Electric hot water tanks play a pivotal role as demand response assets within the UK's energy system by storing heat when energy is inexpensive and delivering domestic hot water when it is required. This role will become increasingly important if non-dispatchable renewable energy sources are to play a bigger part in the energy mix. Historically, the design standards relating to hot water tanks have focused primarily on minimising heat losses. However, in addition to preserving energy, a hot water tank should preserve the availability of heat above a useful temperature for as long as possible to avoid energy usage during peak times when it is costly or carbon intensive. To do this, thermal stratification within hot water tanks must be promoted. Unfortunately, thermal stratification leads to conditions that are conducive to bacterial growth due to the hospitable temperatures that arise during operation. For this reason, question marks have arisen over the extent to which more flexible control strategies, designed to allow for increasing penetrations of intermittent renewable energy sources, might lead to the growth of pathogenic bacteria within hot water tanks. The objective of the work discussed in this thesis was to understand the extent to which there is a conflict between thermal stratification and bacterial growth in practice, whether this conflict can be resolved and the potential implications for electric hot water tanks operating on a time of use tariff. A small field study demonstrated that there is prolific bacterial growth within conventional electric cylinders and that this can be attributed to thermal stratification with a confidence of (P<0.01). Fitting a de-stratification pump, to enhance sanitary performance, resulted in a 19% decrease in the recovery of useable hot water above 43°C. Given that the tanks tested during the field study were made of copper, the consequences of alternative material choices on thermal performance were explored. It was found that the rate of useable hot water loss, due to de-stratification associated with thermal diffusion across the thermocline, could be reduced by a factor of 2.7 by making the tank liner wall from stainless steel instead of copper. Further numerical work indicated that this improvement in stratifying performance was most significant for small tanks with high aspect ratios. In addition to de-stratification that arises due to vertical conduction, de-stratification due to inlet mixing was reduced by up to 30% by installing a spiral diffuser into the base of a test cylinder. In addition, by lowering the immersion heating element to ensure there is sufficient heat transfer to the base of the cylinder, sterilising temperatures could be attained throughout the stored volume of water in the tank during heating. This showed that the conflict between thermal and sanitary performance within electric tanks could potentially be resolved. A bespoke tank, made from stainless steel and fitted with a diffuser, was built and subjected to typical draw cycles that reflect real world operation. These tests showed that more useable hot water could be delivered in comparison to a commercial off the shelf copper tank and consequently the utilisation of the Economy 7 time of use tariff would be enhanced.

[pt] Este trabalho visa estudar a teoria das bifurcações associada a sistemas de equações diferenciais não lineares com aplicação aos estudos de estabilidade em sistemas elétricos de potência. Como aplicação desta teoria analisamos o problema de operação ótima em sistemas de potência. Novas restrições são derivadas desta teoria que, incluídas às restrições tradicionais de um fluxo de potência ótimo, garantem a estabilidade do ponto de operação obtido. / [en] This work aims at studying bufurcation theory associated to non-linear differential equations systems with application on stability of electrical power systems. As an application of this theory, the problem of optimal operation in power systems is analyzed. New restriction to optimum power flow are found and together with traditional ones, assure the stability of the operation point.

Orientador: Carlos Roberto Minussi / Banca: Anna Diva Plasencia Lotufo / Banca: Sandra Cristina Marchiori de Brito / Resumo: Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia, para detecção e classificação de faltas de curto-circuito, direcionada para os eventos de alta impedância em subestações de energia elétrica. A detecção é executada por um cálculo algébrico simples via observação da diferença absoluta entre o valor eficaz médio estimado e o valor eficaz medido a partir da oscilografia das correntes trifásicas. Caso seja detectada a anomalia de corrente, procede-se a sua classificação baseada na lógica fuzzy. Trata-se de um problema que apresenta maiores dificuldades de identificação e classificação, tendo em vista que tais perturbações são sutis, o que se diferenciam em relação aos eventos caracterizados como de baixa e ou de média impedância. Os distúrbios de alta impedância, muitas vezes, não são detectados pelo sistema proteção. Neste caso, o sistema de proteção consideraos como uma operação em regime permanente, não distinguindo entre uma falta de alta impedância e um aumento/diminuição da corrente elétrica em decorrência das variações da demanda solicitada pelos consumidores. Ressalta-se que a metodologia, aqui proposta, segue os princípios formulados na referência Decanini (2008), com as devidas adaptações ao problema associado às faltas de alta impedância. A metodologia, proposta neste trabalho, usa dados oscilográficos que são processados de modo que a detecção e classificação das faltas possam ser estimadas através de um conjunto de características extraídas dos sinais de correntes. Este conjunto de característica é classificado pela lógica nebulosa e sua saída resulta na indicação do tipo da falta. Deve-se ressaltar que este algoritmo além de ser eficiente na detecção e classificação de faltas de alta impedância, sua eficiência destacase também na localização e detecção de faltas de baixa impedância... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work presents a methodology to detect and classify short circuit faults principally for high impedance occurrences in electrical power systems. The detection is executed by a simple algebraic calculus observing the absolute difference with the efficient medium estimated value and the efficient value measured from the oscillogram of the three-phase currents. When a current anomaly is detected the classification is based on the fuzzy logic. It is a problem that presents some difficulties in identification and classification, considering that these perturbations are little which are different from the events characterized as low or medium impedance. The high impedance perturbations sometimes are not detected by the protection system. In this case, the protection system considers as one operation in steady state, and do not distinguish with a high impedance fault or an increasing/ decreasing of the electrical current due to the demand variation requested by the users. It is emphasized that the proposed methodology follows the fundamentals according the reference Decanini (2008), with the adaptations to the associated problem to the high impedance faults. The proposed methodology use oscillogram data that are processed in a way that the detection and classification of the faults are estimated by a set of characteristics from the current signals. This set is classified by logic fuzzy and the output results on the type of the fault. It is emphasized that this algorithm besides being efficient is detecting and classifying high impedance faults, is also efficient in localizing and detecting low impedance faults. The necessary data for the diagnosis of the faults were obtained by simulation of a radial feeder model with the ATP software. Results are satisfactory and show the viability of the proposed methodology that is faster for obtaining the solutions and is able to detect... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

[pt] Esta dissertação apresenta uma metodologia para a correção do perfil de tensão dos barramentos de um sistema elétrico de potência. Esta correção corresponde a um redespacho de potência reativa efetuada através de mudança das tensões-base nas barras com geração variável de potência reativa, da mudança dos tapes dos transformadores, e do chaveamento de bancos de capacitores/reatores em paralelo. O método consiste na resolução da equações nodais não lineares de fluxo de carga e das equações associadas aos limites violados. Isto é feito através do método de Newton- Raphson. O modelo linearizado, utilizado em cada iteração do método de Newton-Raphson, é reduzido à parte reativa utilizando- se a técnica de acoplamento implícito com a parte ativa (CRIC) sugerida pro J. Carpentier. Como o sistema linearizado admite infinitas soluções escolheu-se aquela que minimiza o desvio quadrático da tensão de todos os barramentos do sistema e dos tapes dos transformadores. Isto é feito através do uso da matriz inversa generalizada de Moore-Penrose. / [en] This dissertation presents a methodology for correction of the bus voltage profile of an electric power system. This correction corresponds to a redispach of reactive power which is effected by means of voltage set-point changes in buses with variable generation of reactive power, transformer tap changes and shunt capacitors/reactors swithing. The proposed method consists of solving the non-linear power flow equations as well as the equatios associated with violated limits. This is done by using the Newton- Raphson method. The linearized model used in each iteration of the Newton- Raphson method is reduced to the reactive part by means of Carpentier s Reactive Implicit Coupling (CRIC) technique. As the linearized system admits several solutions, it is chosen the one which minimizes the quadratic deviation of all bus voltages and transformer taps. This is done by means of Moore-Penrose generalized inverse matrix.

[pt] Study of the UPCF applied to long lines O avanço da eletrônica de potência e de sua aplicação em Sistemas Elétricos de Potência proporcionaram uma nova tecnologia denominada FACTS - Flexilble AC Transmission Systems . Sob o conceito FACTS, encontram-se encontram-se equipamentos para a compensação da potência reativa, regulação de tensão e controle estático e dinâmico do fluxo de potência ativa em linhas de transmissão. Os equipamentos FACTS atualmente pesquisados vêm apresentando novas perspectivas de controle para os sistemas de potência até então não verificadas com o uso de compensadores convencionais. Dentre os equipamentos FACTS pesquisados está o Compensador Generalizado. O Compensador Generalizado oferece a possibilidade de um controle simultâneo e independente do fluxo de Potência ativa e das tensões nas barras do sistema. O objetivo principal deste trabalho é analisar o funcionamento do Compressor Generalizado em regime permanente aplicado a linhas longas. É avaliado sua situação operando numa linha de 2400 km. Dois casos extremos foram abordados: compensação sob carga nominal e compensação sob rejeição de carga. Os resultados obtidos com o Compensador Generalizado foram comparados com os resultados prévios obtidos através de uma compensação realizada com o uso de capacitores série e reatores em derivação. Desta forma, foram verificadas as vantagens oferecidas pelo Compensador Generalizado em relação a outros equipamentos e as possibilidades oferecidas aos sistema de transmissão face às novas alternativas de controle de fluxo de potência proporcionadas. / [en] The improvement of power electronics and its application in Power Systems introduced a new technology denominated FACTS - Flexible AC Transmission Systems. The FACTS concept includes equipment for reactive compensation, voltage regulation and static and dynamic control of the active power flow in transmission lines. The FACTS equipment under recent researches is showing new perspectives for power systems controlling, which were not achieved with conventional compensators. Among the researched FACTS equipment, there is the Unified Power Flow Controller. The UPFC provides a simultaneous and independent control of the active power flow and the voltages in the system. The main objective of this study is to analyze the steady state operation of the UPFC applied to long lines, specially the case fo a 2400 km line. Two extreme cases are discussed: compensation under rated load and compensation under load rejection. The obtained results with the UPFC are compared with previous results from a compensation performed with series capacitors and shunt reactors. Thus, this study presents the advantages of the UPFC in regard of other equipment and the possibilities offered to the transmission systems due to the new provided alternatives for power flow controlling.

Orientador: Rubén Augusto Romero Lázaro / Coorientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Jose Roberto Sanches Mantovani / Banca: Antonio Padilha Feltrin / Banca: Eduardo Nobuhiro Asada / Banca: Ariovaldo Verandio Garcia / Resumo: O problema do planejamento de sistemas de distribuição de energia elétrica consiste em determinar as mudanças que precisam ser feitas no sistema visando atender as condições de demanda futura, respeitando os critérios técnicos de operação e segurança, tudo isto sob um mínimo custo econômico (no caso da otimização monoobjetivo). A modelagem do problema de planejamento da expansão de sistemas de distribuição inclui a repotenciação de subestações existentes, a alocação e dimensionamento de novas subestações, o recondutoramento de alimentadores existentes, a construção e seleção do tipo de cabo para alimentadores novos e a seleção da topologia do sistema (reconfiguração). Além disso, o modelo considera que a expansão do sistema pode ser executada em vários estágios, propondo assim uma formulação dinâmica do problema de planejamento. É apresentada neste trabalho uma estratégia de decomposição para dividir o problema no subproblema da seleção das subestações e na solução de problemas de reconfiguração e recondutoramento dependentes. São desenvolvidos algoritmos heurísticos, que combinados com a metaheurística Busca Tabu, permitem uma exploração eficiente do espaço de busca. A estratégia de decomposição mencionada permite o uso da programação paralela, conseguindo diminuir o tempo de processamento. O método proposto é testado usando casos de grande porte da literatura, mostrando um excelente desempenho / Abstract: The distribution system expansion planning problem consists of to determine the investments that need to be made in the system to meet future demand conditions, satisfying technical criteria for operation and safety, all under a minimum economic cost (in the case of mono-objective optimization). The modeling of the planning problem includes the expansion of existing substations, the allocation and design of new substations, the reconductoring of existent feeders, the selection of the type of conductor for new feeders and the selection of the system topology (reconfiguration). Furthermore, the model assumes that the expansion of the system can be performed in several stages, thus it is proposed dynamic planning problem formulation. In this paper work, it is presented a decomposition strategy to separate the problem into the subproblems of selection of the substations, reconfiguration and selection of the conductor feeders. Heuristic algorithms are developed, which combined with the Tabu Search metaheuristic, allow an efficient exploration of the space of search. The decomposition strategy aforementioned allows the use of parallel programming, achieving reduced processing time. The proposed method is tested using large cases in the literature, showing excellent performance / Doutor

<p>Power system maintenance optimisation involves obtaining the minimum total costs, including preventive and corrective maintenance costs and the cost of failures for both supplier and customer. To calculate the cost of failure, information is needed about the equipment reliability characteristics. It is also necessary to know how maintenance affects component reliability. The aim of the work leading up to this thesis has been to develop reliability models that include the effect of maintenance.</p><p>Three case studies have been carried out for different types of power system components using three distinct methods. In the first study the reliability of the first generation XLPE cables was modelled with respect to failures caused by water treeing using load-strength modelling. The model was based on assumptions of the ageing process and the distribution system characteristics. This study showed that it is possible to and overvoltage and insulation characteristics that can be fitted to agree with failure statistics for water tree ageing in XLPE cables. The second case study included a study of all circuit breaker failures in the Swedish transmission grid during the period from 1 January 1999 to 30 June 2003. In a subsequent investigation a method to combine information from the design process with maintenance records and failure statistics was employed using Bayesian methods. The resulting reliability model is continuously updated as more failure and maintenance data</p><p>becomes available. This case study showed that it is possible to develop reliability models for components that have not yet failed by utilising information from the design process and right-censored observations from inspections. Finally, in the third case study a quantitative method for establishing the condition of disconnector contacts by the use of thermography was developed. Two sets of measurements on disconnector contacts in the Swedish transmission</p><p>grid were carried out to establish the accuracy of the method. By utilising the results from the measurements estimates of the statistical distributions of the error sources were produced.</p><p>The results from the case studies show that the lack of detailed, high-quality data remains a critical problem when modelling reliability of power system equipment, even when using methods that require a minimum of data.</p>

[pt] O controle das tensões dos diversos barramentos de um sistema elétrico de potência tem como objetivo garantir a qualidade da energia fornecida aos consumidores. As tensões devem respeitar níveis regulamentados pelo governo. Atualmente, no Sistema Elétrico de Potência (SEP) brasileiro, a tarefa do controle de tensão, realizada pelos operadores de tempo real, se baseia nos valores e tendências de diversas variáveis (tensões, potências reativas e ativas, sensibilidade dos equipamentos, dentre outras). Para a formação de um operador nessa tarefa são necessários de um a dois anos, tempo que poderia ser reduzido caso um sistema de apoio à decisão dedicado ao problema de controle de tensão estivesse à disposição durante o treinamento. Entretanto, em virtude do grande número de grandezas a serem analisadas e de suas não linearidades, é necessário uma ferramenta automática de apoio à decisão que seja capaz de tratar intrinsecamente relações não lineares. Deste modo, neste trabalho optou-se por desenvolver um sistema baseado em Redes Neurais Artificiais (RNA) para a confecção do sistema sugerido, com o objetivo de indicar a necessidade de realizar ações de controle de tensão utilizando-se dos recursos ou equipamentos disponíveis. O sistema desenvolvido é composto de três módulos: Pré-processamento; Análise e Classificação do evento; e Pós-processamento. Tal sistema serve para sugerir a manobra de equipamentos mais adequada para o controle de tensão. No estudo de caso, o sistema proposto foi avaliado nos equipamentos de controle de tensão (reatores, capacitores e tapes) constantes no Sistema de Transmissão em 765 kV, responsável pela interligação dos sistemas Sul e Sudeste do Brasil. Utilizando dados obtidos do sistema de aquisição em tempo real, diferentes configurações de RNAs foram testadas. Os melhores resultados foram obtidos com uma estrutura de duas redes neurais por equipamento a ser controlado, apresentando, em média, 80% de acerto em relação às manobras realizadas em tempo real. Em virtude da complexidade do problema, os resultados foram considerados mais do que satisfatórios, indicando a aplicabilidade desta técnica para a realização do sistema desejado. / [en] The main objective of the voltage control in Electrical Power System (EPS) is to guarantee the quality of the energy supplied to consumers. The voltage must respect government regulated levels. Currently, on the Brazilian EPS, the voltage control task is carried out by system operators based on diverse information, such as current values, and trends of electric variables (voltages, reactive and active powers, their sensitivities in the control devices performance, amongst others). To fully train a operator in this task it is necessary one or two years, period that could be greatly reduced if a decision support system was available during the operator`s training. However, due to the great number of variables that must be analyzed and their nonlinearity, an automatic decision support tool, capable to treat nonlinear relations, is necessary. Therefore, this work proposes a system based on Artificial Neural Networks (ANN), with the objective to identify the necessity or not to use the voltage control resources in the EPS. The developed system is composed of three modules: Pre-processing; Event Analysis and Classification; and Post-processing. Such decision support system suggests the most adequate equipment maneuver in the voltage control task. In the case study, the proposed system was evaluated using the available voltage control equipments (reactors, capacitors and transformer taps) in the 765 kV Transmission System, main responsible trunk for the interconnection of South and Southeastern Brazilian systems. Using real time data, different ANN configurations have been tested. The best results were obtained with a structure composed of two neural networks, for each controlled equipment, presenting, in average, 80% accuracy in relation to maneuvers occurred in real time. Due to the problem complexity, the results were considered more than satisfactory, indicating the applicability of this technique for the development of the desired system.

O processo de estimação de estado em sistemas elétricos de potência está sujeito a três tipos de erros: erros nas medidas analógicas (erros grosseiros); erros devido a informações erradas quanto aos estados de chaves e/ou disjuntores (erros topológicos) e erros causados por informações erradas de algum parâmetro do sistema (erros de parâmetros). É drástico o efeito de erros de parâmetros, para o processo de estimação de estado, normalmente intolerável, sendo, entretanto, menos evidente que os erros grosseiros e topológicos. Aproveitando o fato de que certas medidas não sofrem mudanças significativas de valor, durante um determinado intervalo de tempo, propõe-se uma metodologia para estimação de estado e parâmetros de linhas de transmissão. Na metodologia proposta, que se baseia nas equações normais, o vetor de estado convencional é aumentado para a inclusão dos parâmetros a serem estimados. Este vetor de estado aumentado é então estimado através de uma grande quantidade de medidas, obtidas em diversas amostras, durante um intervalo de tempo em que as variáveis de estado do sistema não tenham sofrido alterações significativas de valor. Esta situação ocorre tipicamente à noite, fora dos horários de pico. Propõe-se também uma metodologia para análise de observabilidade para o estimador proposto. Para comprovar a eficiência das metodologias propostas, vários testes foram realizados, utilizando os sistemas de 6, 14 e 30 barras do IEEE. / The process of power system state estimation is subjected to three types of errors: errors in analogical measurements (gross errors), incorrect information about the status of switching devices (topology errors) and incorrect information about the model of the systems equipment (parameter errors). The effects of parameter errors on the process of power system state estimation are drastic and less evident to detect than gross and topology errors. Taking advantage of the fact that a certain fraction of the measurements varies over a small range in a certain period of time, a methodology to estimative transmission line parameters and state based on normal equations has been proposed. In such methodology, which is based on normal equations, the traditional state vector is expanded to include the parameters to be estimated. This augmented state vector is estimated through a large collection of measurements, recorded within several snapshots of the power system, during which the actual system state varies over a small range. This situation typically occurs during the night off-peak periods. An observability analysis methodology is also proposed for the presented estimator. To prove the efficiency of the methodologies, several tests were made using the systems of 6, 14 and 30 buses from IEEE.

O presente trabalho tem como objetivo propor uma metodologia para avaliar o impacto das diversas técnicas de repotenciação no desempenho de linhas de transmissão em regime permanente, visto que na atual literatura não existe uma análise abrangente que possa ser aplicada em qualquer linha de transmissão carente de repotenciação. A metodologia busca fornecer subsídios para escolha da técnica mais vantajosa para repotenciar uma linha, utilizando de forma extensiva, os fatores de desempenho, e de forma sintetizada, os índices de mérito agregado, que, avaliados individualmente e/ou em conjunto, propiciam informações qualificadas para as conclusões técnicas. Destaca-se que a proposição dos fatores de desempenho e dos índices de mérito são as principais contribuições deste trabalho. Para complementar a metodologia, uma análise de curtos-circuitos foi proposta. Os resultados da utilização da metodologia foram positivos, possibilitando verificar os ganhos de potência na transmissão de energia. Vale destacar a eficiência dos índices de mérito agregado, que identificaram a melhor técnica de repotenciação de forma sintetizada, resguardando a qualidade e enquadramento dos resultados nas normas regulamentadoras. / This work aims at proposing a methodology to assessing the impact of power upgrade techniques on the steady-state performance of transmission lines, since there is not anything similar to this in the technical literature. The proposed methodology aims at providing technical information to subside the choice of the best power line upgrade technique, by the extensive application of the performance factors and of the aggregate merit indices. It must be pointed out that the proposition of the performance factors and of the aggregate merit indices are the main contributions of this work. Additionally, a short circuit analysis was also proposed to assess the power upgrade techniques. The results after the method application were satisfactory and allowed verifying the surplus of power related to each upgrade technique. The contribution of the aggregate merit indices was very important to identifying the most favorable upgrade technique in a simple way, so that all statutory technical limits were not violated.