Determining the maximum power system loadability, as well as preventing the system from being operated close to the stability limits is very important in power systems planning and operation. The application of optimization techniques to power systems security and electricity markets is a rather relevant research area in power engineering. The study of optimization models to determine critical operating conditions of a power system to obtain secure power dispatches in an electricity market has gained particular attention. This thesis studies and develops optimization models and techniques to detect or avoid voltage instability points in a power system in the context of a competitive electricity market. A thorough analysis of an optimization model to determine the maximum power loadability points is first presented, demonstrating that a solution of this model corresponds to either Saddle-node Bifurcation (SNB) or Limit-induced Bifurcation (LIB) points of a power flow model. The analysis consists of showing that the transversality conditions that characterize these bifurcations can be derived from the optimality conditions at the solution of the optimization model. The study also includes a numerical comparison between the optimization and a continuation power flow method to show that these techniques converge to the same maximum loading point. It is shown that the optimization method is a very versatile technique to determine the maximum loading point, since it can be readily implemented and solved. Furthermore, this model is very flexible, as it can be reformulated to optimize different system parameters so that the loading margin is maximized. The Optimal Power Flow (OPF) problem with voltage stability (VS) constraints is a highly nonlinear optimization problem which demands robust and efficient solution techniques. Furthermore, the proper formulation of the VS constraints plays a significant role not only from the practical point of view, but also from the market/system perspective. Thus, a novel and practical OPF-based auction model is proposed that includes a VS constraint based on the singular value decomposition (SVD) of the power flow Jacobian. The newly developed model is tested using realistic systems of up to 1211 buses to demonstrate its practical application. The results show that the proposed model better represents power system security in the OPF and yields better market signals. Furthermore, the corresponding solution technique outperforms previous approaches for the same problem. Other solution techniques for this OPF problem are also investigated. One makes use of a cutting planes (CP) technique to handle the VS constraint using a primal-dual Interior-point Method (IPM) scheme. Another tries to reformulate the OPF and VS constraint as a semidefinite programming (SDP) problem, since SDP has proven to work well for certain power system optimization problems; however, it is demonstrated that this technique cannot be used to solve this particular optimization problem.

Orientadores: Carlos Alberto de Castro Junior, Luiz Carlos Pereira da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-08T23:29:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BedoyaBedoya_DuvierRolando_M.pdf: 801505 bytes, checksum: 8566b9558e25c36e418f2d8d82398e68 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho apresenta uma nova e rápida metodologia para calcular a margem mínima de estabilidade de tensão de sistemas de potência. O cálculo da margem de estabilidade de tensão (MET) é normalmente requerido no planejamento e operação dos sistemas de potência. Usualmente, a carga é incrementada em uma direção predefinida baseada em históricos ou previsão da demanda (por exemplo, com fator de potência constante, seguido por um incremento proporcional nos MW da geração) até que o ponto de máximo carregamento (PMC) seja obtido. O cálculo da margem mínima METm, permite obter a pior direção de incremento de carga. Além disso, podem se apresentar situações onde incrementos de carga imprevistos em uma barra ou área conduzam a uma margem menor, arriscando a operação do sistema em modo seguro. O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia nova e eficiente, do ponto de vista computacional, para obter a METm e a correspondente direção que é equivalente à pior direção de incremento de carga. Esta informação, com a margem que usualmente é calculada, permite que os operadores do sistema tomem medidas preventivas de controle para retornar ou manter o sistema em modo de operação seguro. Adicionalmente, é apresentado um estudo de áreas críticas para identificar as regiões ou barras que mais estão contribuindo a perda de estabilidade de tensão. É possível encontrar a melhor ação de controle, como corte de carga ou compensação reativa / Abstract: This work presents a new and fast method for computing the minimum voltage stability margin of electric power systems. The computation of the voltage stability margin (VSM) is often required for the planning and operation of power systems. Usually, loads are increased along a predefined direction, which can be estimated based on historical data or load forecast (e.g. with constant power factor, followed by a proportional MW generation increase) up to the system's maximum loading point is reached. The computation of the minimum VSM (mVSM) allows obtaining the load increase worst scenario. Also, situations may occur where variations from the predefined load increase direction, as for example, an unexpected load increase at some bus or area, may result in smaller VSM, taking the system to an insecure operating state. The aim of this work is to propose a new and fast method to compute the mVSM? and the corresponding load increase direction for which it occurs. This information, along with the usual VSM, allows operators to take measures like preventive control actions to move the system to securer operating points. Also a general study of critical areas is shown in order to identify the weakest region and bus that are contributing to the loss of voltage stability. It is possible to _nd the best control actions, like load curtailment or reactive compensation / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

It is specifically important to focus on voltage stability analysis of the power system to avoid worst case scenarios such as voltage collapse. The purpose of this thesis is to identify methods for enhancing the steady-state voltage stability using FACTS devices and determining their impact on real and reactive power losses, improvement of bus voltage magnitude, and transmission line loadability. To achieve this, FACTS devices such as Static VAR Compensator (SVC), Static Synchronous Compensator (STATCOM), and Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) are used in the test system as three separate test cases. The results obtained assist in drawing conclusions on the effectiveness of each FACTS devices at generator, load and swing buses, on lines between two load buses, and between a load bus and a generator bus, in terms of metrics such as voltage magnitude profile, PV curves, and active and reactive power losses.

[pt] A crescente demanda de energia elétrica, associada a limitações na expansão do sistema de transmissão, resulta na operação dos sistemas elétricos cada vez mais próxima de seus limites, tornando-os vulneráveis a problemas de estabilidade de tensão. Neste contexto, o desenvolvimento de métodos para avaliação do carregamento da rede de transmissão tornou-se fundamental para que se possa compreender o funcionamento do sistema nestas condições, bem como possibilitar sua operação com maior confiabilidade e segurança. No presente trabalho é apresentada a formulação não-clássica para o controle de tensão local, remoto e coordenado, utilizada na solução do problema do fluxo de potência. A partir desta formulação, foi realizado o estudo da teoria associada à avaliação do carregamento da rede de transmissão considerando não só barras de carga e barras de tensão controlada localmente, mas também barras controladoras e de tensão controlada em sistemas com controle de tensão remoto e coordenado. Para essas barras, foram deduzidos índices de avaliação das condições de estabilidade de tensão, os quais indicam a região de operação de cada barra na curva para phi constante no plano SV, a margem em MVA para o máximo carregamento e a importância relativa entre as barras. Exemplos numéricos são apresentados demonstrando a aplicabilidade dos índices propostos. / [en] The growing demand for electricity, coupled with the limitations on the transmission system’s expansion, results in the operation of power systems ever closer to their limits, making them vulnerable to voltage stability problems. In this context, the development of methods to evaluate the loading of the transmission system became essential so that you can understand the operation of the system under these conditions, and to enable its operation with greater reliability and security. This work presents the formulation for the non-classical local, remote and coordinated voltage control, used in solving the problem of load flow. From this formulation, the study of the theory associated with the assessment of the loading of the transmission system was conducted considering not only load buses and locally voltage controlled buses, but also voltage controlling and controlled buses in systems with remote and coordinated voltage control. For these buses were deducted evaluation indexes of voltage stability conditions, which indicate the operating region of each bus in the S-V curve, the margin in MVA for maximum loading and the relative importance between the buses. Numerical examples are presented demonstrating the applicability of the proposed indexes.

Nos dias atuais, há muitos casos em que sistemas de potência estão operando perto dos seus limites de estabilidade devido a restrições econômicas e leis ambientais. A estabilidade de tensão é uma matéria de muita pesquisa e interesse devido a que é considerado como uma das maiores ameaças na segurança dos sistemas. Uma prevenção exitosa de colapso do sistema baseia-se na precisão do método, a simplicidade dos índices, e muito baixo tempo de computação. Este trabalho apresenta uma rede Perceptron Multicamada (PMC) como proposta para monitoramento em tempo real da estabilidade de tensão de sistemas de potência usando como principais dados de entrada medidas obtidas do sistema SCADA. Os dados de treinamento são obtidos com cálculos de fluxo de potência continuado. A rede Perceptron Multicamadas é apresentada como um aproximador universal de funções, que diminui o tempo computacional dos métodos convencionais como o fluxo de potência continuado. Por fim, a topologia da rede PMC proposta é avaliada com o sistema de 30 barras do IEEE, e os resultados em relação ao tempo de computação e precisão são comparados com o método de fluxo de potência continuado. / Nowadays, many power systems are operating near their limits of stability due to economic restrictions and environmental laws. Voltage stability is a subject of great interest because it is considered one of the greatest threats for power systems security. The keys to preventing blackouts are the accuracy of the method, speed indication, and low computation time. This work presents a Multi-layer Perceptron (PMC) network as a proposal for real-time monitoring of voltage stability in power systems using input data obtained from the SCADA system. The training data are obtained by running Continuation Power Flow (CPF) routine. The multi-layer Perceptron network is presented as a universal approximator, reducing the computation time of conventional methods such as the Finally, the proposed PMC network is evaluated in the IEEE 30-bus system. Computation time and accuracy are compared with the continuation power flow method.

A interligação dos sistemas elétricos de potência (SEPs) resultou em um aumento na complexidade dos mesmos. Além disso, devido a pressões econômicas e ambientais, os sistemas têm operado mais próximos aos seus limites de transmissão, o que aumenta a relevância de análises de segurança no contexto de estabilidade de tensão. Neste cenário, problemas associados à capacidade de transmissão do SEP, como a bifurcação induzida por limite (BIL), tornam-se mais importantes, criando a necessidade de ferramentas de análise apropriadas. Um dos objetivos deste projeto de mestrado é estudar mais profundamente as BILs para que se possa tratar melhor o fenômeno no contexto de estabilidade de tensão. Outro objetivo é o desenvolvimento de técnicas para avaliação da margem de estabilidade de tensão (MET) considerando a possibilidade de ocorrência de BIL. Finalmente, dada a grande importância e ampla utilização da análise de sensibilidade da MET devido à bifurcação sela-nó (BSN) em estudos de estabilidade de tensão, o equacionamento do problema de análise de sensibilidade da MET devido à BIL é o terceiro objetivo deste trabalho. A análise de sensibilidade é importante pois, não só fornece mais informações sobre o fenômeno de instabilidade e seus mecanismos, mas também auxilia na análise de segurança de SEPs, fornecendo informações sobre quais ações de controle serão mais eficazes na manutenção da MET e quais contingências serão mais severas. Isto é, quais mudanças no sistema mais afetam a MET. No entanto, este tipo de análise só foi realizado para o caso em que a MET é determinada por um ponto de BSN, não para o caso da BIL. Com o intuito de possibilitar que ferramentas de seleção de controles preventivos tratem o fenômeno da BIL, realizou-se uma análise de sensibilidade do ponto de BIL similar à análise usual baseada na BSN. Outra contribuição deste trabalho é uma formulação suave de limites complementares que foi aplicada ao problema de limites de injeção de potência reativa de unidades geradoras. A formulação proposta transforma, pelo menos numericamente, a BIL em uma BSN que pode ser detectada através de métodos já consolidados na literatura. / The interconnection of electric power systems (EPSs) led to an increase in security assessment complexity. Besides, due to economical and environmental inuences, EPSs have been operating closer to their transmission limits, which raises the relevance of security assessment in the context of voltage stability. In this scenario, problems related to EPS power transmission capacity, such as the limit induced bifurcation (LIB), become more important and bring the need of appropriate analysis tools. One of the goals of this project is to study the LIB problem more deeply, so it can be better understood in the context of voltage stability. Another objective is the development of methods for evaluating the load margin (LM) considering the possible occurrence of LIBs. Finally, since the LM sensitivity analysis due to saddle-node bifurcation (SNB) plays a highly important role in voltage stability studies, developing a method for LM sensitivity analysis due to LIB is our third objective. The sensitivity analysis is important not only because it provides information on the instability phenomenon and its mechanisms, but it is also useful for EPS security assessment, since it may provide knowledge on which control actions will be more eective in increasing the LM and which contingencies may be more severe. However, this analysis has been performed only for the case in which the LM is determined by a SNB point, not for the LIB case. With the intention of enabling pre-existing preventive control selection tools to treat the LIB phenomenon, a sensitivity analysis was performed at the LIB point similarly to what was developed for the SNB. Another contribution of this work is a smoothing formulation for complementary limits that was applied to the problem of limited reactive power injection of generating units. The proposed formulation transforms, at least numerically, the LIB in a SNB, which may be detected through methods already established in literature.

[pt] A falta de recursos e a questão ecológica têm 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. Métodos para avaliação do carregamento da rede de transmissão tornaram-se necessários e imprescindíveis para que se possa entender o funcionamento do sistema nestas condições e possibilitar a sua operação de modo correto. Ferramentas analíticas têm sido usadas para reforço das condições de segurança de tensão do sistema em tempo real, se for avaliado que o sistema não é suficientemente seguro. Ações operativas de controle são determinadas, para mover o estado do sistema para um ponto de operação seguro. Entretanto, ferramentas de avaliação e reforço não são a única necessidade. As mesmas ações de controle, que podem afastar o sistema de uma situação de instabilidade de tensão, também podem ter efeito oposto ao esperado e contribuir para o problema, podendo até mesmo levar o sistema ao colapso. Portanto, é necessário o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para avaliar a adequação de ações de controle de tensão. Neste trabalho é proposta uma ferramenta computacional, desenvolvida com base no sistema linearizado das equações de fluxo de carga, incluindo equações de controle de tensão e limites, para a avaliação do efeito das ações de controle de tensão. São obtidos índices que permitem avaliar se a ação de controle é adequada ou não. Além disso, esses índices podem avaliar a interdependência entre os controles, porque além de indicarem o efeito do controle sobre a tensão da barra controlada, podem indicar também o efeito do controle sobre as outras barras de tensão controlada do sistema. Estes índices podem ser obtidos de forma extremamente rápida, e são adequados para uso em tempo-real. / [en] The lack of investments and the ecological matter have limited the expansion of the transmission system. This reality, together with the load growth, makes the electric systems to work heavy loaded. This new condition can lead to situations of voltage collapse. Methods for evaluation the transmission network loading became necessary and indispensable for understanding system performance under these conditions and for making possible secure operation. Analytic tools have been used to evaluate the voltage security of the system in real time. If it is evaluated that the system is not sufficiently secure in relation to voltage, control actions can be determined, in order to move the state of the system for a secure operation point. However, these tools are not the only need. The same control actions that can move away the system from a situation of voltage instability, can also have opposite effect and contribute for worsening the problem, perhaps leading to system collapse. Therefore, it is necessary the development of computational tools to evaluate the adequacy of these control actions. In this work it is proposed a computational tool, based on the linearized set of power flow equations, including equations for voltage control and limits, for the evaluation of the effect voltage control actions. Indexes that allow the evaluation whether the control action is adequate or not are obtained. The indexes can also evaluate the interdependence among the controls, because besides indicating the effect of the control action on the voltage of the controlled bus, they can also indicate the effect on the other voltage controlled buses. The indexes can be calculated in an extremely fast way, and are appropriate for use in real-time operation.

Apesar do crescente desenvolvimento das metodologias de detecção de bifurcações de Hopf em sistemas de energia elétrica nas últimas décadas, alguns aspectos ainda carecem de progressos, especialmente frente à crescente necessidade de aumento da segurança na operação dos sistemas eletroenergéticos. Um destes aspectos diz respeito ao tempo de processamento destas metodologias para serem utilizadas em tempo real na operação do sistema. Este tempo computacional é pouco considerado para este fim pelas metodologias atualmente existentes. Assim sendo, o presente trabalho apresenta um novo desenvolvimento relativo a estimação da margem de estabilidade do sistema de potência referente à bifurcação de Hopf e considera o tempo computacional envolvido neste processo a fim de incluir a margem devido a Hopf na operação em tempo real do sistema. O desenvolvimento apresentado estende uma das metodologias que compõe o estado da arte através da flexibilização de um dos parâmetros de interesse em relação a margem de estabilidade devido a bifurcação de Hopf, a saber, a frequência do autovalor no ponto de birfurcação. Esta metodologia utiliza o método de Newton em um conjunto de equações, e neste trabalho ainda é proposta a utilização de um tratamento da esparsidade para este conjunto de equações, deixando o algoritmo mais rápido. De forma a apresentar a eficiência desta metodologia proposta, esta foi testada em dois sistemas, o sistema Kundur de duas áreas e o sistema IEEE 39 barras. Os resultados obtidos são comparados frente a resultados obtidos também para a metodologia clássica utilizada em centros de operação. Através destes resultados é possível mostrar a possibilidade de sua utilização em tempo real e elucidar as grandes melhorias obtidas através do desenvolvimento proposto. / Despite the increasing development of Hopf bifurcations detection methods for electric power systems in the last decades, some aspects still require to progress, especially with the increasing necessity for higher safety in the electrical energy systems operation. One of these aspects concerns to the processing time of these methodologies to be used in real-time system operation. The computational time is disregarded for this purpose by the methods currently available. Therefore, this paper presents a new development for the power system stability margin estimation due to Hopf bifurcation and considers the computational time involved in this process to include the margin due to Hopf in electrical energy real-time operation. The presented development extends a methodology that makes up the state-of-the-art through an interest parameter relaxation in the stability margin due to Hopf bifurcation, namely, the eigenvalue frequency at the bifurcation point. This method uses Newton\'s method on a set of equations, and this work also proposes the use of a sparsity treatment for this set of equations, speeding up the algorithm. In order to demonstrate the proposed methodology efficiency, it was tested in two systems, the two areas Kundur system and the IEEE 39 bus system. The results are compared against the results of the classic methodology used in operation centers. Through these results it is possible to show the possibility of their use in real time and elucidate the major improvements resulting from the proposed development.

Esse trabalho investiga o impacto do comportamento transitório e em regime permanente da carga sobre a estabilidade de tensão do sistema elétrico. Para isso, utiliza-se uma modelagem detalhada da rede elétrica, capaz de representar os principais eventos inerentes aos fenômenos de instabilidade e colapso de tensão. A simulação numérica do sistema algébrico-diferencial resultante é realizada utilizando-se o solver DASSLC. Ao final desse trabalho, faz-se uma análise da resposta dos diferentes modelos de carga sobre a estabilidade de tensão do sistema de 14 barras do IEEE. / This work investigates the impact of transient and steady state load behavior on power systems voltage stability. In order to do this, a detailed electric power system model is used to reproduce the main aspects of voltage instability and collapse phenomena. The numerical solution of the resulting non-linear differential-algebraic equations is carried out by using the DASSLC solver. An analysis of different load models behaviour for some voltage instability situations is presented for IEEE 14 bus system.

A interligação dos sistemas elétricos de potência (SEPs) resultou em um aumento na complexidade dos mesmos. Além disso, devido a pressões econômicas e ambientais, os sistemas têm operado mais próximos aos seus limites de transmissão, o que aumenta a relevância de análises de segurança no contexto de estabilidade de tensão. Neste cenário, problemas associados à capacidade de transmissão do SEP, como a bifurcação induzida por limite (BIL), tornam-se mais importantes, criando a necessidade de ferramentas de análise apropriadas. Um dos objetivos deste projeto de mestrado é estudar mais profundamente as BILs para que se possa tratar melhor o fenômeno no contexto de estabilidade de tensão. Outro objetivo é o desenvolvimento de técnicas para avaliação da margem de estabilidade de tensão (MET) considerando a possibilidade de ocorrência de BIL. Finalmente, dada a grande importância e ampla utilização da análise de sensibilidade da MET devido à bifurcação sela-nó (BSN) em estudos de estabilidade de tensão, o equacionamento do problema de análise de sensibilidade da MET devido à BIL é o terceiro objetivo deste trabalho. A análise de sensibilidade é importante pois, não só fornece mais informações sobre o fenômeno de instabilidade e seus mecanismos, mas também auxilia na análise de segurança de SEPs, fornecendo informações sobre quais ações de controle serão mais eficazes na manutenção da MET e quais contingências serão mais severas. Isto é, quais mudanças no sistema mais afetam a MET. No entanto, este tipo de análise só foi realizado para o caso em que a MET é determinada por um ponto de BSN, não para o caso da BIL. Com o intuito de possibilitar que ferramentas de seleção de controles preventivos tratem o fenômeno da BIL, realizou-se uma análise de sensibilidade do ponto de BIL similar à análise usual baseada na BSN. Outra contribuição deste trabalho é uma formulação suave de limites complementares que foi aplicada ao problema de limites de injeção de potência reativa de unidades geradoras. A formulação proposta transforma, pelo menos numericamente, a BIL em uma BSN que pode ser detectada através de métodos já consolidados na literatura. / The interconnection of electric power systems (EPSs) led to an increase in security assessment complexity. Besides, due to economical and environmental inuences, EPSs have been operating closer to their transmission limits, which raises the relevance of security assessment in the context of voltage stability. In this scenario, problems related to EPS power transmission capacity, such as the limit induced bifurcation (LIB), become more important and bring the need of appropriate analysis tools. One of the goals of this project is to study the LIB problem more deeply, so it can be better understood in the context of voltage stability. Another objective is the development of methods for evaluating the load margin (LM) considering the possible occurrence of LIBs. Finally, since the LM sensitivity analysis due to saddle-node bifurcation (SNB) plays a highly important role in voltage stability studies, developing a method for LM sensitivity analysis due to LIB is our third objective. The sensitivity analysis is important not only because it provides information on the instability phenomenon and its mechanisms, but it is also useful for EPS security assessment, since it may provide knowledge on which control actions will be more eective in increasing the LM and which contingencies may be more severe. However, this analysis has been performed only for the case in which the LM is determined by a SNB point, not for the LIB case. With the intention of enabling pre-existing preventive control selection tools to treat the LIB phenomenon, a sensitivity analysis was performed at the LIB point similarly to what was developed for the SNB. Another contribution of this work is a smoothing formulation for complementary limits that was applied to the problem of limited reactive power injection of generating units. The proposed formulation transforms, at least numerically, the LIB in a SNB, which may be detected through methods already established in literature.