Orientador: Prof. Dr. Edmarcio Antonio Belati / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2017. / Os sistemas elétricos de Potência englobam os campos da engenharia elétrica que tratam da geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. A confiabilidade e otimização são itens de suma importância para o funcionamento correto e eficiente das instalações elétricas. Esta pesquisa tem o seu foco voltado para os sistemas de distribuição, tratando especificamente da reconfiguração desses sistemas visando minimizaras perdas ativas. A reconfiguração é uma boa estratégia para diminuir perdas, pois demanda um baixo custo de investimento e apresenta resultados eficazes. Por tratar-se de um problema de otimização (minimização das perdas), o mesmo está sujeito às restrições impostas: 1) manutenção da radialidade; 2) ilhamento de cargas; 3) limite de tensão admissível nos nós; 4) balanço de potências do sistema. O método apresentado neste trabalho para a solução dessas questões baseia-se em uma metaheurística desenvolvida a partir da observação do comportamento e interação socioambiental de vaga-lumes. Através do seu tratamento e adequação ao problema, o algoritmo desenvolvido será utilizado em conjunto com um Fluxo de Carga CA para a determinação das perdas. Também é estabelecido um critério para diminuir o espaço de busca dos sistemas, tornando a busca pelo ponto ótimo mais eficaz. As simulações computacionais do método proposto foram realizadas em sistemas teóricos e reais e, os resultados, comparados com outros disponíveis na literatura especializada. / The Electrical Power Systems covers the electrical engineering fields that deal with electrical energy generation, transmission and distribution. Reliability and optimization are one of the most important subjects concerning the correct and efficient operation of electrical facilities. This research focuses on the distribution system, dealing specifically with its reconfiguration aiming active losses reduction. Reconfiguration is a good strategy for loss decreasing, because demands a low investment cost and shows efficient results. As an optimization problem (loss reduction), the same is subject to the imposed constraints: 1) radiality; 2) load islanding; 3) bus voltage limit; 4) system load flow balance. The method presented for this issues solution, is based on a metaheuristic developed through the observation of fireflies behavior and socioenvironmental interaction. Through its treatment and adjustment to the problem being studied, the algorithm developed will be applied with an AC Power Flow to determine active losses. Also, is proposed a criterion to reduce the systems search space, to improve the accuracy of the optimum point search. The computational simulations of the method herein proposed were performed on theoretical and real systems and, its results, compared with other methods applied by the authors of the specialized literature.

abstract: Two significant trends of recent power system evolution are: (1) increasing installa-tion of dynamic loads and distributed generation resources in distribution systems; (2) large-scale renewable energy integration at the transmission system level. A majority of these devices interface with power systems through power electronic converters. However, existing transient stability (TS) simulators are inadequate to represent the dynamic behavior of these devices accurately. On the other hand, simulating a large system using an electromagnetic transient (EMT) simulator is computationally impractical. EMT-TS hybrid simulation approach is an alternative to address these challenges. Furthermore, to thoroughly analyze the increased interactions among the transmission and distribution systems, an integrated modeling and simulation approach is essential. The thesis is divided into three parts. The first part focuses on an improved hybrid simulation approach and software development. Compared to the previous work, the pro-posed approach has three salient features: three-sequence TS simulation algorithm, three-phase/three-sequence network equivalencing and flexible switching of the serial and par-allel interaction protocols. The second part of the thesis concentrates on the applications of the hybrid simula-tion tool. The developed platform is first applied to conduct a detailed fault-induced de-layed voltage recovery (FIDVR) study on the Western Electricity Coordinating Council (WECC) system. This study uncovers that after a normally cleared single line to ground fault at the transmission system could cause air conditioner motors to stall in the distribu-tion systems, and the motor stalling could further propagate to an unfaulted phase under certain conditions. The developed tool is also applied to simulate power systems inter-faced with HVDC systems, including classical HVDC and the new generation voltage source converter (VSC)-HVDC system. The third part centers on the development of integrated transmission and distribution system simulation and an advanced hybrid simulation algorithm with a capability of switching from hybrid simulation mode to TS simulation. Firstly, a modeling framework suitable for integrated transmission and distribution systems is proposed. Secondly, a power flow algorithm and a diakoptics based dynamic simulation algorithm for the integrated transmission and distribution system are developed. Lastly, the EMT-TS hybrid simulation algorithm is combined with the diakoptics based dynamic simulation algorithm to realize flexible simulation mode switching to increase the simulation efficiency. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2016

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-08-20Bitstream added on 2014-06-13T18:06:44Z : No. of bitstreams: 1 canossa_jh_me_ilha.pdf: 1882807 bytes, checksum: 66b3108cd92af016b3609fdfa0cc517e (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta um programa interativo para a simulação do fluxo de potência e do fluxo de potência continuado. O programa foi desenvolvido no ambiente MATLAB e a simulação é realizada por meio de uma interface gráfica. A interface gráfica não só proporciona um bom desempenho computacional, mas também torna o programa mais amigável para o usuário. Através dela o usuário pode editar os arquivos de entrada e saída e visualizar e analisar os resultados obtidos diretamente na tela do computador. A partir do diagrama unifilar dos sistemas, a interface gráfica permite que o usuário: mude os parâmetros do sistema (dados de barras e de linhas de transmissão); remova uma linha de transmissão com um simples clicar sobre ela; visualize os perfis de tensão nas barras, e os fluxos de potência ativa e reativa nas linhas de transmissão. Todas estas características fazem do programa desenvolvido uma ferramenta recomendada para fins educacionais. / This work presents an interactive computing program for power flow and continuation power flow simulations. The power flow and continuation power flow programs were developed in the MATLAB environment and the simulation is accomplished through a graphical user interface. The graphical user interface provides not only a good computational performance, but also an user-friendly teaching software. With the use of this interface the user can edit the input and output data files of the selected systems and can visualize and analyze the results of the program directly in the computer screen. Directly from the system one-line diagrams, the graphical user interface allows the user: to change the parameters of the system (bus and lines system data); to remove the transmission line clicking directly on it; to visualize the bus voltage profile, and the active and reactive power flows. All these characteristics make the developed program recommended for educational purposes.

Submitted by LUIS FABIANO BARONE MARTINS null (luis_barone@ig.com.br) on 2017-08-30T14:29:52Z No. of bitstreams: 1 tese-luis-fabiano-barone-martins.pdf: 3400963 bytes, checksum: 6361e93ee21ab8eb5a35cb9dd7d0bd28 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-08-30T17:52:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 martins_lfb_dr_ilha.pdf: 3400963 bytes, checksum: 6361e93ee21ab8eb5a35cb9dd7d0bd28 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-30T17:52:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 martins_lfb_dr_ilha.pdf: 3400963 bytes, checksum: 6361e93ee21ab8eb5a35cb9dd7d0bd28 (MD5) Previous issue date: 2017-08-22 / Neste trabalho são apresentados quatro métodos de otimização bio-inspirados, Colônia de Abelhas Artificiais, Otimização por Enxame de Partículas, Algoritmo dos Vagalumes e um híbrido aqui denominado por Bee – PSO, que combina particularidades dos outros três. Estes métodos são utilizados no ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores Proporcional-Integral e Suplementares de Amortecimento (Estabilizadores de Sistemas de Potência e o conjunto Unified Power Flow Controller – Power Oscillation Damping). O objetivo é inserir amortecimento adicional aos modos oscilatórios de baixa frequência e, consequentemente, garantir a estabilidade do sistema elétrico frente a pequenas perturbações. São considerados três cenários que englobam duas configurações de instalação dos controladores suplementares e duas condições de carregamento, uma fixa e outra variável. Uma formulação por injeções de corrente do dispositivo Unified Power Flow Controller é sugerida e incorporada ao Modelo de Sensibilidade de Corrente, utilizado para representar o sistema elétrico de potência. Análises estática e dinâmica foram realizadas nos sistemas teste Simétrico de Duas Áreas e New England para validar o modelo de injeções de corrente proposto para o Unified Power Flow Controller e determinar qual dos algoritmos apresentados é o mais eficiente no ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores. Dos resultados obtidos foi possível concluir que a versão híbrida proposta neste trabalho possui desempenho superior na maioria dos cenários analisados, fornecendo soluções com amortecimento suficiente, mesmo quando pequenas variações no carregamento do sistema são consideradas. / In this work four bio-inspired optimization methods, Artificial Bee Colony, Particle Swarm Optimization, Firefly Algorithm, and a hybrid called Bee – PSO, which combines the characteristics of the other three are presented. These methods are used in the coordinated adjustment of the parameters of Proportional-Integral and Supplementary Damping Controllers (Power System Stabilizers and the Unified Power Flow Controller - Power Oscillation Damping). The goal is to insert additional damping into the low-frequency oscillatory modes and thus ensure the stability of the electrical system against minor disturbances. Three scenarios are considered that include two installation configurations of the supplementary controllers and two charging conditions, one fixed and one variable. A current injection formulation of the Unified Power Flow Controller is suggested and incorporated into the Current Sensitivity Model used to represent the electric power system. Static and dynamic analyzes were performed in the Two-Zone Symmetric and New England test systems to validate the proposed current injection model for the Unified Power Flow Controller and to determine which of the presented algorithms is the most efficient in the coordinated adjustment of the parameters of the controllers. From the results obtained it was possible to conclude that the hybrid version proposed in this work has superior performance in most scenarios analyzed, providing solutions with sufficient damping, even when small variations in system loading are considered.

A geração de energia elétrica com fontes renováveis está em aumento e uma das que tem maior crescimento é a eólica. A instalação das máquinas que aproveitam este recurso pode trazer alguns problemas para a rede elétrica devido à intermitência da velocidade do vento. O presente trabalho tem por objetivo analisar o comportamento de dois tipos de aerogeradores que utilizam gerador de indução e sua interação com o sistema elétrico de potência. Os aerogeradores assíncronos analisados são o de velocidade variável com gerador de indução duplamente alimentado (Doubly-Fed Induction Generator-DFIG) e o de velocidade fixa com gerador de indução de rotor de gaiola de esquilo (Squirrel Cage Induction Generator-SCIG). O caso de estudo está baseado no parque eólico Jepirachi na Colômbia, o qual na atualidade tem aerogeradores de velocidade fixa. Para isto inicialmente foi feita a modelagem do parque eólico considerando alguns parâmetros dos aerogeradores comerciais de velocidade variável e velocidade fixa, junto com os principais componentes da rede elétrica da região para obter uma aproximação da mesma. Posteriormente realizaram-se simulações computacionais para obter o comportamento do sistema elétrico de potência alimentado por estes tipos de aerogeradores. Finalmente, foi realizada uma análise dos efeitos que produzem cada tipo de máquina, no fluxo de potência e no nível de tensão da rede elétrica funcionando em regime permanente, considerando os distúrbios ocasionados pelas mudanças da velocidade do vento. / The generation of electricity from renewable sources is increasing, one of the largest growth is the wind power. However the installation of the machines that leverage this resource could bring some problems to the grid due to the intermittency of the wind speed. This work analyzes the behavior of variable speed wind turbines with Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) and fixed-speed wind turbines with Squirrel Cage Induction Generator (SCIG). The case study is based in Jepirachi wind farm in Colombia, that at the present has fixed-speed wind turbines with Squirrel Cage Induction Generator (SCIG). To do this study, initially the modeling of the wind farm considering some parameters of commercial wind turbines with variable speed and fixed speed, also modeling the main components of the electric grid of the region to obtain an approximation of it, after computer simulations we made in order to obtain the behavior of the electric power system powered by these types of turbines. Finally the analysis of the effects produced by each type of machine, in the power flow and the voltage level of the grid operating in steady state, but considering the disturbances caused by changes in wind speed are made.

Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão, pelas próprias condições de funcionamento, sujeitos a perdas de energia e quedas nos níveis de tensão. Uma das formas de reduzir as perdas e ao mesmo tempo melhorar o perfil de tensão do SDEE consiste na utilização de bancos de capacitores e reguladores de tensão ao longo dos alimentadores. Para isto a alocação ótima destes equipamentos torna-se de fundamental importância, logo este trabalho tem por objetivo a utilização de um método quadrático de programação por metas multiobjetivo para a ótima alocação desses equipamentos visando a redução de perdas (meta 1) com o menor custo de investimento (meta 2) sujeito a restrições do fluxo de potência, limites técnicos de operação, mudança no controle dos capacitores chaveados e dos taps dos reguladores de tensão. O constante aumento na penetração da geração distribuída traz novos desafios para o controle e a operação dos SDEE. A metodologia proposta considera os efeitos destas fontes de geração e os seus impactos na alocações ótima dos bancos de capacitores e reguladores de tensão. Com o intuito de resolver o problema de otimização em programas comerciais como Gurobi e Cplex uma metodologia linear de cálculo de fluxo de potência é utilizada. Os algoritmos foram desenvolvidos no software Matlab, e posteriormente foi realizada a conversão para linguagem GAMS (Generic Algebraic Modeling System) para utilização dos solvers na plataforma NEOS (Network Enabled Optimization System). / Power distribution systems (DS) are susceptible to energy loss and voltage drops, mainly because of the way that they are operated and built. One way to minimize system loss and improve the voltage profile of DS is with the use of capacitor banks and voltage regulators (VRs) along the distribution feeders. In this scenario, the optimal placement of these devices becomes crucial. In this paper, a quadratic multi objective goal programming method is proposed to obtain the optimal placement of these devices, where the goals are energy loss (goal 1) and the total investment cost (goal 2). The model is subject to system operation constraints, such as power flow demands, limits of voltages and currents, number of stages of switched capacitors and the tap control of VRs. The increase of distributed generation penetration brings new challenges for control and operation of DS. The proposed methodology considers the effects of these power sources and their impact on optimal allocations of capacitors and VRs. With the aim of solving the optimization problem in commercial programs, a linear power flow is used. The algorithms were developed with Matlab software and the conversion was made to a General Algebraic Modeling System (GAMS) language and solved in the NEOS (Network Enabled Optimization System) platform.

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.

Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão, pelas próprias condições de funcionamento, sujeitos a perdas de energia e quedas nos níveis de tensão. Uma das formas de reduzir as perdas e ao mesmo tempo melhorar o perfil de tensão do SDEE consiste na utilização de bancos de capacitores e reguladores de tensão ao longo dos alimentadores. Para isto a alocação ótima destes equipamentos torna-se de fundamental importância, logo este trabalho tem por objetivo a utilização de um método quadrático de programação por metas multiobjetivo para a ótima alocação desses equipamentos visando a redução de perdas (meta 1) com o menor custo de investimento (meta 2) sujeito a restrições do fluxo de potência, limites técnicos de operação, mudança no controle dos capacitores chaveados e dos taps dos reguladores de tensão. O constante aumento na penetração da geração distribuída traz novos desafios para o controle e a operação dos SDEE. A metodologia proposta considera os efeitos destas fontes de geração e os seus impactos na alocações ótima dos bancos de capacitores e reguladores de tensão. Com o intuito de resolver o problema de otimização em programas comerciais como Gurobi e Cplex uma metodologia linear de cálculo de fluxo de potência é utilizada. Os algoritmos foram desenvolvidos no software Matlab, e posteriormente foi realizada a conversão para linguagem GAMS (Generic Algebraic Modeling System) para utilização dos solvers na plataforma NEOS (Network Enabled Optimization System). / Power distribution systems (DS) are susceptible to energy loss and voltage drops, mainly because of the way that they are operated and built. One way to minimize system loss and improve the voltage profile of DS is with the use of capacitor banks and voltage regulators (VRs) along the distribution feeders. In this scenario, the optimal placement of these devices becomes crucial. In this paper, a quadratic multi objective goal programming method is proposed to obtain the optimal placement of these devices, where the goals are energy loss (goal 1) and the total investment cost (goal 2). The model is subject to system operation constraints, such as power flow demands, limits of voltages and currents, number of stages of switched capacitors and the tap control of VRs. The increase of distributed generation penetration brings new challenges for control and operation of DS. The proposed methodology considers the effects of these power sources and their impact on optimal allocations of capacitors and VRs. With the aim of solving the optimization problem in commercial programs, a linear power flow is used. The algorithms were developed with Matlab software and the conversion was made to a General Algebraic Modeling System (GAMS) language and solved in the NEOS (Network Enabled Optimization System) platform.

A geração de energia elétrica com fontes renováveis está em aumento e uma das que tem maior crescimento é a eólica. A instalação das máquinas que aproveitam este recurso pode trazer alguns problemas para a rede elétrica devido à intermitência da velocidade do vento. O presente trabalho tem por objetivo analisar o comportamento de dois tipos de aerogeradores que utilizam gerador de indução e sua interação com o sistema elétrico de potência. Os aerogeradores assíncronos analisados são o de velocidade variável com gerador de indução duplamente alimentado (Doubly-Fed Induction Generator-DFIG) e o de velocidade fixa com gerador de indução de rotor de gaiola de esquilo (Squirrel Cage Induction Generator-SCIG). O caso de estudo está baseado no parque eólico Jepirachi na Colômbia, o qual na atualidade tem aerogeradores de velocidade fixa. Para isto inicialmente foi feita a modelagem do parque eólico considerando alguns parâmetros dos aerogeradores comerciais de velocidade variável e velocidade fixa, junto com os principais componentes da rede elétrica da região para obter uma aproximação da mesma. Posteriormente realizaram-se simulações computacionais para obter o comportamento do sistema elétrico de potência alimentado por estes tipos de aerogeradores. Finalmente, foi realizada uma análise dos efeitos que produzem cada tipo de máquina, no fluxo de potência e no nível de tensão da rede elétrica funcionando em regime permanente, considerando os distúrbios ocasionados pelas mudanças da velocidade do vento. / The generation of electricity from renewable sources is increasing, one of the largest growth is the wind power. However the installation of the machines that leverage this resource could bring some problems to the grid due to the intermittency of the wind speed. This work analyzes the behavior of variable speed wind turbines with Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) and fixed-speed wind turbines with Squirrel Cage Induction Generator (SCIG). The case study is based in Jepirachi wind farm in Colombia, that at the present has fixed-speed wind turbines with Squirrel Cage Induction Generator (SCIG). To do this study, initially the modeling of the wind farm considering some parameters of commercial wind turbines with variable speed and fixed speed, also modeling the main components of the electric grid of the region to obtain an approximation of it, after computer simulations we made in order to obtain the behavior of the electric power system powered by these types of turbines. Finally the analysis of the effects produced by each type of machine, in the power flow and the voltage level of the grid operating in steady state, but considering the disturbances caused by changes in wind speed are made.

Orientador: Prof. Dr. Júlio Carlos Teixeira / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / Neste trabalho, foi proposto um novo método para analisar o efeito da intermitência do vento em sistemas elétricos de potência. O método estocástico proposto baseia-se no fluxo de potência ótimo e em técnicas de análise de sensibilidade. Essas técnicas são aplicadas em uma ferramenta computacional capaz de alocar a energia intermitente com uma técnica de busca exaustiva com baixo tempo de computação. A metodologia foi aplicada nos sistemas de distribuição de 34 e 70 barras. Os resultados foram comparados com a alocação de energia fixa considerando a potência média associada a três condições distintas: à velocidade média do vento; ao fator de capacidade do gerador e à potência máxima do gerador. Estes resultados mostraram que um método estocástico que considera cada valor da velocidade do vento é necessário para determinar o barramento correto para alocar energia eólica intermitente. / In this work, a new method for analyzing the effect of the wind intermittency in electric power systems is proposed. The proposed stochastic method is based on the optimal power flow and sensitivity analysis techniques. These techniques are applied on a computational tool capable of allocating the intermittent energy with an exhaustive search technique with low computation time. The methodology was applied in the distribution systems of 34 and 70 buses. The results are compared with fixed power allocation considering the mean power of three different conditions: the average wind speed; the generator capacity factor and the maximum generator power. They showed that a stochastic method that considers each value of wind speed is necessary to determine the correct bus to allocate intermittent wind power.