[pt] Com o aumento do número de dispositivos de controle representados nos casos práticos, pode ser verificado o aparecimento de interações entre suas ações de controle. Quando estas interações não são coordenadas podem ocasionar a diminuição da eficiência do método de Newton-Raphson no problema de fluxo de potência, resultando em convergências lentas e frequentemente soluções oscilatórias ou até mesmo a divergência do método. Uma adequada identificação destas interações pode contribuir para tomar as medidas corretivas necessárias e assim evitar este tipo de problema. Com esse objetivo, identificam-se as interações entre múltiplos dispositivos de controle (mais de dois equipamentos de controle) a partir da análise dos autovalores e fatores de participação da matriz de sensibilidade de controles denominada [MSC]. Esta matriz, elaborada com base num modelo alternativo para a representação do controle de tensão local das barras PV, é obtida da redução da matriz Jacobiana expandida do problema de fluxo de potência. Dentro deste contexto, se verifica a presença de autovalores que apresentam informações similares sobre os dispositivos de controle com fortes interações entre suas ações de controle, desenvolvendo-se assim, um método baseado no conceito de colinearidade capaz de identificar e agrupar estes autovalores. Os resultados da avaliação do método desenvolvido aplicado em sistemas de pequeno e grande porte mostram a relevância e a viabilidade da utilização prática dos desenvolvimentos propostos neste trabalho. / [en] The increasing number of control devices represented in practical cases, we can see the appearance of interactions between their control actions. When these interactions are not coordinated (conflict), the efficiency of Newton- Raphson method decrease to the power flow problem, the convergence is slow and the solutions are oscillatory. A correct identification of these interactions can help to take corrective actions and thus avoid this problem. With this objective, the identification of interactions between control devices (more than 2 control equipment) is established from the modal analysis of the sensitivity matrix [MSC]. This sensitivity matrix [MSC] is developed in based to alternative model to represent the local voltage control of the PV buses. This [MSC] is obtained from the reduction of the Jacobean matrix expanded of power flow problem. Within this context, it also checks for the presence of eigenvalues that have similar information about the significant interactions between control devices, thus developing a method based on the use index of sensitivity matrix [MSC] and concept of collinearity able to identify and group these eigenvalues. The results of the evaluation method applied to systems designed for small and large show the relevance and feasibility of practical use of proposed developments in this work.

[pt] Após a incidência de inúmeros colapsos ocorridos nos sistemas de transmissão de energia devido ao uso extremo das linhas de transmissão, a estabilidade, ou mais adequadamente, a segurança de tensão tornou-se um assunto importante ao longo dos últimos anos. Este trabalho foi desenvolvido com o intuito de complementar um método de reforço das condições de estabilidade de tensão. O método consta de ações de controle para diminuir o fluxo de potência ativa no ramo crítico do caminho de transmissão mais carregado associado a uma barra crítica, conceitos estes apresentados nesta dissertação. Para o propósito citado, e considerando que o problema de estabilidade de tensão causa restrições nos fluxos de potência na rede de transmissão, são estudados métodos que analisam o congestionamento dessas redes. Se destacam algoritmos que, a partir dos fluxos de potência ativa e reativa que deixam um gerador, ou que chegam a uma carga, determinam a distribuição nos ramos de um sistema de transmissão, e o algoritmo que avalia os impactos no sistema de transmissão devido a uma determinada transação, entre barras geradoras e/ou de cargas. São mostrados exemplos numéricos que ilustram a possibilidade ou não da adequação destes métodos para o problema do reforço das condições de segurança de tensão. / [en] After a number of collapses due to the extreme use of the transmission lines, the voltage stability, or voltage security, became an important issue. This work was developed in order to contribute to a voltage security reinforcement method. The method calculates control actions to decrease the power flowing through the critical branch of the most loaded transmission path associated with the critical bus (concepts present in this dissertation). For this propose, and considering that the power flow in a transmission network may be restricted by voltage stability limits, transmission congestion analysis methods were study. Two of them deal with the contribution of real and reactive outflows of individual generator buses, and real and reactive inflows of individual load buses, in all network branches. Another method assess the impact of a given power transaction on the network. Numerical examples are presented to illustrate whether it is the possible or not to employ the studied methods in the voltage security reinforcement problem.

[pt] A falta de recursos e a questão ecológica tem limitado a expansão do sistema de transmissão. Esta realidade, em conjunto com o crescimento da carga, faz com que os sistemas elétricos trabalhem bastante carregados. Esta nova condição pode levar a situações de colapso de tensão. O desenvolvimento de métodos para a avaliação do carregamento da rede de transmissão tornou-se necessário e imprescindível para que se possa entender o funcionamento do sistema nestas condições e possibilitar a sua operação de modo correto. O carregamento da rede de transmissão pode ser avaliado 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, e uma medida de dificuldade de transmissão. O controle de tensão influi diretamente nas condições de operação e portanto, deve ser incluído na modelagem do problema. Usualmente são: controle de tensão por ajuste de tap de LTCs e controle de tensão (local e remota) por injeção de potência reativa. O controle é restrito pelos limites dos taps de transformadores, limites de injeção de potência reativa e limites de tensão. Neste trabalho é mostrada a forma como se deve incluir os controles e limites relacionados com a tensão, na ferramenta analítica de avaliação do carregamento da rede de transmissão. O índice calculado apropriadamente é nulo no ponto de máxima transferência de potência. É mostrado que os controles e limites de tensão do sistema podem e devem ser representados na matriz Jacobiano do sistema linearizado de equações que modelam o sistema, exceto os da barra em análise, mesmo se esta tiver sua tensão controlada. / [en] The lack of investiments and the ecological matter have limited the expansion of the transmission system. This reality, together with the growth of the load, makes the electric systems to work heavy loaded. This new condition can lead to situations of voltage collapse. The development of methods for evaluation the loading of the transmission network became necessary and indispensable in understanding the performance of the system under these conditions and in making possible the operating in a correct way. The transmission system loading can be evaluated by nodal conditions associated to the maximum active and reactive power flow that can be transmitted from generators to loads. These nodal conditions are assessed by an analytic tool based on a a mathematical model. Simple but powerful, derived directly from a physical interpretation of the phenomenon. Meaningful and comprehensive indexes are obtained from a partition of the jacobian matrix of the system. They indicate the operation area in the V x P, Q curve, the margin in MVA for the maximu loading, the relative importance among the busbars, and a measure of transmission difficulty. The voltage control is of paramount importance on operating consitions and therefore should be included in the problem modeling. Usually they are voltage control by tap adjstment of LTCs and voltage control (local and remote) by injection of reactive power. The control is constrained by limits on the taps of transformers, on reactive power injection and on voltage magnitudes. In this work it is shown how the controls and limits related with the voltage should be include in the analytical tool for the evaluation of the transmission system loading. The index calculated adequately is null in the point of maximum power transfer, positive in the upper half and negative in the lower half of the V x P, Q curve. It is shown that the voltage controls and limits of the system can and should be represented in the Jacobian matrix of the linearised system of equations, except on bus under analysis, even if it is a voltage controlled bus.

[pt] O tema abordado neste trabalho é a observação e análise, em regime permanente e dinâmico, da ocorrência de um fenômeno que já foi observado em condições reais de operação do sistema elétrico brasileiro, que é a relação oposta entre a tensão de excitação de geradores e compensadores síncronos e a tensão controlada. Nessas situações, a capacidade nominal de um gerador / compensador síncrono, por exemplo, não seria útil para manter a tensão controlada. Em virtude da relação oposta, um aumento na excitação da máquina abaixaria a tensão controlada. O controle automático continuaria agindo, abaixando ainda mais a tensão. Este mecanismo pode levar o sistema ao colapso. A abordagem do problema baseou-se na verificação do comportamento do gerador / compensador como dispositivo de controle de tensão, em regime permanente e dinâmico, ante as diversas situações normais de um sistema elétrico, tais como variações do valor da tensão de referência (tensão controlada) e de carga. A análise em regime permanente utilizou um algoritmo de fluxo de carga, enquanto a análise em regime dinâmico utilizou a simulação no domínio do tempo. A real existência do fenômeno foi comprovada através de várias destas análises, mostrando inclusive a mudança da região de operação em algumas delas. Em outros casos, os resultados da análise em regime permanente não coincidiram com os da análise em regime dinâmico. / [en] The aim of this work is to investigate, in steady state and dynamic performance, the phenomenon of the opposite relationship, already observed at real operation conditions of the Brazilian Electric System, between generators and synchronous compensators excitation voltage and the controlled one. In these situations, the generator / synchronous compensator nominal capacity, for example, would not be useful to keep the voltage controlled. Due the opposite relationship, an increase in the excitation voltage would reduce the controlled voltage. The automatic control would keep acting and reducing more the voltage. This mechanism can lead the system to the collapse. The study of this problem was based in the generator / compensator behavior as a control voltage device, in steady- state and dynamic performance, front of several operation situations of electric power system, like reference voltage (controlled voltage) variation and load changing. The steady state analysis used a load flow algorithm, while the time domain simulation was utilized for the dynamic performance analysis. The real existence of the phenomenon was verified through these analyses, emphasizing the operation region changing in some of them. In other cases, the analyses results in the steady-state were different of the dynamic performance results.

[pt] Após a incidência de inúmeros colapsos ocorridos nos sistemas de transmissão de energia devido ao uso extremo das linhas de transmissão, a estabilidade, ou mais adequadamente, a segurança de tensão tornou-se um assunto importante os últimos anos. A correta representação de cargas e de dispositivos de controle de tensão é cada vez mais importante na análise de segurança de tensão do sistema elétrico, em função da sua complexidade crescente e da necessidade de ações operativas mais precisas. A avaliação das condições de segurança de tensão é realizada com base em um modelo linearizado das equações de fluxo de carga, incluindo toda e qualquer equação de controle, e os índices resultantes são calculados a partir de um determinado ponto de operação. Em estudos off-line, este ponto é usualmente proveniente do resultado de um problema de fluxo de carga. É importante que os modelos matemáticos do sistema e seus componentes, de controles e de limites sejam compatíveis nos dois programas computacionais. Estuda-se neste trabalho a modelagem em regime permanente, e a incorporação à função de avaliação da segurança de tensão, de cargas do tipo motor de indução e do controle de tensão por faixa através de capacitores chaveáveis. Aspectos fundamentais da presença de motores de indução e capacitores chaveáveis na avaliação da segurança de tensão são apresentados e discutidos. São mostrados exemplos numéricos de avaliação dos índices de estabilidade de tensão que ilustram a necessidade de uma modelagem realista. / [en] After the incidence of innumerable collapses occurred in the energy transmission systems due to the extreme use of the transmission lines, the voltage stability, or more adequately, the voltage security became an important issue in the last years. The correct representation of loads and voltage control devices is important in the analysis of voltage security of the electrical system, due to its increasing complexity and to the necessity of more accurate and secure operative actions. The voltage security assessment is based on a linear model of the load flow equations, including all and any control equation, and the resulting indexes are calculated for a specified operating point. In off-line studies the operating point is usually obtained from a load flow algorithm. It is important that the system and its components mathematical models, control devices and limits are compatible in both computational programs. This work is concerned with the steady state modelling and its incorporation into the voltage security assessment function, of induction motor type loads and band voltage control by switchable capacitors. Fundamental aspects of induction motors and switchable capacitors in the assessment of voltage security are presented and discussed. Numerical examples of voltage stability assessment indexes are presented to illustrate the necessity of realistic modelling.

[pt] Atualmente os sistemas elétricos altamente carregados estão enfrentando um crescente risco de estabilidade de tensão na medida que restrições ambientais e incertezas econômicas limitam o investimento em novas linhas de transmissão. Uma revisão dos problemas ocorridos em vários países indicam claramente que o problema de estabilidade de tensão é real e que o pior ainda está por vir [1]. Portanto existe a necessidade do desenvolvimento de ferramentas analíticas capazes de prever o colapso de tensão em redes complexas. Estas ferramentas devem ser capazes de quantificar com precisão as margens de estabilidade e os limites de transferência de potência, identificando os pontos fracos e as áreas susceptíveis á estabilidade de tensão. Um método para determinação das condições de estabilidade local de tensão é mostrado. A eficiência computacional desta ferramenta analítica é enfatizada em estudos de análise de cotingência. Estudos comparativos mostram a influência do modelo da carga estática, dos equivalentes de redes e da representação dos limites de geração ou absorção de potência reativa a partir da curva de capabilidade da máquina síncrona, no índice que avalia a estabilidade local de tensão. Um estudo sobre o determinante da matriz que serve como índice que avalia a estabilidade local de tensão. Neste trabalho são propostos novos estudos para dar continuidade aos avanços obtidos até o momento. / [en] Nowadays, heavy loaded eletric power systems are facing voltage stability problems due to environmental restrictions and budget cuts. Power systems incidents involving voltage stability clearly show that it is real problem and worse conditions are expected [1]. Therefore, there is a need of developing analytical tools to detect voltage collapse in complex networks. These tools must show, with good accuracy, stability ranges and power transfer limits, identifying weak nodes and susceptible areas to voltage stability. It is show a method to determine local voltage stability conditions and its computational efficiency is emphasized through contingency analysis studies. Comparative studies show the influence of static load model, network equivalent and reactive power generation/absorption limits representation using the synchronous machine capability curve, over the index which evaluates local voltage stability. It is show a study about the determinant which plays as an index to evaluate local voltage stability. Suggestions are made for future research.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T07:37:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T23:18:02Z : No. of bitstreams: 1 138900.pdf: 9907318 bytes, checksum: 81c2d96f8a1b90ed2a4b8d88943d8d26 (MD5)

[pt] São obtidas expressões analíticas para a análise de tensões atuantes em cascas esféricas submetidas aos carregamentos de pressão interna, peso próprio e pressão hidrostática. Apenas a teoria de membrana é utilizada. O vaso esférico pode ser apoiado por um suporte elástico ou por colunas. O problema de uma calota apoiada num sólido elástico semi-infinito também é estudado. Para estas considerações, são utilizadas teorias de flexão para carregamentos axissimétricos aplicados na borda e para carregamentos arbitrários, como também são estudados deslocamentos, em sólidos semi-infinitos, devido a carregamentos axissimétricos ao longo de um anel. / [en] Analytical solutions are obtained for stresses analysis of spherical shells subjected to internal pressure,dead weight and hidrostatic pressure. Only the membrane theory is used. The spherical vessel is considered supported by continuos elastic support or by columns. The problem of hemispherical shells supported by na elastic semi infinite solid is studied. For this considerations, bending theories for axysimetric edge load and for arbitrary load used. Displacements of semi infinite solids are also studied.

[pt] As técnicas eletromagnéticas de inspeção têm se destacado como as únicas com potencial de determinar, de forma não invasiva, a tensão mecânica nos arames de sustentação dos risers flexíveis. Como o duto flexível é uma estrutura complexa, constituída por várias camadas de aço e de termopl ástico, as técnicas tradicionais de inspeção não são aplicáveis. Alguns métodos magnéticos são capazes de penetrar a camada polimérica externa do riser, porém ainda apresentam limitações e dificuldade na interpretação dos resultados. Não existe hoje, seja no mercado mundial de serviços ou nos diversos grupos de pesquisas que têm se dedicado a este tema, uma solução confiável e definitiva para este problema. O presente trabalho estuda como as diferentes técnicas baseadas em eletromagnetismo podem ser aplicadas na inspeção ou monitoramento da integridade de risers flexíveis. Experimentos e simulações são utilizados para discutir as vantagens e os problemas de cada técnica. Além dos métodos puramente magnéticos estudados, é proposta a aplicação inédita da técnica de ressonância magnetoacústica, também chamada EMAR (Electro Magnetic Acoustic Resonance). Esta técnica gera ondas ultrassônicas no arame através de transdutores eletromagnéticos (EMAT) e é capaz de estimar a tensão mecânica usando as frequências das ressonâncias acústicas. Um novo modelo teórico é proposto para descrever a curva do espectro de ressonâncias acústicas produzidas com EMAR. Anteriormente, estes espectros eram modelados por uma função Lorentziana. Experimentos demonstram que o modelo proposto é significativamente superior, sendo capaz de explicar diversas características dos espectros obtidos. Resultados experimentais mostram a viabilidade do EMAR para estimar a tensão mecânica dos arames, mesmo através da capa, em determinadas circunst âncias. São discutidas as limitações da técnica, casos de uso possíveis e ainda os desenvolvimentos necessários para sua efetiva utilização em campo. / [en] The only inspection techniques that have shown potential to determine, in a non-intrusive fashion, the mechanical stress on armour wires of flexible risers are the electromagnetic-based ones. Because the flexible pipeline is a complex multilayered structure of steel and thermoplastics, traditional inspection techniques cannot be used. Some electromagnetic methods are known to be able to run through the outer polymeric layer to sense the wires but the obtained data are very difficult to interpret. To date there is still no reliable and definitive solution to this problem, neither in the market nor in research groups. This present work analyses how the different electromagnetic techniques can be employed on inspection or monitoring of riser integrity. Experiments and simulations are used to discuss the advantages and limitations of each technique. Besides the purely electromagnetic methods, a novel solution is proposed based on electromagnetic acoustic resonance (EMAR). This technique produces ultrasonic waves on the wire using electromagnetic transducers (EMAT) and is able to estimate the mechanical stress by measuring the frequency of the acoustic resonances. A new line shape calculation is proposed to the acoustic resonances of EMAR. Previously, the spectral data was fitted by a Lorentzian function. The new function is shown to be significantly superior, explaining features of the spectrum not previously described and achieving much better agreement with experimental data. Experiments with flexible pipelines show the viability of using EMAR to estimate the mechanical stress of the wires, even through the outer sheath in some circunstances. The limitations of this technique are discussed, along with possible forms of usage and the pending developments for its effective deployment on the field.

[pt] Muito tem sido feito para que se possa entender os mecanismos que levam o sistema a uma situação de instabilidade de tensão e até mesmo ao colapso, assim como também para se suprir a necessidade de ferramentas analíticas capazes de prever e avaliar a proximidade do colapso de tensão em sistemas complexos, identificando as áreas susceptíveis à instabilidade de tensão. Uma vez detectada a inconveniente proximidade a uma condição de operação susceptível ao colapso de tensão, é necessária a identificação de grandezas-chave e sensibilidades, que forneçam entendimento suficiente, para ajudar no desenvolvimento de metodologias para reforçar as condições de estabilidade de tensão. Tendo isto como objetivo, este trabalho trata do problema de reforço da estabilidade de tensão através da mudança do perfil de tensão, utilizando como ferramenta computacional um algoritmo de otimização. Há no sistema variáveis de controle que interferem diretamente no perfil de tensão, tais como, tensão base nos geradores e compensadores, taps de transformadores, e capacitadores e reatores usados para compensação de potência reativa. Entretanto, quando as condições de estabilidade já se encontram deterioradas, as ações de controle do perfil de tensão podem levar a resultados insatisfatórios, podendo mesmo agravar o problema. Neste trabalho é apresentada uma metodologia, baseada em algoritmo de otimização, que fornece a lista de variáveis de controle mais eficientes para o reforço da estabilidade de tensão, e a direção em que os controles devem ser acionados. O interesse é obter um ponto de operação viável mais robusto, do ponto de vista de estabilidade de tensão, e não necessariamente um ponto de operação ótimo. / [en] Much hás been done for the understanding of the voltage instabilitu mechanisms and to supply the necessity of analytical tools, which should have the ability tom predict and evaluate the proximity of voltage collapse in complex systems, identifying the critical áreas susceptible to voltage istability. Once the inconvenient proximity to an operating condition susceptible to voltage collapse is identified, it is necessary to look for the key factors and sensitivities that provide the reinforcement of the voltage stability conditions. Having it as a goal, this work treats the problem of reinforcing the voltage stability conditions, through changes of the voltage profile, using an optimal algorithm as a computational tool. There are control variables in the system which directly interfere on the voltage profile, such as, voltage set point on generators and compensators, transformer taps, capacitors and reactors. However, when the voltage stability conditions are already deteriorated, the voltage profile control actions may lead to unsatisfactory results, and may even aggravate the problem. It is presented a methodology based on an optimal, that provides the list of the most efficient control variables for the reinforcement of voltage stability, and the corresponding direction of movement. The search is for a feasible operating point, more robust in relation to voltage stability, and not necessarily for an optimal operating point.