Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Co-orientador: Antonio Marcos Cossi / Co-orientador: Javier Contreras Sanz / Banca: Ruben Agusto Romero Lazaro / Banca: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Benemar Alencar de Souza / Banca: Geraldo Roberto Martins da Costa / Resumo: O problema do planejamento de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em determinar as condições topológicas, estruturais e físicas necessárias para que o sistema seja capaz de operar, nos cenários de demanda atual e futuros, segundo os critérios técnicos exigidos pelas agências reguladoras. Visando atender tais condições de operação, algumas ações podem ser realizadas no sistema as quais dividem-se em ações de médio e longo prazo. As ações de médio prazo são aquelas realizadas sem que haja a expansão do sistema, e neste trabalho são consideradas como tais: a alocação de banco de capacitores, reguladores de tensão e recondutoramento de linhas. Por outro lado, as ações de longo prazo possuem custos mais elevados, pois visam à expansão do sistema considerando os futuros cenários de operação. Neste trabalho, além das tradicionais ações adotadas para a expansão do sistema de distribuição, considera-se também a alocação de geração distribuída a fim de avaliar os seus impactos sobre a expansão do sistema. Os modelos matemáticos propostos para os problemas de planejamento de médio e longo prazo são multiobjetivo e resolvidos através das metaheurísticas algoritmo genético multiobjetivo e busca tabu multiobjetivo, respectivamente. No modelo de médio prazo, os objetivos tratados são a regulação de tensão e os custos de investimento e operação. São utilizadas técnicas de redução do espaço de busca baseadas em lógica fuzzy, para melhorar o desempenho do algoritmo genético proposto. Para o modelo de longo prazo, os objetivos são os custos de investimento e operação considerando as opções de compra de energia (gerador distribuído e subestações) e a confiabilidade da rede planejada, através dos custos de energia não suprida. No modelo de longo prazo considera-se a existência de vários estágios dentro do horizonte de planejamento, ... / Abstract: The electric power distribution systems planning problem consists of determining the topological, structural and physical conditions necessary for the system to be able to operate, in the current and future scenarios of demand, according to the technical criteria required by regulatory agencies. Aiming to meet these operating conditions, some actions can be performed on the system, they can be divided into short and long term actions. Short-term actions are the ones performed without the system expansion. In this work the following actions are is treated as such short-term actions: the capacitor banks and voltage regulators allocation and the change of cables in the system. On the other hand, the long-term actions have higher investment costs, because they aim to expand the system, considering the future operation scenarios. In this work, in addition to the traditional actions taken to expand the distribution system, we also consider the allocation of distributed generation, in order to assess its impacts on system expansion. The mathematical models proposed for short and long term planning problem are multiobjective and solved by the metaheuristics multiobjective genetic algorithm and multiobjective tabu search, respectively. In the short-term model the goals addressed are: voltage regulation and the investment and operation cost. Techniques for search space reducing based on fuzzy logic are used to improve the performance of the proposed genetic algorithm. In the long-term model the goals are: the investment and operation costs, entertaining the options of power purchase (distributed generator and substations) and the reliability of the planned network, through the costs of energy not supplied. In the long-term model, we take into account the existence of various stages within the planning horizon, making the model multi-stage, which is solved by utilizing the dynamic planning model. The integration ... / Doutor

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Ruben Augusto Romero Lazaro / Banca: Antônio César Baleeiro Alves / Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de programação cônica de segunda ordem inteira mista para resolver o problema de reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica radiais. A intenção desta pesquisa é propor uma nova metodologia que seja eficiente para resolver o problema de reconfiguração de sistema de distribuição que geralmente é modelado por um problema de programação não linear inteiro misto. Foi provado que o ponto de operação em regime permanente de sistemas de distribuição radial pode ser modelado matematicamente como um problema de programação cônica de segunda ordem. Este modelo matemático foi estendido para resolver o problema de reconfiguração de sistema de distribuição. O uso de um modelo de programação cônica de segunda ordem inteira mista garante a convergência para a solução ótima usando as ferramentas de otimização clássica existentes. Os sistemas testes de 33, 70, 136 e 417 nós são utilizados para evidenciar a precisão do modelo matemático proposto, como também a eficiência destas técnicas de soluções para o problema de reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica radiais / Abstract: This paper presents the development of a model of mixed integer second-order cone programming to solve the problem of reconfiguration systems power distribution radial. The intent of this research is to propose a new methodology that is efficient to solve the reconfiguration problem of distribution system which is usually modeled as a problem of mixed integer nonlinear programming. It was proven that the operating point in steady radial distribution systems can be modeled mathematically as a problem of second-order cone programming. This mathematical model has been extended to solve the problem of reconfiguration of distribution system. The use of a model mixed integer second-order cone programming ensures convergence to the optimal solution using the existing classical optimization tools. Systems tests 33, 70, 86, 136 and 417 nodes are used to assess the accuracy of the mathematical model, but also the efficiency of these technical solutions to the problem of reconfiguration of distribution systems of electric power radial / Mestre

Orientador: José Roberto Sanches Mantovani / Co-orientador: Antonio Marcos Cossi / Banca: Ruben Augusto Romero Lazaro / Banca: Fábio Bertequini Leão / Banca: Neida Maria Patias Volpi / Banca: João Bosco Augusto London Júnior / Resumo: Neste trabalho o problema de Planejamento de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (PSDEE) de Média Tensão é formulado em três modelos de programação não linear inteiro misto (PNLIM). O primeiro modelo realiza o planejamento estático de curto prazo que consiste em definir quais linhas serão instaladas e/ou recondutoradas e quais subestações serão construídas e/ou repotencializadas permitindo reconfigurar a rede já existente. Nesse contexto, o modelo matemático é mono-objetivo e minimiza custos de instalações de novos equipamentos e custos com operação do sistema sujeitos a um conjunto de restrições físicas, operacionais e econômicas. O segundo modelo é multiestágios e realiza o planejamento dinâmico de longo prazo considerando as mesmas ações de planejamento do modelo estático, mas define quando essas ações serão executadas. O terceiro modelo é multiobjetivo, além de realizar o planejamento dinâmico de longo prazo em diferentes estágios considerando custos de investimentos e operação inclui custos de confiabilidade da rede expressos em termos da energia não suprida. Para solução destes modelos são propostos diferentes versões do algoritmo de busca dispersa (BD), sendo duas mono-objetivo adaptadas para a solução dos modelos estáticos de curto prazo e dinâmico de longo prazo e a terceira multiobjetivo. A BD é uma técnica de busca evolucionária com estrutura flexível que permite o desenvolvimento de diversas implementações, com diferentes graus de complexidade. Como contribuição são detalhadas todas as etapas fundamentais do algoritmo na aplicação dos três modelos do problema de PSDEE utilizando o algoritmo de codificação sequencial aditiva e uma heurística para a seleção eficiente de condutores. O método é calibrado usando um sistema teste da literatura de 54 barras através de diversas simulações. A BD mostra-se competitiva ... / Abstract: In this work the problem of Planning Electric Power Distribution Systems (PEPDS) of Medium Voltage is formulated in three mixed integer nonlinear programming (MINLP) models. The first model performs the static short-term planning that is to determine which lines will be installed and/or reconductive and substations which will be built and/or allowing repotentiated reconfigure the existing network. In this context, the mathematical model is mono objective and minimizes installation costs of new equipment and operating costs of the system subject to a set of physical, operational and economic constraints. The second model is multistage and performs dynamic long-term planning based on the same actions in planning the static model, but it defines when these actions are performed. The third model is multi objective, and it perform the dynamic long-term planning at different stages of considering investments and operating costs that it includes costs of network reliability expressed in terms of unserved energy. This way to solve these models are proposed different versions of Scatter Search (SS) algorithm, two adapters for the solution of static models of short term and long term dynamic multi objective mono, and third goal. The BD is an evolutionary search technique with a flexible structure which allows the development of diverse implementations of changeable degrees of complexity. As detailed contribution are all key steps of the algorithm in the application of the three models of the problem PEPDS using the additive sequential encoding algorithm and a heuristic for efficient selection of drivers. The method is calibrated using a testing systems of 54 buses through various simulations literature system. SS is exposed presenting optimal competitive good quality solution for mono objective to multi objective models and model. It is capable of finding a set of efficient solutions with commitment ... / Doutor

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Antonio Padilha Feltrin / Banca: Walmir de Freitas Filho / Resumo: O problema da alocação ótima das chaves de interconexões nos sistemas de distribuição de média tensão é um problema do planejamento da operação dos sistemas de energia elétrica, de natureza combinatória e sujeito a restrições técnicas e operacionais que derivam em modelos complexos, não-lineares, não determinísticos e, em muitos casos, não analíticos e difíceis de representar matematicamente. Portanto, a melhor opção para obter soluções de boa qualidade em tempo razoável são as técnicas heurísticas modernas. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na formulação de modelos matemáticos convexos e resolvida utilizando o algoritmo de busca inteligente GRASP, para gerar soluções de boa qualidade ao problema da alocação ótima das chaves de interconexões. As chaves alocadas pela metodologia fornecem um esquema de restauração eficiente que, em caso de uma falta permanente, possa isolar a zona afetada pela falta e restaurar o serviço elétrico da maior quantidade possível de usuários. Por outro lado, as chaves instaladas pela metodologia proposta, também são aproveitadas para otimizar o ponto de operação em estado estacionário do sistema e os índices de confiabilidade experimentados pelos usuários, ou seja, reduzir as perdas de potência ativa e melhorar probabilísticamente os índices de continuidade da duração e da frequência das interrupções (SAIDI e SAIFI) quando o sistema opera em condições normais. Para demonstrar a eficácia e flexibilidade do algoritmo proposto dois sistemas testes, de 43 e 136 nós, serão utilizados para resolver diferentes instâncias do problema da alocação / Abstract: The optimal switch allocation problem in electrical distribution systems is a combinatorial optimization problem, subject to a set of technical and operational constraints that produces complex, nonlinear, nondeterministic and, in many cases, non-analytical and difficult to represent optimization models. Therefore, the best approach to provide high quality solutions, in reasonable time, is the use of modern heuristics algorithms. This work presents an optimization methodology based on the formulation of convex mathematical models and solved by using a simplified GRASP algorithm, in order to provide high quality solutions to the switch allocation problem. The allocated switches establish an efficient restoration scheme that, in case of a permanent fault, isolates the faulty zone and restores the electrical service of as many users as possible. On the other hand, the switches allocated by the proposed methodology, are also used to optimize the steady-state operating point of the system and the reliability indices experienced by the users, i.e., the active power losses are reduced and the reliability indices, SAIDI and SAIFI, are improved when the system is operating flawlessly. In order to show the efficiency and flexibility of the proposed switch allocation methodology, two test systems have been proposed and different allocation instances have been solved / Mestre

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Ruben Augusto Romero Lazaro / Banca: José Roberto Sanches Mantovani / Banca: Antonio César Baleeiro Alves / Banca: Geraldo Roberto Martins da Costa / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvida uma estratégia de resolução de problemas de otimização em sistemas de distribuição de energia elétrica que são modelados como problemas de programação não linear inteira mista (PNLIM), através da teoria de programação cônica de segunda ordem (PCSO) com variáveis inteiras e contínuas (PCSOIM). Apesar dos modelos de PNLIM e de PCSOIM, não serem problemas de otimização equivalentes, foi provado que é possível garantir, mediante algumas condições, que a solução encontrada pelo modelo de PCSOIM é a solução ótima para o problema de PNLIM. A estratégia traçada nesta tese permite a substituição de alguns problemas de PNLIM, com região de busca não convexa, de difícil resolução, de grande porte, e sem garantia de ótimo global; por problemas de PCSOIM que possuem formulação convexa, com solução ótima garantida pelo solver comercial robusto. Os modelos foram implementados em linguagem AMPL e foram utilizados os solvers CPLEX e KNITRO para a resolução. A metodologia proposta foi avaliada para os seguintes problemas de otimização em sistemas de distribuição de energia elétrica: reconfiguração de sistemas de distribuição, análise de sistemas de distribuição com geração distribuída, operação ótima e alocação ótima de banco de capacitores e reguladores de tensão e operação ótima de dispositivos de armazenamento de energia em sistemas com fontes renováveis. Os sistemas testados foram os de 3, 11, 33, 42, 70, 136, 202 e de 400 nós / Abstract: In this work it is presented a strategy for solving optimization problems in power distribution systems that are modeled as mixed integer nonlinear programming (MINLP) problems, through the theory of second-order cone programming (SOCP) with integer and continuous variables (MISOCP). Despite MINLP models and MISOCP optimization problems are not equivalent, it was proven that it is possible to guarantee, through some conditions, that the solution found by the MISOCP model is the optimal solution to the MINLP problem. The strategy outlined in this thesis, allows the replacement of some MINLP problems, with a non- convex region of search, difficult to solve, large, and with no guarantee of global optimal convergence, by MISOCP problems that have convex formulation, for which optimal solution convergence can be ensured by robust commercial solvers. The models were implemented in AMPL language and solved by CPLEX and KNITRO. The proposed methodology was evaluated for the following distribution problems: reconfiguration of distribution systems, analysis of distribution systems with distributed generation, optimal operation and optimal allocation of capacitor banks and voltage regulators and optimal operation of energy storage devices in networks with renewable energy sources. The 3, 11, 33, 42, 70, 136, 202 and 400 bus systems were tested / Doutor

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: Marcos Julio Rider Flores / Banca: João Bosco Augusto London Junior / Resumo: O problema da reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em determinar a topologia radial, que pode ser obtida por meio da abertura ou fechamento de chaves de seccionamento (normalmente fechadas) e de ligação (normalmente abertas), de forma que um objetivo seja atingido, geralmente a minimização das perdas, balanceamento das cargas, melhoria dos níveis de tensão ou isolamento de faltas. Além disto, a topologia ótima deve cum- prir com restrições operacionais, como o limite de tensão nas barras e os limites de correntes nos circuitos. O modelo deste problema é de programação não linear inteira mista, não convexo e de difícil solução através de técnicas clássicas de otimização, além disto, este problema apre- senta o fenômeno da explosão combinatória. Neste trabalho são apresentadas metodologias, baseadas na meta-heurística de busca em vizinhança variável, para resolver o problema da re- configuração de sistemas de distribuição de energia elétrica considerando vários níveis de de- manda e topologia fixa da rede, que visa encontrar uma única topologia ótima para operar nos vários níveis de demanda de um período. O objetivo considerado é a minimização do custo das perdas de energia. Foram desenvolvidas quatro formas do algoritmo de busca em vizinhança variável: Basic Variable Neighborhood Search (BVNS), Variable Neighborhood Descent (VND), Reduced Variable Neighborhood Search (RVNS) e General Variable Neighborhood Search (GVNS). Todos os programas foram escritos em linguagem FORTRAN. Os algoritmos propostos foram testados com os sistemas de 33, 84, 136, 415 e 10477 barras. Os resultados foram comparados com os existentes na literatura especializada e os obtidos pela resolução de um modelo de otimização, escrito em linguagem AMPL e resolvido com o solver comercial CPLEX / Abstract: The distribution network reconfiguration problem consists in determining the radial to- pology, that can be obtained by opening and closing sectionalizing switches (normally closed switches) and tie switches (normally open switches), so that an objective is achieved, commonly loss minimization, load balancing, voltage levels improvement or fault isolation. Furthermore, the optimal topology must satisfy operational constraints, such as voltage levels on nodes and current magnitude on circuits. The model for this problem is a mixed-integer nonlinear pro- gramming problem, non-convex and hard to solve by classical optimization techniques, besides, this problem presents the combinatorial explosion phenomenon. This work presents methodol- ogies, based on the variable neighborhood search metaheuristic, to solve the distribution net- work reconfiguration problem with variable demand and fixed topology, which aims in finding only one optimal topology to operate on the various load levels during a period. The considered objective is the reduction of the cost of energy losses. Four variable neighborhood search algo- rithms were developed: Basic Variable Neighborhood Search (BVNS), Variable Neighborhood Descent (VND), Reduced Variable Neighborhood Search (RVNS) and General Variable Neigh- borhood Search (GVNS). All programs were implemented in FORTRAN. The proposed algo- rithms were tested with the 33, 84, 136, 415 and 10477-node systems. The results were com- pared with the best-known solutions presented in specialized literature and the solutions ob- tained from an optimization model, written in AMPL and solved with commercial solver CPLEX / Mestre

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: Sérgio Azevedo de Oliveira / Banca: Carlos Roberto Mendonça da Rocha / Resumo: O aumento consistente e constante do consumo de energia elétrica, o crescimento irregular e desordenado de edificações residenciais, comerciais e industriais, dentro e fora dos centros urbanos, as irregularidades nas características do fator de potência das cargas instaladas, podem colocar em xeque o bom desempenho dos sistemas elétricos de distribuição sendo necessário e urgente, a aplicação de ferramentas computacionais eficientes que atuem na otimização da operação. A investigação, análise e projeto destes sistemas são o foco da automação da distribuição, que visa redução das perdas técnicas que pode ser feita através da reconfiguração e alocação de bancos de capacitores que contribuirão para o melhoramento nos perfis de tensão e a minimização de perda de potência ativa nas linhas. Este trabalho visa propor a melhoria no desempenho econômico da operação de sistemas de distribuição através da minimização de determinados custos da operação, propondo investimentos que garantam lucros em seu retorno, através da solução simultânea dos problemas de reconfiguração de sistemas de distribuição radiais para alguns tipos de carregamento e do problema da alocação dos bancos de capacitores que será feita através de urna metaheurística especializada para avaliar a qualidade de cada proposta de solução fornecida pela meta-heurística sendo implementado um módulo de fluxo de carga em sistemas de distribuição radial com uso de um algoritmo de varredura / Abstract: The consistent and steady increase in electricity consumption, the irregular and uncontrol­ led growth of residential, commercial and industrial buildings, inside and outside urban centers, the irregularities in the characteristics of the power factor of the loads installed, can risk the good performance electrical distribution systems is necessary and urgent, the application of eflicient computational tools that work on optimizing the operation. The research, analysis and design of these systems is the focus of distribution automa­ tion, which aims to reduce technical losses can be clone by reconfiguring and allocation of capacitors which contribute to the improvement in the voltage profile and minimizing loss active power lines. This work aims to propose improvements in the economic perfor­ mance of the distribution system operation by minimizing certain costs of the operation, proposing investments to ensure profits on their return, by the simultaneous solution of the reconfiguration of radial distribution systems problems for some types of loading and allocation problem of capacitor banks to be made by a specialized metaheurist to assess the quality of each proposed solution provided by metarheuristics are implemented a load module radial flow distribution system using an algorithm scan / Mestre

There is ongoing controversy about the possibility of adverse biological effects from environmental exposures to electric and magnetic fields. These fields are produced by all electrical equipment and appliances including electrical transmission lines. The objective of this environmental science study was to investigate the possible effects of a high voltage transmission line on domestic sheep (Ovis aries L,), a species that can often be found near such lines. The study was primarily designed to determine whether a specific effect of electric and magnetic fields found in laboratory animals also occurs in livestock under natural environmental conditions. The effect is the ability of fields, at levels found in the environment, to significantly depress the normally high nocturnal concentrations of the pineal hormone melatonin. Melatonin mediates the reproductive response to changes in photoperiod in seasonal breeders such as sheep. Factors which modify the production of nocturnal melatonin in sheep can have important effects on the timing of seasonal reproduction including the onset of puberty in this species. Ten female Suffolk lambs were penned for 10 months directly beneath a 500-kV transmission line near Estacada, Oregon. Ten other lambs of the same type were penned in a control area away from the transmission line where electric and magnetic fields were at ambient levels. Serum melatonin was analyzed by radioimmunoassay (RIA) from 6618 blood samples collected at 0.5 to 3-hour intervals over eight 48-hour periods. Serum progesterone was analyzed by RIA from blood samples collected twice weekly beginning when the lambs were 23 weeks old. This hormone was used to measure the onset of puberty. Serum cortisol was also assayed by RIA from the blood samples collected during the 48-hour samples. This was done to assess whether exposure to the transmission line produced stress in the growing lambs. Other supplemental biological data collected included body weight gain, wool growth, and behavior. An extensive study was conducted by engineers from the Bonneville Power Administration (BPA) to measure electric and magnetic fields and noise to which the lambs were exposed. This was accomplished by installing permanent monitors near both the control and line pens. Results showed that lambs in both the control and line groups had the typical pattern of melatonin secretion consisting of low daytime and high nighttime serum concentrations. There were no statistically significant differences between groups in melatonin levels, or in the phase or duration of the nighttime melatonin elevation. Age at puberty and number of reproductive cycles also did not differ between groups. Serum cortisol showed a circadian rhythm with highest concentrations during the day. Cortisol concentrations also seemed to reflect effects of known stressors on livestock, e.g., weaning, introduction to new housing, and vehicle transport. There were, however, no differences in cortisol concentrations between groups. Statistical analyses on other biological parameters revealed no differences between groups for body weight gain, wool growth, or behavior. The electrical monitoring program verified that the line group lambs were exposed to electric and magnetic fields at levels typical of those found beneath commercial 500-kV transmission lines. In summary, the large effect of electric and magnetic fields on melatonin concentrations reported in laboratory animals was not observed in this study of sheep.

Installation and utilization of residential distribution transformers has not changed substantially over a long period of time. Utilities typically size their transformers based on a formula that takes into account broadly what types and how many dwellings will be connected. Most new residential dwellings feature 200 Amp service per household with an anticipated energy demand of under 20,000 kWh per year. Average electrical energy consumption varies from state to state but averages to 11,280 kWh per year. Energy demand is expected to fall into a typical residential load curve that shows increased demand early in the morning, then decreasing during the day and another peak early to late evening. Distribution transformers are sized at the limit of the combined evening peak with the assumption that the transformer has enough thermal mass to absorb short overloads that may occur when concurrent loading situations among multiple dwellings arise. The assumption that concurrent loading is of short duration and the transformer can cool off during the night time has been validated over the years and has become standard practice. This has worked well when dwelling loads follow an averaging scheme and low level of coincidence. With the arrival of electric vehicles (EV's) this assumption has to be reevaluated. The acquisition of an electric vehicle in a household can drive up energy demand by over 4000 kWh per year. Potentially problematic is the increased capacity of battery packs and the resulting proliferation of Level 2 chargers. The additional load of a single Level 2 charger concurring with the combined evening peak load will push even conservatively sized distribution transformers over their nameplate rating for a substantial amount of time. Additionally, unlike common household appliances of similar power requirements such as ovens or water heaters, a Level 2 battery charger will run at peak power consumption for several hours, and the current drawn by the EVs has very high levels of harmonic distortion. The excessive loading and harmonic profile can potentially result in damaging heat build-up resulting in asset degradation. In this thesis I present a device and method that monitors pole mounted distribution transformers for overheating, collect and wirelessly upload data and initiate commands to chargers to change output levels from Level 2 to Level 1 or shut down EV charging altogether until the transformer returns into safe operational range.

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