Master of Science / Department of Electrical Engineering / Shelli K. Starrett / Modern power systems are integrated, complex, dynamic systems. Due to the complexity, power system operation and control need to be analyzed using numerical simulation. The load model is one of the least known models among the many components in the power system operation. The two different load models are the static and dynamic models. The ZIP load model has been extensively studied. This has widely applied to composite load models that could maintain constant impedance, constant current, and/or constant power. In this work, various Neural Networks algorithms and fuzzy logic have been used to obtain these ZIP load model coefficients for determining the percentage of constant impedance, current, or power for the various load buses. The inputs are a combination of voltage, voltage change, and power change, or voltage and power, and the outputs consist of the ZIP load model coefficients for determining the type and the percentage of load at the bus. The trained model is used to predict the type and percentage of constant load at other buses using simulated transient data from the 16-generator system. A small study was also done using a dynamic induction machine model in addition to the ZIP load model. As expected, the results show that the dynamic model is more difficult to determine than the static model.

Esta dissertação apresenta um modelo aproximado de rede desenvolvido para análise de sistemas de distribuição em regime permanente. O modelo é detalhado do ponto de vista matemático e teórico considerando a representação dos elementos em derivação da rede (cargas e geradores) e dos limites operacionais empregando aproximações lineares. A modelagem linear permite determinar de forma simples os valores das tensões e correntes do sistema, podendo ser empregada em problemas de otimização relacionados ao planejamento e expansão de sistemas de distribuição. A representação da carga considera a influência da variação da tensão, fator determinante nas redes de distribuição. Também é considerada a inclusão de geração distribuída (GD) sendo implementada para diferentes modos de operação, permitindo ainda a minimização das perdas para a barra onde a GD está alocada. Para validar a abordagem proposta, os resultados do modelo apresentado foram comparados em termos de tensões, correntes e perdas com resultados obtidos com o modelo convencional de fluxo de carga, solucionado pelo algoritmo de varredura. Os testes foram realizados em dois sistemas de distribuição conhecidos, um de 70 barras e um de 135 barras. Para o sistema de 70 barras foi avaliado o uso de diferentes modos de operação da GD. Finalmente, para o sistema de 135 barras foram comparados os resultados do modelo proposto com o fluxo de carga convencional caracterizando a GD como uma barra de tensão controlada (PV) para diversos valores de injeção ativa na barra selecionada. As conclusões confirmam a validade e as vantagens que o modelo desenvolvido neste trabalho proporciona. / This work presents an approximate model developed to the analysis of electrical distribution systems at steady state. Both mathematical and theoretical details are given considering the representation of the shunt elements (loads and generators) and the operating limits of the network, using linear approximations. The linear modeling adopted resulted in a simple way to determine the values of the voltages and currents of the system; further the model can be applied to optimization problems related to optimal operation and expansion planning of distribution systems. The load representation considers the influence of voltage variations, which play an important role in the distribution networks. This work also considers the inclusion of distributed generation (DG), which is assessed under several modes of operation, including one mode which allows to minimize the losses at the node where the DG is located. To validate the proposed approach, the results for two example networks, given in terms of voltages, currents and losses, were compared with corresponding results obtained with conventional load flow model, solved by the backward-forward sweep method. The examples networks used to test and validate the model are known distribution systems, one having 70 and the other 135 nodes. Regarding the system with 70 nodes, the inclusion of DG was studied for several operational modes. Finally, the system of 135 nodes were used to compare the results of the proposed model with the results of the conventional load flow; in this case, the GD was characterized as a controlled-voltage bar (PV) for various levels of active power injection into the bar where the GD is located. The conclusions show the validity and advantages of the proposed model.

Esta dissertação apresenta um modelo aproximado de rede desenvolvido para análise de sistemas de distribuição em regime permanente. O modelo é detalhado do ponto de vista matemático e teórico considerando a representação dos elementos em derivação da rede (cargas e geradores) e dos limites operacionais empregando aproximações lineares. A modelagem linear permite determinar de forma simples os valores das tensões e correntes do sistema, podendo ser empregada em problemas de otimização relacionados ao planejamento e expansão de sistemas de distribuição. A representação da carga considera a influência da variação da tensão, fator determinante nas redes de distribuição. Também é considerada a inclusão de geração distribuída (GD) sendo implementada para diferentes modos de operação, permitindo ainda a minimização das perdas para a barra onde a GD está alocada. Para validar a abordagem proposta, os resultados do modelo apresentado foram comparados em termos de tensões, correntes e perdas com resultados obtidos com o modelo convencional de fluxo de carga, solucionado pelo algoritmo de varredura. Os testes foram realizados em dois sistemas de distribuição conhecidos, um de 70 barras e um de 135 barras. Para o sistema de 70 barras foi avaliado o uso de diferentes modos de operação da GD. Finalmente, para o sistema de 135 barras foram comparados os resultados do modelo proposto com o fluxo de carga convencional caracterizando a GD como uma barra de tensão controlada (PV) para diversos valores de injeção ativa na barra selecionada. As conclusões confirmam a validade e as vantagens que o modelo desenvolvido neste trabalho proporciona. / This work presents an approximate model developed to the analysis of electrical distribution systems at steady state. Both mathematical and theoretical details are given considering the representation of the shunt elements (loads and generators) and the operating limits of the network, using linear approximations. The linear modeling adopted resulted in a simple way to determine the values of the voltages and currents of the system; further the model can be applied to optimization problems related to optimal operation and expansion planning of distribution systems. The load representation considers the influence of voltage variations, which play an important role in the distribution networks. This work also considers the inclusion of distributed generation (DG), which is assessed under several modes of operation, including one mode which allows to minimize the losses at the node where the DG is located. To validate the proposed approach, the results for two example networks, given in terms of voltages, currents and losses, were compared with corresponding results obtained with conventional load flow model, solved by the backward-forward sweep method. The examples networks used to test and validate the model are known distribution systems, one having 70 and the other 135 nodes. Regarding the system with 70 nodes, the inclusion of DG was studied for several operational modes. Finally, the system of 135 nodes were used to compare the results of the proposed model with the results of the conventional load flow; in this case, the GD was characterized as a controlled-voltage bar (PV) for various levels of active power injection into the bar where the GD is located. The conclusions show the validity and advantages of the proposed model.

Esta dissertação apresenta um modelo aproximado de rede desenvolvido para análise de sistemas de distribuição em regime permanente. O modelo é detalhado do ponto de vista matemático e teórico considerando a representação dos elementos em derivação da rede (cargas e geradores) e dos limites operacionais empregando aproximações lineares. A modelagem linear permite determinar de forma simples os valores das tensões e correntes do sistema, podendo ser empregada em problemas de otimização relacionados ao planejamento e expansão de sistemas de distribuição. A representação da carga considera a influência da variação da tensão, fator determinante nas redes de distribuição. Também é considerada a inclusão de geração distribuída (GD) sendo implementada para diferentes modos de operação, permitindo ainda a minimização das perdas para a barra onde a GD está alocada. Para validar a abordagem proposta, os resultados do modelo apresentado foram comparados em termos de tensões, correntes e perdas com resultados obtidos com o modelo convencional de fluxo de carga, solucionado pelo algoritmo de varredura. Os testes foram realizados em dois sistemas de distribuição conhecidos, um de 70 barras e um de 135 barras. Para o sistema de 70 barras foi avaliado o uso de diferentes modos de operação da GD. Finalmente, para o sistema de 135 barras foram comparados os resultados do modelo proposto com o fluxo de carga convencional caracterizando a GD como uma barra de tensão controlada (PV) para diversos valores de injeção ativa na barra selecionada. As conclusões confirmam a validade e as vantagens que o modelo desenvolvido neste trabalho proporciona. / This work presents an approximate model developed to the analysis of electrical distribution systems at steady state. Both mathematical and theoretical details are given considering the representation of the shunt elements (loads and generators) and the operating limits of the network, using linear approximations. The linear modeling adopted resulted in a simple way to determine the values of the voltages and currents of the system; further the model can be applied to optimization problems related to optimal operation and expansion planning of distribution systems. The load representation considers the influence of voltage variations, which play an important role in the distribution networks. This work also considers the inclusion of distributed generation (DG), which is assessed under several modes of operation, including one mode which allows to minimize the losses at the node where the DG is located. To validate the proposed approach, the results for two example networks, given in terms of voltages, currents and losses, were compared with corresponding results obtained with conventional load flow model, solved by the backward-forward sweep method. The examples networks used to test and validate the model are known distribution systems, one having 70 and the other 135 nodes. Regarding the system with 70 nodes, the inclusion of DG was studied for several operational modes. Finally, the system of 135 nodes were used to compare the results of the proposed model with the results of the conventional load flow; in this case, the GD was characterized as a controlled-voltage bar (PV) for various levels of active power injection into the bar where the GD is located. The conclusions show the validity and advantages of the proposed model.

The load response to voltage and frequency changeshas a considerable impact on the behaviour of the powersystem. Thus, the selection of a load model structure andits corresponding parameters is an important task in orderto study and predict the system behaviour. Currently,the Nordic Transmission System Operators (TSO) use theZIP load model, as it provides an easy and flexible way ofrepresenting the load. The main goal of the thesis has beento test two approaches for deriving ZIP model parameters,namely the component-based and measurement-basedapproaches. The former approach uses predefined parametervalues, and information on the loads electricityconsumption, whereas the latter uses measurement dataand curve-fitting techniques. In order to evaluate themethodology, a case study has been performed, wherethe two aggregation approaches were applied on anevaluation point. It was found that the aggregation bymeans of the component-based approach may result in ZIPparameters lacking physical significance. ZIP parameterswithout physical significance pose a challenge for systemplanners, who may have difficulties in accepting thesevalues as they are less intuitive than physically significantones. Furthermore, the results of the measurement-basedapproach indicate that the ZIP model has some limitationwhen it comes to the sudden load changes that it canaccommodate. This has been the case with the measuredreactive power in the case study. Based on the resultsof applying the methodology, it can be concluded thatthe component-based and measurement-based approachesprovide useful information when understanding powersystem loads. / Lastens svar på spänning och frekvensförändringarhar en betydande inverkan på elkraftsystemet. Sålundaär valet av en lastmodell och dess parametrar viktigt föratt kunna studera och förutsäga systemets beteende. Förnärvarande använder de nordiska stamnätsägarna (TSO)ZIP lastmodellen, eftersom det ger ett enkelt och flexibeltsätt att representera lasten. Huvudsyftet med den häravhandlingen har varit att testa två metoder för att ta framZIP modellparametrar, nämligen en komponent-baseradoch en mätnings-baserade metod. Den tidigare metodenanvänder fördefinierade parametervärden, och informationom lasternas elförbrukning, medan den senare användermätdata och kurvanpassningstekniker. För att utvärderametoden har en fallstudie genomförts där de två metodernaapplicerades på en utvärderingspunkt. Det konstateradesatt den komponent-baserade metoden kan resultera i ZIPparametrar som saknar fysisk betydelse. ZIP parametrarutan fysisk betydelse utgör en utmaning för systemplanerare,som kan ha svårt att acceptera dessa värden eftersom deär mindre intuitiva än fysiskt betydande sådana. Dessutomindikeras det, att ZIP modellen har begränsningar när detgäller att representera stora steg i den uppmätta effektenssvar, då den mätnings-baserade metoden används. Dettaär fallet för den reaktiva effekten i fallstudien. Baserat påresultaten av tillämpningen av metoden, kan man dra slutsatsenatt den komponent-baserade och mätnings-baserademetoden ge användbar information när man vill förståkraftsystems laster.