With distributed generation being introduced in the meshed distribution networks under increased loading conditions, maintaining the system voltage stability will become one of the major concerns. The conventional approach of repetitive power flow solutions fails to obtain the critical loading point as Jacobian becomes singular before maximum loading point. Continuation power flow methods, based on the predictor-corrector scheme, overcome this difficulty with the use of parameterization techniques. Continuation power flow tools, already developed for transmission systems, need to be extended to handle three phase unbalanced distribution systems. This research work contributes towards development of a robust and efficient three phase unbalanced continuation power flow tool for voltage stability assessment of shipboard power systems and terrestrial distribution systems. The developed continuation power flow method is based on adaptive step length control and pseudo arc length/local parameterization technique, which have been tested on several I test systems and a shipboard power system.

This thesis investigates an important power system phenomenon, voltage stability, by using continuation power flow method. Voltage collapse scenario is presented which can be a serious result of voltage instability and the parameters that affect voltage collapse are discussed. In analyzing power system voltage stability, continuation power flow method is utilized which consists of successive load flows. This method is applied to a sample test system and Turkish Power System and load-voltage curves for several buses are obtained.

Orientador: Dilson Amancio Alves / Banca: Sergio Azevedo de Oliveira / Banca: Francisco Carlos Vieira Malange / Banca: Luiz Carlos Pereira da Silva / Banca: Madson Cortes de Almeida / Resumo: Este trabalho analisa a utilização de técnicas de parametrização global para o fluxo de carga continuado. Essas técnicas são consideradas inadequadas para a obtenção da margem de carregamento de sistemas com problemas de estabilidade de tensão com características fortemente locais. Isto se deve ao fato de que no ponto de máximo carregamento a singularidade da matriz Jacobiana do método de parametrização global coincide com a da matriz Jacobiana do fluxo de carga. Nesses casos, a parametrização local é considerada como a única forma de se eliminar a singularidade. Entretanto, este trabalho mostra que a singularidade também pode ser eficientemente eliminada não só para estes sistemas, mas para qualquer outro, através de uma nova técnica de parametrização (global). A técnica utiliza a equação de uma reta que passa por um ponto no plano determinado pelas variáveis fator de carregamento e a somatória das magnitudes, ou dos ângulos, das tensões nodais de todas as barras do sistema, que são as variáveis comumente usadas pelas técnicas de parametrização global. Os resultados obtidos para diversos sistemas confirmam o aumento da eficiência dos métodos propostos e mostram sua viabilidade para aplicações no planejamento da operação nos atuais sistemas de gerenciamento de energia / Abstract: This work presents an analysis of the use of global parameterization techniques to the continuation power flow. Those techniques are considered inadequate for computation of the loading margin of power systems characterized by strong local static voltage stability. In such systems, at maximum loading point, the singularity of the Jacobian matrices of global parameterization techniques coincide with the one of the power flow Jacobian matrix. In those cases, the local parameterization is considered as the only way to overcome the singularity. However, this paper shows that this kind of singularity can be efficiently eliminated not only for these systems, but also for all others, by a new parameterization technique (global). This technique uses the addition of a line equation, which passes through a point in the plane determined by the sum of all the bus voltage magnitudes, or angles, and loading factor variables, that are variables commonly used by global parameterization techniques. The obtained results for several systems confirm the efficiency increased of the proposed methods and show its viability for applications in the operating planning in a modern energy management system / Doutor

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.

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.

In the context of static Voltage Stability Assessment (VSA), as the power system load grows, bus voltages tend to drop. This reduction may lead to generator or load disconnections caused by undervoltage protection schemes. These events comprise sudden parametric variations that affect the equilibrium diagram and the Voltage Stability Margin (VSM) of power systems. Practical examples of such sudden load changes are caused by the mandatory disconnection of Distributed Generation (DG) units and Undervoltage Load Shedding (ULS). There are no thorough studies in the literature concerning these load parametric variations and the discontinuities that they cause in power system equilibria. This dissertation describes a predictor/corrector scheme specifically designed to handle these discontinuities, so it is possible to evaluate their effect on the VSM of power systems. This method successively calculates the load discontinuities that exist in the equilibrium locus of the system under analysis. It results in the sequence of sudden load variations that happens and their overall impact on the system. When applied to quantify the effect of DG mandatory disconnections and ULS, the proposed predictor/corrector scheme yielded better results than the traditional Continuation Power Flow (CPFLOW), which experienced convergence problems caused by the discontinuities under analysis. However, due to its design, the applicability of the proposed method should be restricted to power systems that go through several successive sudden load changes. In this sense, it should not be regarded as a replacement for the CPFLOW, but rather as a technique that could award this traditional VSA tool with new features to enhance its performance. / No contexto de análise estática de estabilidade de tensão, conforme a carga de um sistema de potência cresce, as tensões nas suas barras tendem a cair. Essa redução pode causar a desconexão de geradores e cargas devido a atuação de proteções de subtensão. Esses eventos representam variações abruptas de demanda que alteram o diagrama de equilíbrio de um sistema e sua Margem de Estabilidade de Tensão (MET). Exemplos práticos dessas variações são causados pelo desligamento mandatório de unidades de Geração Distribuída (GD) e pelo Corte de Carga por Subtensão (CCS). Não há estudos detalhados na literatura que trabalham especificamente com essas variações nos parâmetros da carga, nem com as descontinuidades que elas causam no diagrama de equilíbrio de sistemas de potência. Essa dissertação descreve um procedimento especificamente projetado para lidar com essas descontinuidades, de modo que seja possível avaliar seu efeito na MET de sistemas elétricos. Esse método calcula sucessivamente as descontinuidades de carga que existem no diagrama de equilíbrio do sistema em análise. Ele resulta na sequência de variações súbitas de carga que ocorre e no seu impacto no sistema. Quando o método foi aplicado para quantificar o efeito do desligamento mandatório de GD e do CCS, ele apresentou resultados melhores do que o tradicional Fluxo de Carga Continuado (CPFLOW), o qual sofreu problemas de convergência causados pelas descontinuidades em questão. Entretanto, devido ao seu projeto, o método proposto só deve ser utilizado para sistemas de potência que estão sujeitos a várias sucessivas variações abruptas de carga. Por essa razão, esse método não pode ser considerado um substituto do CPFLOW, mas sim como uma técnica capaz de agregar novas funcionalidades a essa ferramenta tradicional, amentando assim seu horizonte de aplicações.

In the context of static Voltage Stability Assessment (VSA), as the power system load grows, bus voltages tend to drop. This reduction may lead to generator or load disconnections caused by undervoltage protection schemes. These events comprise sudden parametric variations that affect the equilibrium diagram and the Voltage Stability Margin (VSM) of power systems. Practical examples of such sudden load changes are caused by the mandatory disconnection of Distributed Generation (DG) units and Undervoltage Load Shedding (ULS). There are no thorough studies in the literature concerning these load parametric variations and the discontinuities that they cause in power system equilibria. This dissertation describes a predictor/corrector scheme specifically designed to handle these discontinuities, so it is possible to evaluate their effect on the VSM of power systems. This method successively calculates the load discontinuities that exist in the equilibrium locus of the system under analysis. It results in the sequence of sudden load variations that happens and their overall impact on the system. When applied to quantify the effect of DG mandatory disconnections and ULS, the proposed predictor/corrector scheme yielded better results than the traditional Continuation Power Flow (CPFLOW), which experienced convergence problems caused by the discontinuities under analysis. However, due to its design, the applicability of the proposed method should be restricted to power systems that go through several successive sudden load changes. In this sense, it should not be regarded as a replacement for the CPFLOW, but rather as a technique that could award this traditional VSA tool with new features to enhance its performance. / No contexto de análise estática de estabilidade de tensão, conforme a carga de um sistema de potência cresce, as tensões nas suas barras tendem a cair. Essa redução pode causar a desconexão de geradores e cargas devido a atuação de proteções de subtensão. Esses eventos representam variações abruptas de demanda que alteram o diagrama de equilíbrio de um sistema e sua Margem de Estabilidade de Tensão (MET). Exemplos práticos dessas variações são causados pelo desligamento mandatório de unidades de Geração Distribuída (GD) e pelo Corte de Carga por Subtensão (CCS). Não há estudos detalhados na literatura que trabalham especificamente com essas variações nos parâmetros da carga, nem com as descontinuidades que elas causam no diagrama de equilíbrio de sistemas de potência. Essa dissertação descreve um procedimento especificamente projetado para lidar com essas descontinuidades, de modo que seja possível avaliar seu efeito na MET de sistemas elétricos. Esse método calcula sucessivamente as descontinuidades de carga que existem no diagrama de equilíbrio do sistema em análise. Ele resulta na sequência de variações súbitas de carga que ocorre e no seu impacto no sistema. Quando o método foi aplicado para quantificar o efeito do desligamento mandatório de GD e do CCS, ele apresentou resultados melhores do que o tradicional Fluxo de Carga Continuado (CPFLOW), o qual sofreu problemas de convergência causados pelas descontinuidades em questão. Entretanto, devido ao seu projeto, o método proposto só deve ser utilizado para sistemas de potência que estão sujeitos a várias sucessivas variações abruptas de carga. Por essa razão, esse método não pode ser considerado um substituto do CPFLOW, mas sim como uma técnica capaz de agregar novas funcionalidades a essa ferramenta tradicional, amentando assim seu horizonte de aplicações.

A power system with multiple interconnected areas needs to be operated coordinately for the purposes of the system reliability and economic operation, although each area has its own ISO under the market environment. In consolidation of different areas under a common grid coordinator, analysis of a power system becomes more computationally demanding. Furthermore, the analysis becomes more challenging because each area cannot obtain the network operating or economic data of other areas. This dissertation investigates decomposition algorithms for multi-area power system transfer capability analysis and economic dispatch analysis. All of the proposed algorithms assume that areas do not share their network operating and economic information among themselves, while they are willing to cooperate via a central coordinator for system wide analyses. The first proposed algorithm is based on power transfer distribution factors (PTDFs). A quadratic approximation, developed for the nonlinear PTDFs, is used to update tie-line power flows calculated by Repeated Power Flow (RPF). These tie-line power flows are then treated as injections in the TTC calculation of each area, as the central entity coordinates these results to determine the final system-wide TTC value. The second proposed algorithm is based on REI-type network equivalents. It uses the Continuation Power Flow (CPF) as the computational tool and, thus, the problem of voltage stability is considered in TTC studies. Each area uses REI equivalents of external areas to compute its TTC via the CPF. The choice and updating procedure for the continuation parameter employed by the CPF is implemented in a distributed but coordinated manner. The third proposed algorithm is based on inexact penalty functions. The traditional OPF is treated as the optimization problems with global variables. Quadratic penalty functions are used to relax the compatible constraints between the global variables and the local variables. The solution is proposed to be implemented by using a two-level computational architecture. All of the proposed algorithms are verified by numerical comparisons between the integrated and proposed decomposition algorithms. The proposed algorithms lead to potential gains in the computational efficiency with limited data exchanges among areas.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-06-03Bitstream added on 2014-06-13T19:25:56Z : No. of bitstreams: 1 boninineto_a_dr_ilha.pdf: 824701 bytes, checksum: 6658988060f97f3bc85ad52076cad0b2 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Este trabalho analisa a utilização de técnicas de parametrização global para o fluxo de carga continuado. Essas técnicas são consideradas inadequadas para a obtenção da margem de carregamento de sistemas com problemas de estabilidade de tensão com características fortemente locais. Isto se deve ao fato de que no ponto de máximo carregamento a singularidade da matriz Jacobiana do método de parametrização global coincide com a da matriz Jacobiana do fluxo de carga. Nesses casos, a parametrização local é considerada como a única forma de se eliminar a singularidade. Entretanto, este trabalho mostra que a singularidade também pode ser eficientemente eliminada não só para estes sistemas, mas para qualquer outro, através de uma nova técnica de parametrização (global). A técnica utiliza a equação de uma reta que passa por um ponto no plano determinado pelas variáveis fator de carregamento e a somatória das magnitudes, ou dos ângulos, das tensões nodais de todas as barras do sistema, que são as variáveis comumente usadas pelas técnicas de parametrização global. Os resultados obtidos para diversos sistemas confirmam o aumento da eficiência dos métodos propostos e mostram sua viabilidade para aplicações no planejamento da operação nos atuais sistemas de gerenciamento de energia / This work presents an analysis of the use of global parameterization techniques to the continuation power flow. Those techniques are considered inadequate for computation of the loading margin of power systems characterized by strong local static voltage stability. In such systems, at maximum loading point, the singularity of the Jacobian matrices of global parameterization techniques coincide with the one of the power flow Jacobian matrix. In those cases, the local parameterization is considered as the only way to overcome the singularity. However, this paper shows that this kind of singularity can be efficiently eliminated not only for these systems, but also for all others, by a new parameterization technique (global). This technique uses the addition of a line equation, which passes through a point in the plane determined by the sum of all the bus voltage magnitudes, or angles, and loading factor variables, that are variables commonly used by global parameterization techniques. The obtained results for several systems confirm the efficiency increased of the proposed methods and show its viability for applications in the operating planning in a modern energy management system

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-06-29T11:44:44Z No. of bitstreams: 1 thiagosenradossantos.pdf: 1984679 bytes, checksum: 2ff29c748a0b456a4fc8b5df3e4ed994 (MD5) / Approved for entry into archive by Diamantino Mayra (mayra.diamantino@ufjf.edu.br) on 2016-07-05T14:38:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thiagosenradossantos.pdf: 1984679 bytes, checksum: 2ff29c748a0b456a4fc8b5df3e4ed994 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-05T14:38:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thiagosenradossantos.pdf: 1984679 bytes, checksum: 2ff29c748a0b456a4fc8b5df3e4ed994 (MD5) Previous issue date: 2012-08-27 / Este trabalho propõe o desenvolvimento de um fluxo de potência continuado para análise de sistemas desequilibrados, denominado Fluxo de Potência Continuado a Quatro Condutores (FPCQ). A ferramenta proposta possibilita a representação explícita de cabos neutros e aterramentos, a representação de desequilíbrios tanto em cargas como em outros componentes das redes, de tal forma que a operação desbalanceada pode ser simulada. A metodologia proposta é aplicada em sistemas elétricos de distribuição e análises são realizadas. A metodologia proposta utiliza como base a estrutura do Método de Injeção de Correntes a Quatro Condutores, aproveitando algumas de suas características. Para o processo de continuação foi definida e implementada uma única etapa de execução, utilizando-se equações adicionais para considerar o incremento do carregamento ou a tensão como parâmetros de continuação. As equações de alguns equipamentos foram redefinidas a fim de ser possível a consideração do incremento do carregamento do sistema como variável. A ferramenta desenvolvida permite analisar diversas configurações de sistemas, sejam equilibrados ou desequilibrados, representação de ramais monofásicos e/ou bifásicos e diversas combinações de cargas, bem como a consideração explícita de cabos neutros e aterramentos. O FPCQ permite verificar questões de estabilidade estática de tensão em sistemas trifásicos a partir dos resultados de curvas de perfil de tensão em função carregamento e da determinação do ponto de colapso ou da margem de carregamento do sistema. Permite verificar os efeitos dos desequilíbrios dos sistemas e os impactos de sua representação detalhada nos resultados do fluxo de potência continuado. Como exemplo, a influência do aumento de carga nas tensões de neutro pode ser analisada. Os resultados obtidos pela metodologia proposta com representação trifásica e com representação apenas de sequência positiva foram comparados, com o objetivo de mostrar a importância de representar os sistemas com modelos mais precisos. Espera-se que a ferramenta desenvolvida permita realizar análises mais completas, especialmente em sistemas de distribuição, aumentando a qualidade dos resultados. / This work proposes the development of a continuation power flow technique (FPCQ) for unbalanced distribution systems. The proposed tool allows the explicit representation of the neutral cables and grounding, the representation of imbalances for both the loads and the network components in such a way that unbalanced operation can be simulated. The application of the present methodology in electrical distribution systems is carried out and analyzed. The proposed methodology is based on the structure of the Four Conductors Current Injection Method, taking advantage of some of its features. For the continuation power flow process, a single stage off implementation was defined and implemented, using additional equations to consider either the load increase or the voltage as a continuation parameter. Some equipment models were redefined to consider the load increase as a state variable. The proposed tool is able to analyze systems having single-phase, double-phase or three-phase lines, to represent the existing connections of balanced or unbalanced loads as well as its neutral and ground connections. The FPCQ allows checking static voltage stability considering the three-phase models adopted from the curves of voltages as a function of the load. The impacts of the detailed representation in the continuation power flow technique can now be analyzed. As an example, the influence of the load increase on the neutral voltages was possible to be analyzed. The results using the proposed methodology were compared to the ones obtained using the positive sequence approach in order to show the importance of representing the power systems using more accurate models. It is expected that the proposed tool will be useful one to perform simulations in distribution systems improving the quality of the results.