This research proposes, implements and analyses a novel framework for multiobjective optimisation through evolutionary computing aimed at, but not restricted to, real-world problems in the engineering design domain. Evolutionary algorithms have been used to tackle a variety of non-linear multiobjective optimisation problems successfully, but their success is governed by key parameters which have been shown to be sensitive to the nature of the particular problem, incorporating concerns such as the number of objectives and variables, and the size and topology of the search space, making it hard to determine the best settings in advance. This work describes a real-encoded multi-objective optimising evolutionary algorithm framework, incorporating a genetic algorithm, that uses self-adaptive mutation and crossover in an attempt to avoid such problems, and which has been benchmarked against both standard optimisation test problems in the literature and a real-world airfoil optimisation case. For this last case, the minimisation of drag and maximisation of lift coefficients of a well documented standard airfoil, the framework is integrated with a freeform deformation tool to manage the changes to the section geometry, and XFoil, a tool which evaluates the airfoil in terms of its aerodynamic efficiency. The performance of the framework on this problem is compared with those of two other heuristic MOO algorithms known to perform well, the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) and NSGA-II, showing that this framework achieves better or at least no worse convergence. The framework of this research is then considered as a candidate for smart (electricity) grid optimisation. Power networks can be improved in both technical and economical terms by the inclusion of distributed generation which may include renewable energy sources. The essential problem in national power networks is that of power flow and in particular, optimal power flow calculations of alternating (or possibly, direct) current. The aims of this work are to propose and investigate a method to assist in the determination of the composition of optimal or high-performing power networks in terms of the type, number and location of the distributed generators, and to analyse the multi-dimensional results of the evolutionary computation component in order to reveal relationships between the network design vector elements and to identify possible further methods of improving models in future work. The results indicate that the method used is a feasible one for the achievement of these goals, and also for determining optimal flow capacities of transmission lines connecting the bus bars in the network.

An approach to utilize Distributed Generation (DG) to minimize the total load shedding by analyzing the power system in Transactive energy framework is proposed. An algorithm to optimize power system in forward and spot markets to maximize an electric utility’s profit by optimizing purchase of power from DG is developed. The proposed algorithm is a multi-objective optimization with the main objective to maximize a utility’s profit by minimizing overall cost of production, load shedding, and purchase of power from distributed generators. This work also proposes a method to price power in forward and spot markets using existing LMP techniques. Transactive accounting has been performed to quantify the consumer payments in both markets. The algorithm is tested in two test systems; a 6-bus system and modified IEEE 14-bus system. The results show that by investing in DG, utility benefits from profit increase, load shedding reduction, and transmission line loading improvement.

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.

Neste trabalho, as restrições de estabilidade transitória são incorporadas ao problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) por meio da aproximação de equações diferenciais do problema de estabilidade por um conjunto de equações algébricas provenientes de procedimentos de integração numérica. Uma contribuição original desta dissertação é a proposição de um procedimento de otimização multi-passos que minimiza problemas de convergência e acelera o processo computacional. O procedimento de otimização proposto foi testado com sucesso num sistema pequeno de 3 geradores, tendo as potências geradas como variáveis de controle. / In this work, transient stability constraints are incorporated into the Optimal Power Flow (OPF) problem by approximating differential equations constraints by a set of equivalent algebraic equations originated from numerical integration procedures. A contribution of this dissertation is the proposal of a multi-step optimization procedure, which minimizes convergence problems and speeds up computation. The proposed optimization procedure was successfully tested on a small 3-machine power system, having the generated powers as control variables.

Neste trabalho propomos uma abordagem para a resolução do problema de fluxo de potência ótimo. Para isso, foram obtidos dados teóricos, a partir de um levantamento bibliográfico, que explicitaram os métodos de penalidade, de barreira, de Newton-Lagrangiano, da função Lagrangiana aumentada e dual-Lagrangiano. Nesta abordagem, as restrições de igualdade são tratadas pelo método de Newton, as restrições canalizadas, de tensão e tap, pelo método da função barreira logarítmica, e as restrições de desigualdade e demais restrições canalizadas, pelo método da função Lagrangiana aumentada. A motivação para este estudo foi a necessidade de manter as variáveis - tensão e tap - dentro de seus limites. Os resultados numéricos apresentados evidenciam o potencial desta metodologia para a resolução de problemas de programação não-linear e, em particular, do problema de fluxo de potência ótimo. / A new approach to solving the optimal power flow problem is proposed in this study. The first step in developing this method was to obtain theoretical material from bibliographic survey, which described in detail the penalty method, the barrier method, Newton\'s method, the augmented Lagrangian method end the dual-Lagrangian method. In the new approach, equality constraints are handled by Newton\'s method, the voltage end tap box inequality constraints by the logarithmic barrier method and the inequality constraints and the other box inequality constraints by the augmented Lagrangian method. The motivation for this research was the necessity to keep the voltage and tap variables within their limits. The numerical results demonstrate the potential of this methodology for the solution of nonlinear problems and, in particular, of the optimal power flow problem.

Neste trabalho é apresentado um método probabilístico para avaliação do desempenho de redes de distribuição considerando incertezas na demanda das cargas e na potência gerada por sistemas distribuídos intermitentes. Os consumidores são divididos em agrupamentos por classe e faixa de consumo e a modelagem da demanda horária dos consumidores de cada agrupamento é realizada por uma lei de distribuição acumulada de probabilidade (CDF) adequada. A geração distribuída é contemplada pela consideração de fonte solar fotovoltaica. O procedimento de simulação do Método de Monte Carlo é empregado e a técnica da Joint Normal Transform é utilizada na geração de números aleatórios correlacionados, empregados na amostragem da demanda dos consumidores e da energia produzida pelos sistemas de geração distribuídos. O método proposto foi aplicado ao conhecido sistema de 13 barras do IEEE e os resultados dos indicadores de perdas na operação bem como indicadores de violação de tensão crítica e precária obtidos com o modelo probabilístico são comparados aos obtidos com o modelo determinístico convencional. É demonstrado que nem sempre a média é uma descrição suficiente para o comportamento dos componentes de redes de distribuição e que é mais adequado utilizar uma representação com intervalos de confiança para as grandezas de interesse. / This work presents a probabilistic method for performance evaluation of distribution networks considering uncertainties in load demand and power generated by intermittent distributed systems. Consumers are divided into clusters by class and consumption range, so the modeling for the hourly demand of the consumers on each cluster is performed by a suitable cumulative probability distribution (CDF). Distributed generation is considered by means of solar photovoltaic sources. The Monte Carlo Simulation (MCS) Method is employed and the Joint Normal Transform technique is applied for correlated random numbers generation, used to sample consumer demand and the energy generated by distributed generation systems. The proposed method was applied in the well-known IEEE 13 node test feeder and the results of the operation losses as well as voltage violation indices obtained by the probabilistic model are compared to those obtained with the conventional deterministic model. It is shown that the mean is not always a sufficient description for the behavior of distribution network components and that it is more appropriate to use confidence intervals for the quantities of interest.

O presente trabalho visa a investigação e o desenvolvimento de estratégias de otimização contínua e discreta para problemas de Fluxo de Potência Ótimo com Restrições de Segurança (FPORS) Multiobjetivo, incorporando variáveis de controle associadas a taps de transformadores em fase, chaveamentos de bancos de capacitores e reatores shunt. Um modelo Problema de Otimização Multiobjetivo (POM) é formulado segundo a soma ponderada, cujos objetivos são a minimização de perdas ativas nas linhas de transmissão e de um termo adicional que proporciona uma maior margem de reativos ao sistema. Investiga-se a incorporação de controles associados a taps e shunts como grandezas fixas, ou variáveis contínuas e discretas, sendo neste último caso aplicadas funções auxiliares do tipo polinomial e senoidal, para fins de discretização. O problema completo é resolvido via meta-heurísticas Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO) e Differential Evolutionary Particle Swarm Optimization (DEEPSO). Os algoritmos foram desenvolvidos utilizando o software MatLab R2013a, sendo a metodologia aplicada aos sistemas IEEE de 14, 30, 57, 118 e 300 barras e validada sob os prismas diversidade e qualidade das soluções geradas e complexidade computacional. Os resultados obtidos demonstram o potencial do modelo e estratégias de resolução propostas como ferramentas auxiliares ao processo de tomada de decisão em Análise de Segurança de redes elétricas, maximizando as possibilidades de ação visando a redução de emergências pós-contingência. / The goal of the present work is to investigate and develop continuous and discrete optimization strategies for SCOPF problems, also taking into account control variables related to in-phase transformers, capacitor banks and shunt reactors. Multiobjective optimization model is formulated under a weighted sum criteria whose objectives are the minimization of active power losses and an additional term that yields a greater reactive support to the system. Controls associated with taps and shunts are modeled either as fixed quantities, or continuous and discrete variables, in which case auxiliary functions of polynomial and sinusoidal types are applied for discretization purposes. The complete model is solved via EPSO and DEEPSO metaheuristics. Routines coded in Matlab were applied to the IEEE 14,30, 57, 118 and 300-bus test systems, where the method was validated in terms of diversity and quality of solutions and computational complexity. The results demonstrate the robustness of the model and solution approaches and uphold it as an effective support tool for the decision-making process in Power Systems Security Analysis, maximizing preventive actions in order to avoid insecure operating conditions.

The focus of this thesis is formulation and development of a mathematical framework for the solution of the contingency constrained optimal power flow (OPF) based on sequential quadratic programming. The contingency constrained optimal power flow minimizes the total cost of a base case operating state as well as the expected cost of recovery from contingencies such as line or generation outages. The sequential quadratic programming (SCP) OPF formulation has been expanded in order to recognize contingency conditions and the problem is solved as a single entity by an efficient interior point method. The new formulation takes into account the system corrective capabilities in response to contingencies introduced through ramp-rate constraints. Contingency constrained OPF is a very challenging problem, because each contingency considered introduces a new problem as large as the base case problem. By proper system reduction and benefits of constraint relaxation (active set) methods, in which transmission constraints are not introduced until they are violated, the size of the system can be reduced significantly Therefore, restricting our attention to the active set constraint set makes this large problem significantly smaller and computationally feasible.

Orientador: John Fredy Franco Baquero / Resumo: O planejamento bem-sucedido de redes de distribuição requer uma metodologia que inclua um modelo de rede preciso que considere não apenas os custos econômicos, mas também os custos associados à confiabilidade do sistema. Considerando estas duas características essenciais, esta tese propõe modelos matemáticos que permitam incluir a avaliação da confiabilidade dentro do problema do planejamento de expansão de sistemas de distribuição com múltiplos estágios, visando expandir os ativos de rede (ramos e subestações) e minimizar os custos de confiabilidade do sistema. Em relação às características da rede, o modelo de planejamento proposto utiliza um fluxo de potência AC não-linear e não convexo, que é convertido em um problema convexo usando reformulação cônica, técnicas de linearização por partes, com o intuito de obter tratabilidade computacional usando técnicas clássicas de otimização. Além disso, a avaliação de confiabilidade convencional baseada em simulação é implementada de forma equivalente por meio de expressões algébricas dentro do modelo matemático. Vários casos de estudo são usados ​​para demostrar a eficácia da metodologia de planejamento proposta. / Abstract: Successful planning of distribution networks requires a methodology that includes an accurate network model that considers not only the economic costs but also the costs associated with system reliability. Considering these two essential characteristics, this thesis proposes mathematical models that include reliability assessment within multi-stage expansion planning problem of distribution systems, aiming at expanding network assets (branches and substations) and minimizing reliability costs of the system. In relation to the network characteristics, the proposed planning model uses a non-convex nonlinear AC power flow, which is converted into a convex problem using conic reformulation and piece-wise linearization, to obtain the computational treatability using classical optimization techniques. In addition, conventional simulation-based reliability assessment is implemented equivalently through algebraic expressions. Several benchmarks are used to demonstrate the effectiveness of the proposed planning methodology. / Doutor

nÃo hà / Este trabalho apresenta um novo mÃtodo de fluxo de potÃncia linear o fluxo de potÃncia linear V-teta tambÃm apresenta uma nova modelagem do gerador sÃncrono para estudos de fluxo de potÃncia trifÃsico em redes de distribuiÃÃo desequilibradas radiais e uma modelagem do gerador eÃlico sÃncrono em componentes de fase para estudos de curto-circuito em sistemas de distribuiÃÃo radiais Os resultados revelam que 1) Para o fluxo de potÃncia linear V-teta à possÃvel o cÃlculo de forma desacoplada e linear dos fluxos de potÃncia ativa e reativa no sistema Assim os erros obtidos com o fluxo de potÃncia linear V-teta sÃo em geral menores que os erros obtidos no mÃtodo clÃssico de fluxo de potÃncia CC e espera-se que o mesmo seja usado em muitas aplicaÃÃes onde o mÃtodo clÃssico de fluxo de potÃncia CC à atualmente utilizado 2) Uma nova modelagem à proposta considerando o gerador sÃncrono diretamente conectado a rede elÃtrica Uma outra modelagem jà existente na literatura considerando a conexÃo do gerador atravÃs de retificador e inversor tambÃm à usada As duas modelagens sÃo utilizadas para a realizaÃÃo de estudos de impacto dos sistemas de excitaÃÃo dos geradores sÃncronos em sistemas de distribuiÃÃo com modelagem trifÃsica Os resultados sÃo obtidos utilizando-se o sistema IEEE-13 barras A modelagem do gerador sÃncrono em componentes de fase sob condiÃÃes desequilibradas permite: a) calcular as injeÃÃes ou consumo de potÃncias ativa/reativa de cada fase na mÃquina, b) simular o gerador sÃncrono como barra do tipo PQ e como barra do tipo PV Juntamente com esses estudos uma anÃlise inÃdita e detalhada de desequilÃbrio de tensÃo inclusive com uma demonstraÃÃo matemÃtica à apresentada 3) A representaÃÃo em componentes de fase do gerador eÃlico sÃncrono nos cÃlculos de faltas de sistemas de distribuiÃÃo radiais obtÃm resultados mais precisos do que o mÃtodo tradicional das componentes simÃtricas uma vez que valores de impedÃncias mÃtuas de diferentes valores podem ser considerados na anÃlise do sistema / This thesis presents a new method of linear power flow linear power flow V-theta it also presents a new model of synchronous generator for power flow studies in three phase unbalanced radial distribution networks and modeling of wind synchronous generator in phase components for studies of short-circuit in radial distribution systems The results reveal that 1) For the linear power flow V-theta is possible to calculate like a linear and uncoupled form the active and reactive power flows in the system Thus the errors obtained with the linear power flow V-theta are usually smaller than the errors obtained in classical method of DC power flow and it is expected that the linear power flow V-theta can be used in many applications where the classical method of DC power flow is currently used 2) A new model is proposed, considering the synchronous generator directly connected to the power grid Another existing literature modeling considering the connection from the generator through rectifier and inverter is also used The two modeling are used to perform impact studies of synchronous generators excitation systems for distribution systems with three-phase modeling The results are obtained using the IEEE 13 bus - test system The modeling of synchronous generator in phase components under unbalanced conditions allow: a) calculate the active / reactive power injections in each phase of the machine b) simulate the synchronous generator as PQ bus-type and as PV bustype Along with these studies an unprecedented and detailed analysis of voltage unbalance including a mathematical proof is presented 3) the representation of synchronous windmill generators in phase components calculations in short-circuits of radial distribution systems get more accurate results than the traditional method of symmetrical components since values of mutual impedances of different values can be considered in the analysis of the system