-phase circuits, as well as the possibility of both the mutual coupling between phases and the shunt susceptance; (ii) treat three-phase networks with high resistance/reactance ratios in a unied framework; and (iii) process measurements with very distinct qualities, some of them are real-time measurements provided by Supervisory Control Data Acquisition (SCADA) systems, Advanced Metering Infrastructure (AMI), Phasor Measurement Units (PMUs), other are virtual measurements (information provided by the buses of zero power injection) and also the pseudo-measurements (load pseudo-measurements, load proles and historical measurement data). Several simulations results (with IEEE 34 and 4 node test feeders) have demonstrated satisfactory performance of the proposed methodology.

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Abstract: Electric distribution networks should be prepared to provide an economic and reliable service to all customers, as well as to integrate technologies related to distributed generation, energy storage, and plug-in electric vehicles. A proper representation of the electric distribution network operation, taking into account smart grid technologies, is key to accomplish these goals. This work presents mathematical formulations for the steady-state operation of electric distribution networks, which consider the unbalance of three-phase grids. Mathematical models of the operation of smart grid-related devices present in electric distribution networks are developed (e.g., volt-var control devices, energy storage systems, and plug-in electric vehicles). Furthermore, features related to the voltage dependency of loads, distributed generation, and voltage and thermal limits are also included. These formulations constitute a mathematical framework for optimization analysis of the electric distribution network operation, which could assist planners in decision-making processes. Different objectives related to technical and/or economic aspects can be pursued within the framework; in addition, the extension to multi-period and multi-scenario optimization is discussed. The presented models are built based on mixed integer linear programming formulations, avoiding the use of conventional mixed integer nonlinear formulations. The application of the presented framework is illustrated throughou... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: As redes de distribuição de energia elétrica devem estar preparadas para fornecer um serviço econômico e confiável a todos os clientes, bem como para integrar tecnologias relacionadas à geração distribuída, armazenamento de energia e veículos elétricos. Uma representação adequada da operação das redes de distribuição, considerando as tecnologias de redes inteligentes, é fundamental para atingir esses objetivos. Este trabalho apresenta formulações matemáticas para a operação em regime permanente das redes de distribuição, que consideram o desequilíbrio de redes trifásicas. Modelos matemáticos da operação de dispositivos relacionados à redes inteligentes presentes em redes de distribuição são desenvolvidos (e.g., dispositivos de controle volt-var, sistemas de armazenamento de energia e veículos elétricos). Além disso, características relacionadas à dependência da tensão das cargas, geração distribuída e limites térmico e de tensão também estão incluídos. Essas formulações constituem um marco matemático para a análise de otimização da operação das redes de distribuição de energia elétrica, o que possibilita modelar os processos de tomada de decisões. Objetivos diferentes relacionados a aspectos técnicos e/ou econômicos podem ser almejados dentro deste marco; Além disso, a extensão para otimização multi-período e multi-cenário é discutida. Os modelos apresentados são construídos com base em formulações de programação linear inteira mista, evitando o uso de formulações não-lineare... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Os Sistemas de Distribuição (SDs), devido as suas topologias e configurações, dentre outros fatores, apresentam um desafio para a localização física das situações de faltas passíveis de ocorrência. Como fato, tem-se que uma localização de faltas, rápida e precisa, possibilita atenuar os transtornos que os usuários finais dos SDs viriam a ter em relação à qualidade do serviço prestado pelas distribuidoras. No contexto das redes elétricas inteligentes, e considerando medidores de qualidade da energia elétrica previamente alocados de forma otimizada, esta pesquisa propõe uma metodologia baseada em árvores de decisão e redes neurais artificiais para a localização de faltas em SDs radiais e aéreos. Foram realizados testes da metodologia proposta considerando variações no tipo, na impedância e no ângulo de incidência da falta aplicadas sobre o SD de 34 barras do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Para os testes de sensibilidade da metodologia desenvolvida, foram consideradas variações no carregamento do sistema, os erros inerentes ao sistema de medição, a variação no número de medidores disponível, o impacto de uma alocação não otimizada dos medidores e uma redução na taxa amostral. Os resultados encontrados foram promissores e indicam que a metodologia como desenvolvida poderá ser aplicada para SDs diferentes do caso teste utilizado. / Due to the distribution systems (DS) topologies, configurations and among other factors, it is a challenge to physically locate situations of faults. As a matter of fact, a fast and accurate fault location will make it possible to mitigate the inconvenience that the end users of DS would have due to the quality of the service provided by the distributors. In the context of intelligent electric grids, and considering the electric power quality meters optimally alocated, this research proposes a methodology based in decision trees and artificial neural networks for a fault location in radial and aerial DS. The proposed methodology was tested considering variations on the type, impedance and angle of incidence of the fault applied on the DS of 34 bars of the IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers). For a sensitivity test of the developed methodology, it were considered the variations in system loading, the errors inherent to the measurement system, a variation in number of meters available, the impact of the non-optimized allocation of the meters and a redution on the sampling rate. The results were promising and indicated that the methodology developed can be applied to different DS from the test case used.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para tratamento de diversas etapas do processo de estimação de estado em Sistemas de Distribuição (SDs), que possibilite um tratamento adequado para as particularidades dos SDs no contexto atual (com poucas medidas disponíveis) e futuro (contando com mais medidas SCADA, com as Medidas Fasoriais Sincronizadas (MFSs) e com as avançadas infra-estruturas de medição), ou seja, que possibilite: análise de sistemas desbalanceados e desequilibrados, com ramais monofásicos, bifásicos e trifásicos; o tratamento de sistemas radiais e malhados sem perda de precisão; uma modelagem adequada dos componentes dos SDs, considerando as várias possibilidades de conexão dos transformadores e dos reguladores de tensão; o tratamento de diversos tipos de medidas (medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA, medidas virtuais, pseudo-medidas de carga e de dados históricos e MFSs), ponderando-as de acordo com as respectivas precisões. A metodologia proposta baseia-se no método dos mínimos quadrados ponderados, trabalha no nível dos alimentadores e compreende os seguintes quatro estágios: Estágio 1 geração de pseudo-medidas de carga; Estágio 2 - análise e restauração de observabilidade e identificação de medidas críticas; Estágio 3 - estimação de estado propriamente dita; e Estágio 4 - processamento de erros grosseiros. Tendo em vista as respostas coerentes das diversas simulações realizadas com os alimentadores de teste trifásicos de 4 e 34 barras do IEEE, demonstra-se satisfatoriamente a performance da metodologia proposta. / This thesis proposes a multi-phase unbalanced distribution system (DS) state estimation methodology based on the weighted least squares technique, which allows: load pseudo-measurement modeling; observability analysis and restoration by selecting the required pseudo-measurements (load pseudo-measurements and/or historical measurement data); identication of critical measurements; state estimation; and, nally, gross errors processing. The proposed methodology intends to be a practical tool able to be applied to a variety of DSs, considering latest and future realities. Therefore, the proposed methodology has the following features: (i) includes all realistic DS modeling details, such as, various types of transformer and voltage regulator connections, the presence of single, two and three-phase circuits, as well as the possibility of both the mutual coupling between phases and the shunt susceptance; (ii) treat three-phase networks with high resistance/reactance ratios in a unied framework; and (iii) process measurements with very distinct qualities, some of them are real-time measurements provided by Supervisory Control Data Acquisition (SCADA) systems, Advanced Metering Infrastructure (AMI), Phasor Measurement Units (PMUs), other are virtual measurements (information provided by the buses of zero power injection) and also the pseudo-measurements (load pseudo-measurements, load proles and historical measurement data). Several simulations results (with IEEE 34 and 4 node test feeders) have demonstrated satisfactory performance of the proposed methodology.

<p>U ovoj doktorskoj disertaciji je predstavljena je nova metoda za<br />detekciju propada napona, zasnovana na Rekurentnoj<br />neuronskoj mreži i analizi u harmonijskom domenu. Metoda je<br />namenjena za primenu u savremenim distributivnim mrežama<br />koje sadrže obnovljive izvore, i u skladu sa tim je optimizovana i<br />testirana. Pametna metoda postiže izuzetne rezultate u brzini<br />detekcije, sa prosečnim vremenom detekcije manjim od 1 ms, uz<br />izuzetnu pouzdanost (preko 97%). U doktorskoj disertaciji<br />dokazana je i druga hipoteza, a to je da je moguće predvideti<br />dubinu propada algoritmom zasnovanim na harmonijskoj analizi.</p> / <p>In this PhD thesis, a novel method for the detection of voltage dips<br />(sags), based on the Recurrent Neural Network and analysis in the<br />frequency domain, is presented. The method is intended for use in<br />the modern distribution grids that contains renewable sources, and<br />accordingly it is optimized and tested. The smart method achieves<br />exceptional results in detection speed, with an average detection<br />time of less than 1 ms and with high reliability (over 97%). In the<br />PhD thesis, another hypothesis is proved, which claims that is<br />possible to predict the depth of dip with algorithm based on the<br />harmonic analysis.</p>

Este trabalho trata do desenvolvimento de uma metodologia e de uma ferramenta computacional de localização de faltas em sistemas elétricos de distribuição. Para tanto, considera-se o ambiente de Redes Elétricas Inteligentes, onde está à disposição uma grande diversidade de informações, como oscilografias de relés, dados de sensores, dados históricos, alarmes de medidores inteligentes, dentre outras. Convencionalmente, as metodologias de localização de defeitos em redes de distribuição se baseiam em conjuntos particulares de dados, que geralmente são medições apenas na saída do alimentador, e funcionam como uma ferramenta isolada no centro de operações. Este trabalho contribui para esse tema ao propor a Localização de Faltas como uma ferramenta de Automação Avançada, instalada em um Sistema de Gerenciamento da Distribuição. Ele deve estar integrado aos demais sistemas corporativos, dos quais obtém dados de medição, alarmes de atuação e indicação de eventos na rede, em tempo real. Um barramento de interoperabilidade permite a troca de informações entre os sistemas. O algoritmo de localização de faltas proposto considera os alarmes de atuação de chaves monitoradas, indicação de sensores, alarmes de ausência de tensão, dentre outras informações, para restringir ao máximo a área de busca do defeito. Por fim, uma implementação de Algoritmo Evolutivo permite estimar o local e a resistência de falta, a partir de testes de defeitos na área de busca. Nesse processo, os valores calculados são comparados com as medições obtidas dos respectivos pontos. Na etapa de aplicação da metodologia, foram consideradas algumas condições de monitoramento da rede elétrica: da condição de menor monitoramento ao cenário de maior monitoramento. Foi possível verificar como o aumento da quantidade de informações do sistema traz benefícios para a localização dos defeitos. / This work provides the development of a methodology and a computational tool for Fault Location (FL) in power distribution systems. The Smart Grid environment is considered, which provides a huge variety of information, such as relays waveforms, fault current sensors and historical data, smart meters alarms, among others. Conventionally, FL methodologies in power distribution systems are based on particular data sources, usually measurements at the beginning of the power feeder, which are not integrated with other corporate systems. This work contributes to the subject by proposing the FL as an Advanced Distribution Automation tool, to be installed in a Distribution Management System. As a part of the electric utility corporate systems, it obtains metering data, equipment alarms and events notifications, i.e. real time information. An Interoperability Bus (IB) allows the information exchange among the systems. The proposed FL algorithm considers monitored switches tripping alarms, current current sensors notifications, outage alarms, among other data, in order to narrow the search area as much as possible. Ultimately, an Evolutionary Algorithm (EA) implementation estimates the fault point and the fault resistance, through short-circuit tests an the search area. During that process, the computed electric quantities are compared with the measured ones at each monitored point. When applying the methodology for the case studies, some power grid monitoring conditions were considered: from the least monitored condition to the most monitored scenario. This made it possible to verify how the increase of power grid information benefits the FL algorithms.

Increased use of variable energy and integration of electricity markets in the European Union have led to new challenges when balancing supply and demand in the grid. Load management is a possible way to manage these challenges by adjusting electricity consumption in order to balance the power system. Household appliances can be used for this purpose, for example by providing automatic frequency control. The aim of this master thesis is to investigate the potential of load management from private households and to examine how the power system is affected by a more flexible electricity consumption. The thesis focuses on fridges as automatic frequency control reserves and the ability of fridges to balance the power system. Attributes such as capacity, activation time, persistence and the effect of load reconnection has been modelled in Simulink, Matlab. Complementary interviews with actors from the electricity industry have been done to summarize their insights on demand response. The results indicate that fridges can be used as a part of the automatic frequency controlled reserve FCR-N, based on assumptions made in this study. However, current requirements imposed on balancing resources are not fully met by the fridges. In order for household appliances to provide the needed flexibility, some requirements might need to be rephrased. The results also show that the capacity for providing balancing services differs for positive and negative imbalances, as consumption can be reduced with 30 MW and increased with 66 MW. When controlling the fridges by moving the reference temperature, there is a risk that the appliances will synchronize with each other, i.e. reconnect or disconnect at the same time, resulting in frequency oscillations. It is therefore important that load management is designed to avoid this kind of behavior.

Increased use of variable energy and integration of electricity markets in the European Union have led to new challenges when balancing supply and demand in the grid. Load management is a possible way to manage these challenges by adjusting electricity consumption in order to balance the power system. Household appliances can be used for this purpose, for example by providing automatic frequency control. The aim of this master thesis is to investigate the potential of load management from private households and to examine how the power system is affected by a more flexible electricity consumption. The thesis focuses on fridges as automatic frequency control reserves and the ability of fridges to balance the power system. Attributes such as capacity, activation time, persistence and the effect of load reconnection has been modelled in Simulink, Matlab. Complementary interviews with actors from the electricity industry have been done to summarize their insights on demand response. The results indicate that fridges can be used as a part of the automatic frequency controlled reserve FCR-N, based on assumptions made in this study. However, current requirements imposed on balancing resources are not fully met by the fridges. In order for household appliances to provide the needed flexibility, some requirements might need to be rephrased. The results also show that the capacity for providing balancing services differs for positive and negative imbalances, as consumption can be reduced with 30 MW and increased with 66 MW. When controlling the fridges by moving the reference temperature, there is a risk that the appliances will synchronize with each other, i.e. reconnect or disconnect at the same time, resulting in frequency oscillations. It is therefore important that load management is designed to avoid this kind of behavior.

[pt] Esta tese de doutorado é composta de dois artigos científicos com contribuições na área de Smart Grid. Além disso, a tese também contribui para o desenvolvimento de soluções computacionais eficientes para problemas de programação linear mista e inteira. Outra importante contribuição é o desenvolvimento de método de decomposição benders com segundo estágio inteiro e não convexo aplicado ao problema de Transmission Switching. O primeiro artigo científico mostra os benefícios com o advento de uma rede inteligente e o aumento da capacidade do operador do sistema de energia elétrica em tomar ações corretivas em face de ocorrências de contingências. O artigo também analisa consequências práticas na capacidade de self-healing da rede pós-contingência. Em nosso contexto, uma rede self-healing é uma rede com total flexibilidade para ajustar a geração e as linhas de transmissão antes e depois da ocorrência de alguma contingência. Resultados numéricos mostram significantes reduções no corte de carga para cada contingência e no total. Foi considerado um único período que representa a demanda de pico do sistema, comparou-se o novo método com os utilizados em publicações anteriores. O segundo artigo contribui também para a aplicação da tecnologia de Smart Grid, em particular a teoria de Transmission Switching. De fato, desenvolvemos uma estratégia de solução para lidar com a complexibilidade NP-Hard criada pelas variáveis de transmission switching e unit commitment do problema de otimização. Foi desenvolvida uma solução algorítmica baseada na teoria dos grafos. Estudou-se a estrutura topológica desses problemas. Além disso, a maior contribuição foi o desenvolvimento de um novo método de decomposição de benders aplicado para o problema de transmission switching com o segundo estágio inteiro e não convexo. Para lidar com este problema de não convexidade, foi desenvolvido um método de convexificação sequencial, implícito a decomposição de benders. / [en] This PhD Thesis is composed by two papers with contributions on operations research applied to smart grid theory. The first paper highlights the economic and security benefits of an enhanced system operation with the advent of a smart grid technology by introducing a novel model, which is a joint energy and reserve scheduling that incorporates the network capability to switch transmission lines as a corrective action to enhance the system capability to circumvent contingency events. The main goal is to reduce operating costs and electric power outages, by adjusting the network connectivity when a contingency occurs. In such a framework, results show that, with a limited number of corrective switches, the system operator is able to circumvent a wider range of contingencies, while resulting in lower operational costs and reserve levels. In our context, a grid that is capable to adjust its generation and also its topology through post-contingency line switching is called a self-healing grid, and its importance in network security and operating costs is demonstrated in this work. The graph structure is explored in the algorithmic solution of the post-contingency transmission switching problem. Numerical results demonstrate a significant reduction in total load shedding and operating cost. It has been also illustrated an expressive improvement in terms of security and operating cost, in comparison to the transmission switching models previously published. The second paper is an application of a modified Benders decomposition to the post-contingency transmission switching problem. The decomposition is an attempt to deal with the NP-hard optimization problem created by the transmission switching and unit commitment variables. The major contribution is the application of a new benders decomposition approach to the problem of transmission switching, in which the first and second stages problems are a mixed-integer program. To deal with this issue, it is used a Branch and Bound (B&B) procedure for the first-stage problem and a sequential convexification procedure for the second-stage problem.