Orientador: Dilson Amâncio Alves / Banca: Sergio Azevedo de Oliveira / Banca: Carlos Alberto Castro Júnior / Resumo: 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. / Abstract: 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. / Mestre

Orientador: Dilson Amancio Alves / Resumo: Neste trabalho, apresenta-se os resultados da análise comparativa da influência de formas alternativas de representação das barras PV nas características de convergência do método de Newton-Raphson considerando equações de injeção de corrente. O método proposto para a solução do problema de fluxo de potência é baseado em equações de injeção de corrente expressas em coordenadas retangulares. São apresentados também os resultados da comparação com outros métodos baseados em equações de injeção de potência expressas em coordenadas polares e retangulares, bem como com os baseados em injeção de corrente com formulação retangular, objeto principal do estudo. Nas análises de desempenho foram utilizados os sistemas testes do IEEE de 14, 30, 57, 118 e 300 barras, e duas configurações, uma de 638 e outra de 787 barras, do sistema Sul-Sudeste Brasileiro. Nas análises consideraram-se diferentes variações na relação R/X dos ramos e diferentes carregamentos. Os resultados obtidos demonstram que a forma proposta de representação das barras PV melhora a característica de convergência dos métodos de solução do problema de fluxo de potência baseado em equações de injeção de corrente. / Abstract: This paper presents the results of a comparative analysis of the influence of PV bus representation on the convergence characteristics of Newton-Raphson Current Injection method. The proposed method to solve the power flow problem is based on current injection equations written in rectangular coordinates. The results of comparison with other methods based on power injection equations expressed in polar and rectangular coordinates as well as those based on current injection with rectangular formulation, the main object of the study, are also presented. Performance analyzes were performed on the IEEE test systems 14, 30, 57, 118 and 300 buses, and two configurations, one of 638 and another of 787 buses, of the South-Southeast Brazilian system. Several R/X transmission line ratios and loading conditions were considered. The results show that the proposed PV bus representation improves the convergence characteristic of the power flow formulation based on current injection equations. / Mestre

<div>The electric power system of a deep space vehicle is mission-critical, and needs to operate autonomously because of high latency in communicating with ground-based mission control. Key tasks to be automated include managing loads under various physical constraints, continuously monitoring the system state to detect and locate faults, and efficiently responding to those faults. </div><div><br></div><div>This work focuses on three aspects for achieving autonomous, fault-tolerant operation in the dc power system of a spacecraft. First, a sequential procedure is proposed to estimate the node voltages and branch currents in the power system from erroneous sensor measurements. An optimal design for the sensor network is also put forth to enable reliable sensor fault detection and identification. Secondly, a machine-learning based approach that utilizes power-spectrum based features of the current signal is suggested to identify component faults in power electronic converters in the system. Finally, an optimization algorithm is set</div><div>forth that decides how to operate the power system under both normal and faulted conditions. Operational decisions include shedding loads, switching lines, and controlling battery charging. Results of case studies considering various faults in the system are presented.</div>

A power system will experience voltage collapse when the loads increase up to a certain critical limit, where the system physically cannot support the amount of connected load. This point identified as a Saddle- Node Bifurcation (SNB), corresponds to a generic instability of parameterized differential equation models and represents the intersection point where different branches of equilibria meet. At this point the jacobian matrix of the system is singular and the system loses stability bringing the typical scenario of voltage collapse. To prevent voltage instability and collapse, the computation of the closest distance from a present operating point to the saddle-node bifurcation set can be used as a loadability index useful in power system operation and planning. The power margin is determined by applying the iterative or direct method described in [16]. Numerical examples of both methods applied to IEEE 9-bus system and IEEE 39-bus system shows that the iterative method is more reliable although it requires a longer computation time. The stability of the system is negatively affected in two ways when generators reach their reactive power limits: the voltage stability margin is deteriorated, or immediate voltage instability and collapse is produced.

As Europe’s power production becomes increasingly reliant on intermittent renewable energy sources, uncertainties are likely to arise in power generation plans. Similarly, with the growing prevalence of electric vehicles, electric demand is also becoming more uncertain. These uncertainties in both production and demand can lead to challenges for European power systems. This thesis proposes the use of Monte-Carlo simulations to translate uncertainties in power generation and demand into uncertainties in the power grid. To integrate stochasticity in the forecasts, this thesis separates the multivariate probabilistic forecasting problem by first forecasting the marginal loads individually and probabilistically. Copula theory is then used to integrate spatial correlations and create realistic scenarios. These scenarios serve as inputs for Monte-Carlo simulations to estimate uncertainties in the power system. The methodology is tested using power injection data and the power system model of Switzerland. The results demonstrate that integrating stochasticity in forecasts improves the reliability of the power system. The proposed approach effectively models the uncertainty in both production and demand and provides valuable information for decision-making. / I takt med att Europas elproduktion blir alltmer beroende av intermittenta förnybara energikällor kommer det sannolikt att uppstå osäkerheter i planerna för elproduktion. På samma sätt blir efterfrågan på elektricitet mer osäker i takt med att elfordon blir allt vanligare. Dessa osäkerheter i både produktion och efterfrågan kan leda till utmaningar för de europeiska kraftsystemen. I denna avhandling föreslås att Monte-Carlo-simuleringar används för att omvandla osäkerheter i elproduktion och efterfrågan till osäkerheter i elnätet. För att integrera stokasticitet i prognoserna separerar denna avhandling det multivariata probabilistiska prognosproblemet genom att först individuellt och probabilistiskt prognostisera belastningar. Kopulateori används sedan för att integrera rumsliga korrelationer och skapa realistiska scenarier. Dessa scenarier tjänar som indata för Monte-Carlo-simuleringar för att uppskatta osäkerheterna i kraftsystemet. Metodiken testas med hjälp av data om inmatning av el och med hjälp av Schweiz kraftsystem. Resultaten visar att integrering av stokasticitet i prognoser förbättrar kraftsystemets tillförlitlighet. Den föreslagna metoden modellerar effektivt osäkerheten i både produktion och efterfrågan och ger värdefull information för beslutsfattandet.

[pt] Atualmente, o fenômeno de instabilidade de tensão representa uma das principais barreiras à operação estável das redes de energia elétrica, que tendem a crescer e a se tornarem cada vez mais interconectadas. A dificuldade de manter um perfil de tensão aceitável aumenta substancialmente e a estabilidade de tensão na operação dos sistemas elétricos deve ser preservada ao máximo, a fim de evitar os graves efeitos que a sua perda acarreta ao sistema. Esta dissertação atua na operação do sistema de energia elétrica, mais especificamente na área de operação em tempo real, onde é importante se conhecer a proximidade da condição operativa atual do sistema daquela que corresponde ao ponto crítico de estabilidade. Tal conhecimento permite que ações preventivas sejam realizadas no sentido de se evitar a instabilidade. O objetivo do trabalho é, a partir da comparação entre a margem sistêmica e a margem nodal, calculadas respectivamente pelo Fluxo de Potência Continuado e pelo método da Matriz D, determinar um critério para a margem de capacidade de carga, do ponto de vista de estabilidade de tensão, para a operação segura. No evento de cada contingência, calcula-se o maior crescimento de carga (margem), a partir do caso base, onde os índices nodais ainda são positivos. Define-se como margem mínima a menor dessas margens. A abordagem proposta foi avaliada através dos resultados obtidos com uma versão modificada do chamado sistema Nordic32. / [en] Currently, the phenomenon of voltage instability represents one of the main barriers to the stable operation of electric power networks, which tend to grow and become increasingly interconnected. The difficulty of maintaining an acceptable voltage profile increases substantially and the voltage stability in the operation of the electrical systems must be preserved to the maximum extent in order to avoid the serious effects that its loss entails on the system. This dissertation works in the operation of the electrical system, more specific in the area of operation in real time, where it is important to know the proximity of the operational condition of the current system that corresponds to the critical point of stability. Such knowledge allows preventive actions to be taken in order to avoid instability. The determination of appropriate margins for the various activities carried out in the electric power systems is not a trivial task, motivating the development of this dissertation. The objective of the work is from the comparison between a systemic margin and the nodal margin, calculated respectively by the Continued Power Flow and by the Matrix D method, to determine a criterion for the load capacity margin from the voltage stability point of view, for safe operation. In the event of each contingency, the largest growth (margin) is calculated from the base case, where the nodal indices are still positive. The smallest margin is defined as the minimum margin. The proposed approach was evaluated through the results obtained with a modified version of the so-called Nordic32 test system.

[pt] O cálculo do fluxo de potência em uma rede elétrica consiste em determinar o estado da rede, os fluxos e perdas elétricas nas linhas e as perdas internas totais no sistema. Nesse tipo de problema, a modelagem do sistema é estática e a rede é representada por um conjunto de equações e inequações algébricas. Diferentes métodos de solução foram propostos na literatura para realizar cálculos de fluxo de potência. No entanto, para redes de distribuição, esses métodos devem ser capazes de modelar, com detalhes suficientes, algumas características únicas desses sistemas, como sua estrutura quase radial, a natureza desequilibrada das cargas e a inserção de geradores distribuídos. Além disso, a modelagem do padrão de consumo nos sistemas de distribuição é mais complexa e os parâmetros das linhas são mais difíceis de serem obtidos, quando comparados com o sistema de transmissão. Portanto, a aplicação de métodos tradicionais para cálculos de fluxo de potência em redes de distribuição pode levar a soluções divergentes. Nesse contexto, o presente trabalho propõe uma nova abordagem para cálculos de fluxo de potência em sistemas de distribuição, baseada em Machine Learning. Os modelos propostos utilizam Redes Neurais Artificiais (RNAs) para prever as perdas ativas internas de uma rede de distribuição e os fluxos de potência nas fronteiras com o sistema de transmissão. Simulações numéricas demonstram o desempenho eficiente da abordagem proposta, além de suas vantagens computacionais em relação aos softwares normalmente utilizados nesse tipo de estudo pois, uma vez treinadas, as RNAs podem aproximar, de modo extremamente rápido, cálculos de fluxo de potência, já que apenas operações matriciais são realizadas. Além disso, o trabalho apresenta uma aplicação da metodologia proposta: as previsões, obtidas pela RNA, para os fluxos nas fronteiras com a rede de transmissão foram utilizadas para gerar contratos ótimos de demanda para um sistema de distribuição real no Brasil. / [en] The power flow calculation on an electric network consists of determining the network s state, power flows and electrical losses on the lines, and total losses on the feeder. In this type of problem, the system s modeling is static, and the network is represented by a set of algebraic equations and inequations. Different solution methods were proposed in the literature to perform power flow calculations. However, for distribution networks, these methods must be able to model, with sufficient details, some unique features of these systems, such as their near radial structure, the unbalanced nature of the loads, and distributed generators insertion. Besides that, modeling the consumption pattern in distribution systems is more complex, and the line parameters are more difficult to be obtained when compared to the transmission system. Hence, applying traditional methods for power flow calculations in distribution networks may lead to divergent solutions. Within this context, this work proposes a new approach for power flow calculations in distribution systems based on Machine Learning. The proposed models use Artificial Neural Networks (ANNs) to predict the active internal losses of a distribution network and the power flows at the borders with the transmission system. Numerical simulations demonstrate the effective performance of the proposed approach, as well as its computational advantages over benchmark software programs since, once trained, ANNs can approximate power flow calculations extremely fast, as only matrix operations are needed. Moreover, the work presents an application of the ANN methodology proposed: predictions of the flows at the borders with the transmission network were used to generate optimal demand contracts for a real distribution system in Brazil.

[pt] Com os sistemas elétricos cada vez mais sobrecarregados em virtude do aumento do consumo de energia elétrica e das restrições ambientais e econômicas, a avaliação das condições de estabilidade de tensão é cada vez mais necessária para os estudos de planejamento e na operação. Nesse contexto, os métodos para a avaliação do carregamento da rede auxiliam na compreensão do funcionamento dos sistemas em condições anormais. Para os diferentes tipos de rede, foram deduzidos os índices de avaliação da estabilidade de tensão para carregamentos selecionados, que indicam a região de operação nas curvas (Fator de Potência) constante no plano SV, para cada barra do sistema. Este trabalho tem por objetivo comparar e analisar os resultados obtidos para determinar o ponto de máximo carregamento entre o método do Fluxo de Potência Continuado e o método da Matriz D para diferentes tipos de sistemas teste. / [en] As electrical systems increasingly overloaded due to increased electricity consumption and environmental and economic constraints, the assessment of voltage stability conditions is increasingly needed for planning and operation studies. In this context, the methods for evaluating the load of the network help to understand the system operations under abnormal conditions. For different types of network, the evaluation indices of voltage stability for selected loads were deduced. These indices indicate the operating region in the curves constant in SV plane for each system bar. This study aims to compare and analyze the results obtained to determine the maximum load point between the Continuous Power Flow method and the Matrix D method for different types of test systems.

The power grid is a complex system that requires detailed planning and operation of the power sources. As renewable resources are increasing their share of the power mix, there are new criterion and aspects to take into account. Renewable resources such as wind and solar power are intermittent and challenge the planning and operation further. Simultaneously, the power demand increases and will continue to increase in the future. As the power resources and demand are changing in the power system, the power grid needs to adapt and be more flexible. A flexibility tool for the power system is Dynamic Rating which can dynamically increase the capacity in the power grid components depending on the environmental conditions. This can enable for higher transmission in overhead lines which facilitates the operation planning of power units. Dynamic rating can be applied to various power system components, but the focus in this project is Dynamic Line Rating (DLR). It is interesting to study the implementation of dynamic rating in the realtime market. The real-time market optimal power flow can be done in singleinterval or multi-interval. In this project, dynamic rating is implemented into multi-interval real-time market optimal power flow to investigate the effect on the generation costs. The results indicate that DLR can reduce the generation costs in power grids that are sometimes congested. / Kraftnätet är ett komplext system som kräver detaljerad planering och verksamhet av energikällor. Allt eftersom andelen förnybara energikällor ökar tillkommer nya aspekter att ta hänsyn till. Förnybara energikällor såsom vindkraft och solenergi har en mer ojämn produktion då de är beroende av vädret, vilket utmanar drift och planering av elproduktion mer än tidigare samtidigt som elbehovet ökar och kommer att fortsätta öka i framtiden. Det växande elbehovet och utökningen av förnybara energikällor kräver att elnätet kan anpassas och vara flexibelt. Ett sätt att öka flexibiliteten är att värdera kapaciten i transmissionsledningar dynamiskt (DLR) istället för statiskt där kapaciteten beräknas efter värsta tänkbara scenario. Dynamisk värdering kan därför möjliggöra högre kraftöverföring i ledningarna under gynsamma väderförhållanden vilket underlättar driften och planeringen av kraftkomponenterna. I detta examensarbete studeras dynamisk värdering av transmissionsledningar i realtidselmarknaden med flera intervall (MIRTM) där driftplaneringen optimeras så att driftkostnaderna minimeras under bivillor för kraftsystemet. Målet är att undersöka hur driftkostnaderna påverkas då bivillkoret för kraftflödet i transmissionsledningarna är mer flexibelt med DLR. Resultaten från detta projekt visar att DLR kan minska kostnaderna i elnät som är överbelastade.

[pt] A sazonalidade das fontes de geração de energia impacta as etapas de operação e planejamento do setor elétrico, pois provocam, dentre outros, variações de perfil de geração ao longo do ano. Diferentes tipos de usinas, como as hidráulicas, eólicas e térmicas à biomassa, têm sua disponibilidade afetada por causa do regime de chuvas, da intensidade dos ventos ou dos períodos de safra, respectivamente. Nessa dissertação, conduz-se um estudo sobre o impacto da sazonalidade hídrica na precisão de equivalentes de redes, por meio de fluxo de potência probabilístico via simulação Monte Carlo. As redes reduzidas são amplamente empregadas em estudos de planejamento da operação e da expansão do sistema elétrico. Uma das vantagens em sua adoção é a possibilidade de realizar um elevado número de simulações, com menor exigência computacional. A precisão dos equivalentes, nessa dissertação, é quantificada, considerando incertezas na demanda, variação de perfil de geração e a ocorrência de contingências de elementos de transmissão. São avaliados três métodos de redução de redes, em dois ambientes de simulação: cronológico e não cronológico. O primeiro tem o objetivo de analisar o impacto da utilização de um equivalente, obtido a partir da configuração típica de um mês especifico, nos demais meses do ano. O segundo visa comparar as diferentes metodologias de redução de rede diante de variações no ponto de redução, como contingências na transmissão. Os estudos são realizados com os sistemas IEEE 24 barras e IEEE 118 barras. Os equivalentes são elaborados com o software Organon e avaliados em MATLAB. Os resultados das simulações são amplamente discutidos e ressalta-se a importância do uso da rede reduzida adequada para garantia de resultados coerentes. / [en] The seasonality of energy generation sources impacts the operation and planning stages of the electricity sector, as they cause variations in the generation profile throughout the year. Different types of plants, such as hydraulic, wind, and biomass thermal plants, have their availability impacted due to the rainfall regime, the intensity of the winds, or the harvest periods, respectively. In this dissertation, a study is conducted on the impact of hydrological seasonality on the accuracy of network equivalents through probabilistic power flow via Monte Carlo simulation. Reduced networks are widely used in planning studies to operate and expand the electrical system. One of the advantages of its adoption is the possibility of performing a high number of simulations with less computational demand. The precision of the equivalents in this dissertation is quantified, considering the uncertainties in demand, variation of the generation profile, and the occurrence of contingencies of transmission elements. Three network reduction methods are considered in two simulation environments: chronological and non-chronological. The first is to analyze the impact of using an equivalent obtained from the typical configuration of a specific month in the other months of the year. The second aims to compare the different network reduction methodologies in the face of variations in the reduction point, such as transmission contingencies. The studies are carried out with the IEEE 24 bus and IEEE 118 bus systems. The equivalents are created with the Organon software and evaluated in MATLAB. The simulation results are widely discussed, highlighting the importance of using the reduced network to guarantee consistent results.