This diploma thesis is based on an analysis of knowledge of inhabitants within the emergency planning zone of operations, security and behaviour in case of an accident in the Temelín Nuclear Power Plant (TNPP). Operation a nuclear equipment in connected with certain risks which can´t be utterly eliminated. From this reason, security precautions are made, which are based on an accident preparedness, or on emergency plans. Emergency planning serves to a preparedness for non-standard or emergency situations for an area which is called an emergency planning zone. The emergency preparedness, not only within this zone, has a key role for a successful performance of inhabitants´ protection in case of an emergency event. The concept of emergency preparedness includes both the emergency planning and inhabitants´ awareness and knowledge of operations, risks and following precautions in case of an accident in TNPP. The aim of this diploma thesis is to inquire about "What is knowledge of inhabitants within an emergency planning zone of the Temelín Nuclear Power Plant operations?" The theoretical part is based on consulting the employees of ČEZ Ltd. Who work in the Temelín Nuclear Power Plant as well as on a study of professional literature, articles and related legislation. The practical part is based on a questionnaire survey and it is divided into three parts: operations, risks, security, knowledge and behaviour during an accident. The results revealed some margins in respondents´ knowledge concerning issues of operations as well as knowledge and behaviour during an accident. A positive evaluation concerns respondents´ knowledge of used nuclear fuel, the meaning of containment building and the procedures in case of evacuation. On the other hand, the respondents showed insufficient knowledge of the function of a reactor, what barriers are between the active zone and environment and when to use iodine prophylaxis. I consider the present status of inhabitants´ knowledge of TNPP operations insufficient and I propose some improvements. It is important to focus on inhabitants older than 50 years, whose lack of knowledge is even alarming.

A importância da geração de energia elétrica hidráulica, dentro dos requisitos de qualidade e fornecimento com índices de confiabilidade cada vez mais exigentes, tem se tornada acentuada, principalmente em atendimento às necessidades de consumo em todas as áreas de atividades produtivas. Têm-se notado que as tecnologias desenvolvidas aliadas às mudanças socioeconômicas trouxeram uma evolução e reestruturação, tanto no setor industrial produtivo como no setor elétrico (concessionárias de energia elétrica e fornecedores de sistemas e equipamentos para usinas hidrelétricas e subestações), com aumento significativo da especialização e da complexidade da automação dos processos envolvidos, onde falhas são consideradas inaceitáveis. Em consequência, têm-se exigido soluções técnicas eficazes e com investimentos reduzidos. Desta forma, a Automação Elétrica, que faz parte dos sistemas de Comando, Controle, Comunicação e Informação altamente integrados (C3I), têm demonstrado uma participação fundamental no atual cenário deste segmento. Então, de maneira a tratar adequadamente esta complexidade, tornar as soluções técnicas cada vez mais seguras e facilitar o estudo e projeto de novos sistemas de controle nesta área, este trabalho apresenta uma metodologia para modelagem e análise de Sistemas de Controle envolvidos na geração hidráulica de energia elétrica. Este trabalho tem como principais desenvolvimentos: uma metodologia que envolve a teoria de controle de SDED juntamente com conceitos e pesquisas na área de Engenharia de Software e um formalismo em Rede de Petri Interpretada por Sinais (RPIS) em conjunto com o paradigma de Orientação a Objetos (OO), representado pela proposta de uma nova RP, a RPIS_OO (Rede de Petri Interpretada por Sinais Orientada a Objetos). Destarte, espera-se que a metodologia e a nova RP propostas nesta tese contribuam na especificação e construção dos algoritmos de controle dos sistemas que participam na automação da geração de energia elétrica hidráulica, como também, no aprimoramento de novas abordagens para o desenvolvimento de sistemas de automação elétrica, representando atualmente o estado da arte nesta área. / The importance of hydroelectric power generation, considering the increasingly demanding supply and quality requirements, has become more pronounced especially seeing the great consumption needs on all productive areas. It\'s noticeable that technology developed with socioeconomic changes have brought evolution and a restructuring both in the industrial and electrical sector (electric companies and power plant equipment manufacturers), with a notable increase in specialization and complexity of the automation of these activities, where faults are considered unacceptable. A demand for more efficient technical solutions and reduced investments has therefore increased greatly. Electrical automation technology as part of highly integrated command, control, communication and information (C3I) systems has demonstrated a crucial involvement in the context of this segment. In order to handle this evolving complexity, creating more secure technical solutions and further research and development of new control systems for this sector, this work introduces a new methodology for modeling and analysis of power plant control systems. A methodology involving the theory of Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) and concepts of Software Engineering is presented, as well as a new formalism based on Signal Interpreted Petri Nets (SIPN) together with Object-Oriented Paradigm (OOP) named Object-Oriented Signal Interpreted Petri Nets (OOSIPN). The intention is that methodology proposed in this thesis contributes to the correct specification and construction of control algorithms for power plant control systems, as well as the state of the art in this research area in the form of a new approach to development of such automation systems.

A Análise de Ciclo de Vida (ACV) tem se mostrado uma importante ferramenta de avaliação ambiental, devido à seu enfoque “sobre função", que permite considerar o desempenho ambiental de produtos, procedimento cada vez mais requerido por diversos atores sociais. Para que a ACV possa ser utilizada de modo amplo e confiável, faz-se necessário que se desenvolvam bases de dados regionalizadas, contendo Inventários de Ciclo de Vida (ICV) dos principais insumos usados pela sociedade- energia, matérias- primas,etc. O presente trabalho faz parte de uma projeto conduzido pelo GP2- Grupo de Prevenção da Poluição, da Escola Politécnica/ USP, de disponibilização de bases brasileiras para ACV, sendo dedicado especificamente à geração de eletricidade. Para permitir sua realização no âmbito de uma dissertação de mestrado, adotou-se como simplificação a geração de eletricidade na usina hidrelétrica de Itaipu, responsável em 2000 por 22,4% da eletricidade consumida no país. Para construir o ICV realizou-se uma revisão bibliográfica sobre o uso da ACV em hidrelétricas, estabelecendo recomendações gerais. A seguir, estudou-se Itaipu quanto à sua obra civil e consumo de insumos na construção e operação por 100 anos, obtendo ao final um ICV com os aspectos ambientais mais significativos em termos da energia gerada (MWh). Neste contexto as fronteiras estabelecidas incluem: escavações e obras de terra; instalação e operação do canteiro de obras; transporte dos operários e de cimento, cinzas, aço estrutural e diesel para a obra; ciclo de vida do aço, cobre, cimento, diesel, óleos lubrificante e de transformador usados na barragem e equipamentos permanentes (considerando inclusive manutenção e substituição); e enchimento do reservatório. Com a discussão dos resultados pode-se demonstrar, além da importância do uso de dados homogêneos, que o ICV é extremamente sensível ao horizonte de análise (na verdade à energia gerada), o que confirma que a construção é a principal origem dos aspectos ambientais significativos. Outra conclusão é que cada hidrelétrica constitui um caso particular, não sendo possível atribuir valores típicos. No entanto, há indícios de que Itaipu, por seu alto fator de capacidade e potência instalada, possua um desempenho ambiental acima da média das hidrelétricas, principalmente no que se refere ao tempo de retorno da energia investida. As estimativas indicam que os processos que mais contribuem aos aspectos ambientais de hidrelétricas sejam: enchimento do reservatório; ciclo de vida do cimento e aço, e operação das máquinas de construção. As etapas de transporte parecem não ser de relevância, ao contrário do consumo de aço nos equipamentos permanentes. Em comparação com a geração termelétrica, as emissões atmosféricas e consumo de água do ciclo de vida de Itaipu se mostraram significativamente menores. No entanto há que se considerar que esta comparação se restringiu a estes aspectos. Ao final, conclui-se que resultados mais precisos sobre aspectos e processos de maior prioridade dependem da condução da etapa de Avaliação de Impactos da ACV, e portanto não se deve utilizar os resultados desta análise de inventário como único critério para tomada de decisões em planejamento energético. / The Life Cycle Assessment (LCA) has been proven to be an important environmental assessment tool, mainly due to its “focus on function", which allows the consideration of the environmental performance of products, itself a proceeding that has been more and more requested by different social actors. However, for LCA to be widely and trustfully used, the development of local data bases containing Life Cycle Inventories (LCI) of the most used inputs (energy, raw materials, etc.) is necessary. The present thesis is part of a project conducted by GP2- Group of Pollution Prevention - Escola Politécnica/ USP, which aims to develop and make available a Brazilian LCA data base. Specifically, it focuses electricity generation. In order to allow this project to be concluded in a masters degree context, it was adopted as a simplification the electricity generation in Itaipu Hydropower Plant, responsible for 22,4% of Brazilian consumption in 2000. As a first step towards the elaboration of the LCI, a review on LCA use on hydropower plants was conducted, establishing general recommendations. On the following, Itaipu project was studied concerning its initial civil works and the materials consumption on construction and operation within a 100 year period, obtaining as a result a LCI with the most significant environmental burdens in terms of generated energy (MWh). The system boundaries on this context includes: excavations and other earthen works; building site installation and operation; transportation of: workers, cement, ashes, structural steel and diesel; life cycle of steel, copper, cement, diesel, lubricant oil and transformer oil used on the dam and permanent equipment; (including maintenance and substitution); and reservoir filling. The results demonstrate, besides the importance of data homogeneity, that the LCI is extremely sensitive to the considered lifetime, which confirms that the construction phase is the main source of environmental burdens. Another important conclusion is that each hydropower plant is a particular case, and it is not possible to establish typical values for the environmental burdens. However there is an indication that Itaipu has a better environmental performance than other plants, mainly on respect to the energy pay back period, due to its high capacity factor and installed power. According to the estimates, the process which most contributes to the environmental burdens of hydropower plants life cycle are: reservoir filling; steel and cement life cycle; and operation of construction machines. Transport activities are of no relevance, however the steel consumption on permanent equipment is. Compared to thermal power, hydropower life cycle air emissions and water consumption are shown to be significantly lower. This comparison indeed is restricted only to this burdens. Finally, recommendations are presented, in the spirit of refining boundaries in the following studies, and the objectives attained are commented. It should be highlighted that all hypothesis and calculations are located in the Annex volume, being just referenced on the main text.

Sistemas de transmissão de energia elétrica em corrente contínua e alta tensão baseados em tecnologia de conversores a fonte de tensão (VSC-HVDC), ao contrário de linhas de transmissão em corrente alternada, operam como elementos de controle de variáveis elétricas, podendo ser úteis na estabilidade do sistema de potência. Mas apesar desta vantagem, sistemas VSC-HVDC possuem limitações no desempenho estável, o que enseja o desenvolvimento de uma metodologia para mapeamento de suas zonas de operação estável e possíveis regiões de instabilidade. Inicialmente estudou-se os detalhes da tecnologia VSC-HVDC tais como o funcionamento da eletrônica de potência e estratégias de controle utilizadas. Em seguida, investigou-se os modelos de geradores síncronos para interconexão com o lado CA das estações conversoras do VSC-HVDC. E, finalmente, aplicou-se a tecnologia VSC-HVDC sobre um modelo de sistema de potência com uma estação conversora localizada em um porto offshore e uma outra no continente, próxima à rede de alta tensão em corrente alternada. Simulações e análise deste sistema foram executadas considerando várias condições operacionais. O gráfico de potência gerada e consumida, obtido pela aplicação da metodologia, apresenta grande potencial de uso prático como por exemplo sua implementação na interface homem-máquina da estação de operação do porto offshore, provendo informação em tempo real de alto nível ao operador do sistema elétrico do porto offshore e consequentemente aumentando sua consciência situacional quanto a proximidade dos limites de instabilidade. / High voltage direct current power transmission systems based on voltage source converters (VSC-HVDC), as opposed to alternating current ones, operates as elements of control of electrical variables, being useful for stability of power system. Besides this advantage, VSC-HVDC systems have limitations in stable performance, which instigates the development of a methodology for mapping its operational zones of stability and possible regions of instability. The author initially studied the details of the VSC-HVDC technology such as the power electronic principles and the control strategies used on this research. Subsequently, the author investigated synchronous generator models for interconnection on the AC side of the VSC-HVDC converter stations. Finally, the author applied the VSC-HVDC technology on a model of power system with two converter stations, one located on an offshore port and the other on the shore, next to an alternating current high voltage power grid. Simulations and analysis of this system were carried out considering various operational conditions. The graphic of generated and consumed power on offshore port, obtained by the application of the methodology for mapping operational zones, presents a great potential of being implemented in the man-machine interface of an operation workstation, thus providing high level online information for the operator of the offshore port electrical system and consequently improving its situational awareness of the proximity to instability limits.

A Análise de Ciclo de Vida (ACV) tem se mostrado uma importante ferramenta de avaliação ambiental, devido à seu enfoque “sobre função”, que permite considerar o desempenho ambiental de produtos, procedimento cada vez mais requerido por diversos atores sociais. Para que a ACV possa ser utilizada de modo amplo e confiável, faz-se necessário que se desenvolvam bases de dados regionalizadas, contendo Inventários de Ciclo de Vida (ICV) dos principais insumos usados pela sociedade- energia, matérias- primas,etc. O presente trabalho faz parte de uma projeto conduzido pelo GP2- Grupo de Prevenção da Poluição, da Escola Politécnica/ USP, de disponibilização de bases brasileiras para ACV, sendo dedicado especificamente à geração de eletricidade. Para permitir sua realização no âmbito de uma dissertação de mestrado, adotou-se como simplificação a geração de eletricidade na usina hidrelétrica de Itaipu, responsável em 2000 por 22,4% da eletricidade consumida no país. Para construir o ICV realizou-se uma revisão bibliográfica sobre o uso da ACV em hidrelétricas, estabelecendo recomendações gerais. A seguir, estudou-se Itaipu quanto à sua obra civil e consumo de insumos na construção e operação por 100 anos, obtendo ao final um ICV com os aspectos ambientais mais significativos em termos da energia gerada (MWh). Neste contexto as fronteiras estabelecidas incluem: escavações e obras de terra; instalação e operação do canteiro de obras; transporte dos operários e de cimento, cinzas, aço estrutural e diesel para a obra; ciclo de vida do aço, cobre, cimento, diesel, óleos lubrificante e de transformador usados na barragem e equipamentos permanentes (considerando inclusive manutenção e substituição); e enchimento do reservatório. Com a discussão dos resultados pode-se demonstrar, além da importância do uso de dados homogêneos, que o ICV é extremamente sensível ao horizonte de análise (na verdade à energia gerada), o que confirma que a construção é a principal origem dos aspectos ambientais significativos. Outra conclusão é que cada hidrelétrica constitui um caso particular, não sendo possível atribuir valores típicos. No entanto, há indícios de que Itaipu, por seu alto fator de capacidade e potência instalada, possua um desempenho ambiental acima da média das hidrelétricas, principalmente no que se refere ao tempo de retorno da energia investida. As estimativas indicam que os processos que mais contribuem aos aspectos ambientais de hidrelétricas sejam: enchimento do reservatório; ciclo de vida do cimento e aço, e operação das máquinas de construção. As etapas de transporte parecem não ser de relevância, ao contrário do consumo de aço nos equipamentos permanentes. Em comparação com a geração termelétrica, as emissões atmosféricas e consumo de água do ciclo de vida de Itaipu se mostraram significativamente menores. No entanto há que se considerar que esta comparação se restringiu a estes aspectos. Ao final, conclui-se que resultados mais precisos sobre aspectos e processos de maior prioridade dependem da condução da etapa de Avaliação de Impactos da ACV, e portanto não se deve utilizar os resultados desta análise de inventário como único critério para tomada de decisões em planejamento energético. / The Life Cycle Assessment (LCA) has been proven to be an important environmental assessment tool, mainly due to its “focus on function”, which allows the consideration of the environmental performance of products, itself a proceeding that has been more and more requested by different social actors. However, for LCA to be widely and trustfully used, the development of local data bases containing Life Cycle Inventories (LCI) of the most used inputs (energy, raw materials, etc.) is necessary. The present thesis is part of a project conducted by GP2- Group of Pollution Prevention - Escola Politécnica/ USP, which aims to develop and make available a Brazilian LCA data base. Specifically, it focuses electricity generation. In order to allow this project to be concluded in a masters degree context, it was adopted as a simplification the electricity generation in Itaipu Hydropower Plant, responsible for 22,4% of Brazilian consumption in 2000. As a first step towards the elaboration of the LCI, a review on LCA use on hydropower plants was conducted, establishing general recommendations. On the following, Itaipu project was studied concerning its initial civil works and the materials consumption on construction and operation within a 100 year period, obtaining as a result a LCI with the most significant environmental burdens in terms of generated energy (MWh). The system boundaries on this context includes: excavations and other earthen works; building site installation and operation; transportation of: workers, cement, ashes, structural steel and diesel; life cycle of steel, copper, cement, diesel, lubricant oil and transformer oil used on the dam and permanent equipment; (including maintenance and substitution); and reservoir filling. The results demonstrate, besides the importance of data homogeneity, that the LCI is extremely sensitive to the considered lifetime, which confirms that the construction phase is the main source of environmental burdens. Another important conclusion is that each hydropower plant is a particular case, and it is not possible to establish typical values for the environmental burdens. However there is an indication that Itaipu has a better environmental performance than other plants, mainly on respect to the energy pay back period, due to its high capacity factor and installed power. According to the estimates, the process which most contributes to the environmental burdens of hydropower plants life cycle are: reservoir filling; steel and cement life cycle; and operation of construction machines. Transport activities are of no relevance, however the steel consumption on permanent equipment is. Compared to thermal power, hydropower life cycle air emissions and water consumption are shown to be significantly lower. This comparison indeed is restricted only to this burdens. Finally, recommendations are presented, in the spirit of refining boundaries in the following studies, and the objectives attained are commented. It should be highlighted that all hypothesis and calculations are located in the Annex volume, being just referenced on the main text.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne le développement d’un système de stockage thermique par chaleur latente pour les centrales solaires à concentration utilisant la génération directe de vapeur, et s’attache plus particulièrement la sélection et l’étude du matériau à changement de phase (MCP). Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique (STARS) porté par le consortium composé d’AREVA Renouvelables, la société Hamon d’Hondt, l’institut CEA liten et les laboratoires IPNO, LPCS et LaTEP. Ce projet est accompagné par l’ADEME dans le cadre du programme énergies décarbonnées des investissements d’avenir.Le premier chapitre de ce manuscrit situe le contexte de l’étude en dressant un état de l’art des différents systèmes solaires à concentration existants et des différents moyens de stocker l’énergie pour ce type de technologie. Le projet STARS est ensuite présenté. Ce chapitre se termine par un descriptif des objectifs du travail de thèse. L’intégralité du processus de sélection du MCP, incluant le recensement des matériaux dans la littérature, la définition des critères de sélection et la caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage des candidats les plus pertinents, est détaillée dans le chapitre II. À l’issue de ce travail, le choix du consortium se porte sur le nitrate de sodium, un sel inorganique possédant une température de fusion adaptée à la technologie d’AREVA et une densité de stockage importante. La poursuite de l’étude, concernant la stabilité thermique du MCP durant son utilisation en conditions industrielles, fait l’objet du chapitre III. Cette étude comporte une partie bibliographique permettant de mettre en évidence les problématiques liées à la dégradation thermique du matériau et à son comportement vis-à-vis des matériaux métalliques avec lesquels il sera amené à être en contact (échangeur de chaleur, cuve de stockage). La principale conséquence des phénomènes mis en évidence étant la réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium, l’étude de l’impact du taux de nitrite de sodium sur les propriétés thermiques du MCP a été réalisée. Les résultats de cette campagne expérimentale ont montré une diminution significative de la température de fusion et de la chaleur latente du MCP lorsque la proportion de nitrite de sodium croît. Afin d’étudier l’évolution de composition du MCP dans des conditions réelles de fonctionnement, un dispositif a été conçu spécifiquement pour reproduire des conditions de cyclage thermique en présence de métaux. L’étude menée à l’aide de ce dispositif a permis d’analyser la cinétique de réduction du nitrate de sodium en nitrite de sodium. Les résultats montrent que l’évolution de composition du MCP dans les conditions opératoires du projet est négligeable, garantissant la stabilité des propriétés thermiques de celui-ci au cours de son utilisation.Enfin, le dernier chapitre est consacré à l’étude de l’amélioration des transferts thermiques au sein du MCP. En effet, le nitrate de sodium possède une conductivité thermique faible, pouvant limiter la puissance des échanges de chaleur dans le système de stockage. En premier lieu, un état de l’art des solutions d’intensification des transferts dans le domaine du stockage par chaleur latente est dressé. Ce travail a permis de mettre en évidence que l’utilisation de composites à base de mousses métalliques constitue une voie pertinente d’amélioration des transferts. Ainsi une campagne expérimentale visant à évaluer les performances de tels composites a permis de mettre en évidence le potentiel de ce type de configuration. / The work presented in this manuscript concerns the development of a latent heat thermal energy storage system adapted to concentrated solar power plant using direct steam generation, and more particularly on the selection and the study of the Phase Change Material (PCM) used in this system. This thesis was performed within the framework of the STARS project (Stockage Thermique Appliqué à l’extension de pRoduction d’énergie Solaire thermodynamique) carried by the consortium of AREVA Renouvelables, Hamon d’Hondt company, CEA institute liten and laboratories IPNO, LPCS and LaTEP. This project is accompanied by ADEME under the énergies décarbonnées des investissements d’avenir program. The first chapter of this manuscript sets up the context of this study by drawing a state of art of different existing CSP technologies and various ways to store energy for this kind of systems. The STARS project is then described. This chapter ends with a description of the thesis objectives. The entire PCM selection process, including identification of materials in literature, definition of various criteria and thermal characterization by differential scanning calorimetry (DSC) of the most relevant candidates, is detailed in chapter II. This work leads to the selection of sodium nitrate by the consortium, an inorganic salt with a suitable melting temperature considering AREVA’s technology and a large storage density. The following work, concerning the thermal stability of the PCM under thermal cycling, is then presented in chapter III. This part includes a bibliographic study allowing to highlight issues related to thermal degradation of the PCM and its behavior regarding to metallic material with which it will have to be in contact (heat exchanger, storage tank). The main consequence of these phenomena is the reduction of sodium nitrate into sodium nitrite, and thus the impact of sodium nitrite fraction on the thermal properties of the PCM was studied. The results of this experimental work shows a significant reduction of the melting temperature and the latent heat as the fraction in sodium nitrite increases. To study the evolution of the PCM composition under real operating situation, a specific device was designed to replicate thermal cycling conditions in the presence of metals. This device was used to analyze the kinetics of reducing sodium nitrate into sodium nitrite. The results show that the changes in composition of the PCM in the project’s operating conditions are negligible, ensuring the stability of its thermal properties during its lifetime. The last chapter is devoted to the improvement of heat transfers within the PCM. Indeed, sodium nitrate has a low thermal conductivity which may limit the power of the heat exchange in the storage system. A state of art of available solutions for the intensification of thermal transfers concerning latent heat storage was done. This study highlighted that the use of composites based on metallic foams constitutes an effective way of improvement. Thus an experimental campaign was conducted to evaluate the performances of such composites, allowing to show the potential of this kind of configuration.

Sistemas de transmissão de energia elétrica em corrente contínua e alta tensão baseados em tecnologia de conversores a fonte de tensão (VSC-HVDC), ao contrário de linhas de transmissão em corrente alternada, operam como elementos de controle de variáveis elétricas, podendo ser úteis na estabilidade do sistema de potência. Mas apesar desta vantagem, sistemas VSC-HVDC possuem limitações no desempenho estável, o que enseja o desenvolvimento de uma metodologia para mapeamento de suas zonas de operação estável e possíveis regiões de instabilidade. Inicialmente estudou-se os detalhes da tecnologia VSC-HVDC tais como o funcionamento da eletrônica de potência e estratégias de controle utilizadas. Em seguida, investigou-se os modelos de geradores síncronos para interconexão com o lado CA das estações conversoras do VSC-HVDC. E, finalmente, aplicou-se a tecnologia VSC-HVDC sobre um modelo de sistema de potência com uma estação conversora localizada em um porto offshore e uma outra no continente, próxima à rede de alta tensão em corrente alternada. Simulações e análise deste sistema foram executadas considerando várias condições operacionais. O gráfico de potência gerada e consumida, obtido pela aplicação da metodologia, apresenta grande potencial de uso prático como por exemplo sua implementação na interface homem-máquina da estação de operação do porto offshore, provendo informação em tempo real de alto nível ao operador do sistema elétrico do porto offshore e consequentemente aumentando sua consciência situacional quanto a proximidade dos limites de instabilidade. / High voltage direct current power transmission systems based on voltage source converters (VSC-HVDC), as opposed to alternating current ones, operates as elements of control of electrical variables, being useful for stability of power system. Besides this advantage, VSC-HVDC systems have limitations in stable performance, which instigates the development of a methodology for mapping its operational zones of stability and possible regions of instability. The author initially studied the details of the VSC-HVDC technology such as the power electronic principles and the control strategies used on this research. Subsequently, the author investigated synchronous generator models for interconnection on the AC side of the VSC-HVDC converter stations. Finally, the author applied the VSC-HVDC technology on a model of power system with two converter stations, one located on an offshore port and the other on the shore, next to an alternating current high voltage power grid. Simulations and analysis of this system were carried out considering various operational conditions. The graphic of generated and consumed power on offshore port, obtained by the application of the methodology for mapping operational zones, presents a great potential of being implemented in the man-machine interface of an operation workstation, thus providing high level online information for the operator of the offshore port electrical system and consequently improving its situational awareness of the proximity to instability limits.

A importância da geração de energia elétrica hidráulica, dentro dos requisitos de qualidade e fornecimento com índices de confiabilidade cada vez mais exigentes, tem se tornada acentuada, principalmente em atendimento às necessidades de consumo em todas as áreas de atividades produtivas. Têm-se notado que as tecnologias desenvolvidas aliadas às mudanças socioeconômicas trouxeram uma evolução e reestruturação, tanto no setor industrial produtivo como no setor elétrico (concessionárias de energia elétrica e fornecedores de sistemas e equipamentos para usinas hidrelétricas e subestações), com aumento significativo da especialização e da complexidade da automação dos processos envolvidos, onde falhas são consideradas inaceitáveis. Em consequência, têm-se exigido soluções técnicas eficazes e com investimentos reduzidos. Desta forma, a Automação Elétrica, que faz parte dos sistemas de Comando, Controle, Comunicação e Informação altamente integrados (C3I), têm demonstrado uma participação fundamental no atual cenário deste segmento. Então, de maneira a tratar adequadamente esta complexidade, tornar as soluções técnicas cada vez mais seguras e facilitar o estudo e projeto de novos sistemas de controle nesta área, este trabalho apresenta uma metodologia para modelagem e análise de Sistemas de Controle envolvidos na geração hidráulica de energia elétrica. Este trabalho tem como principais desenvolvimentos: uma metodologia que envolve a teoria de controle de SDED juntamente com conceitos e pesquisas na área de Engenharia de Software e um formalismo em Rede de Petri Interpretada por Sinais (RPIS) em conjunto com o paradigma de Orientação a Objetos (OO), representado pela proposta de uma nova RP, a RPIS_OO (Rede de Petri Interpretada por Sinais Orientada a Objetos). Destarte, espera-se que a metodologia e a nova RP propostas nesta tese contribuam na especificação e construção dos algoritmos de controle dos sistemas que participam na automação da geração de energia elétrica hidráulica, como também, no aprimoramento de novas abordagens para o desenvolvimento de sistemas de automação elétrica, representando atualmente o estado da arte nesta área. / The importance of hydroelectric power generation, considering the increasingly demanding supply and quality requirements, has become more pronounced especially seeing the great consumption needs on all productive areas. It\'s noticeable that technology developed with socioeconomic changes have brought evolution and a restructuring both in the industrial and electrical sector (electric companies and power plant equipment manufacturers), with a notable increase in specialization and complexity of the automation of these activities, where faults are considered unacceptable. A demand for more efficient technical solutions and reduced investments has therefore increased greatly. Electrical automation technology as part of highly integrated command, control, communication and information (C3I) systems has demonstrated a crucial involvement in the context of this segment. In order to handle this evolving complexity, creating more secure technical solutions and further research and development of new control systems for this sector, this work introduces a new methodology for modeling and analysis of power plant control systems. A methodology involving the theory of Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) and concepts of Software Engineering is presented, as well as a new formalism based on Signal Interpreted Petri Nets (SIPN) together with Object-Oriented Paradigm (OOP) named Object-Oriented Signal Interpreted Petri Nets (OOSIPN). The intention is that methodology proposed in this thesis contributes to the correct specification and construction of control algorithms for power plant control systems, as well as the state of the art in this research area in the form of a new approach to development of such automation systems.

Advanced computational tools are applied to simulate a nuclear power plant (NPP) control rod assembly ejection (CRE) accident. The impact of these reactivity-initiated accidents (RIAs) on core reactivity behavior, 3D power distribution and stochastic reactivity estimation are evaluated. The three tools used are: the thermal-hydraulic (TH) RELAP5 (R5) code, the neutronic (NK) PARCS (P3D) code, and the coupled version P3D/R5, with specially developed linkage using the environment code MATLAB. This study considers three different-size cores: NPP1 (2772 MWt); NPP2 (530 MWt); and NPP3 (1061 MWt). The three cores have the same general design and control rod assembly (CRA) positions, and the ejected CRA has similar worth and at the same rod ejection pace. The CRE is assessed under both hot zero power (HZP) and hot full power (HFP) conditions. The analyses indicate that RIA modeling and simulation should be carried out through a systematic coding and configuration approaches, otherwise the results will not capture the true transient behavior of the core under analysis. The simulation of one code depends on the appropriate configuration of parameters generated by the other code and on the correct determination of the TH/NK mapping weight factors for the various mesh regions in each of the models. From the design point of view, the standalone codes predict milder magnitude of power and reactivity increase compared to the coupled P3D/R5 simulation. The magnitudes of reduced peak power and reactivity become larger as the core size shrinks. The HFP simulation shows that the three NPPs have the same transient peak value, but the post-transient steady power is lower for a smaller core. The HZP analysis indicates that the transient peak is lower for the smaller core, but the post-transient power occurs at the same level. The three-dimensional (3D) power distributions are different among the HFP and HZP cases, but do not depend on the size of the core. The results indicate: i) HFP: core power increases in the area surrounding the ejected rod/bank assembly, and this increase becomes lower as the NPPs shrinks however, the power is well-distributed after the transient; and ii) HZP: the area surrounding the CRA stays hotter, but the 3D peak assembly factor becomes lower, during and after the transients, as the NPPs shrinks. These features confirm that the smaller cores yield a safer response to a given inserted reactivity compared to larger cores. A stochastic extended Kalman filter (EKF) algorithm is implemented to estimate the reactivity based on the reactor power profile, after the addition of random noise. The inverse point kinetics (IPK) deterministic method is also implemented and the results of the application of EKF and IPK are compared to the P3D/R5 simulation. The following sophisticated strategies made the EKF algorithm robust and accurate: the system is modeled by a set of continuous time nonlinear stochastic differential equations; the code uses a time step directly based on the power measured and applies that to the model for online discretization and linearization; filter tuning goes automatically up from the first time step; and the state noise covariance matrix is updated online at each time step. It was found that the IPK reactivity has higher noise content compared to the EKF reactivity for all cases. Thus, the EKF presents superior and more accurate results. Furthermore, under a small reactivity insertion, the IPK reactivity varies widely from positive to negative values: this variation is not observed within the EKF. A sensitivity analysis for three distinct standard deviation (SD) noise measurements suggests that EKF is superior to IPK method, independent of the noise load magnitude. As the noise content increases, the error between the IPK and P3D/R5 reactivity also increases. A sensitivity analysis for five distinct carry-over effects of different random noise loads indicates that the random addition of different noise loads to the reactor power does not change the overall performance of both algorithms. / Este trabalho aplica métodos computacionais avançados para simular a ejeção de barras de controle (CRE) em uma planta térmica nuclear (NPP). São avaliados o impacto da ocorrência de acidentes iniciados por reatividade (RIAs) na reatividade total, na distribuição da potência em três dimensões (3D) e na determinação da reatividade. As ferramentas utilizadas são: o código termo-hidráulico (TH) RELAP5 (R5), o código neutrônico (NK) PARCS (P3D), a versão acoplada P3D/R5, e o ambiente computacional MATLAB. Este estudo considera três reatores nucleares de diferentes tamanhos: NPP1 (2772 MWT); NPP2 (530 MWt); e NPP3 (1061 MWt). Os três núcleos possuem projeto similar e idêntica posição dos grupos das barras de controle (CRA), além do mesmo valor de reatividade diferencial das CRA ejetadas e idêntica velocidade de ejeção. A ocorrência da CRE é avaliada sob condições de hot zero power (HZP) e de hot full power (HFP). As análises indicam que a modelagem e a simulação de RIAs devem ser realizadas sistematicamente, caso contrário os resultados não irão refletir o comportamento em regime transitório do núcleo. A simulação de um modelo em um código depende da apropriada configuração de parâmetros gerados pelo outro código e da determinação adequada do mapeamento TH/NK para as várias malhas dos modelos. Do ponto de vista de projeto, a utilização de códigos independentes resulta em cálculos de potência e reatividade conservadores em comparação com os resultados utilizando-se P3D/R5. Os picos de potência e de reatividade são menores à medida que o núcleo encolhe. A simulação em condições de HFP resulta em valores de pico de potência similares durante transitório para as três NPPs, mas a potência de pós-transitórios é menor para o menor núcleo. A análise em condições de HZP também indica que o valor máximo durante o transitório é menor para o menor núcleo, mas o pós-transitórios ocorre aos mesmos níveis de potência das demais NPPS. A distribuição de potência em 3D também apresenta resultados distintos para condições de HFP e HZP, mas tais resultados são independentes do tamanho do núcleo: i) HFP: há um aumento da potência do núcleo em torno da CRE, mas tal comportamento diminui para núcleos menores - no entanto, a potência é bem distribuída após o transitório; e ii) HZP: há aumento de potência na área do CRE, mas o pico de potência em 3D é menor durante e depois dos transitórios para núcleos menores. Tais características indicam que os núcleos menores respondem de forma mais segura quando da inserção de reatividade em comparação a reatores de maiores dimensões. O método estocástico de filtragem de Kalman estendido (EKF) foi codificado para estimar a reatividade com base no perfil de potência da NPP, após a adição de ruído aleatório. O método determinístico da cinética pontual inversa (IPK) também foi implementado e os resultados da aplicação dos algoritmos do EKF e IPK foram comparados com os resultados da simulação do P3D/R5. As seguintes estratégias, implementadas neste trabalho, possibilitaram a aplicação robusta e precisa do EKF: o sistema foi modelado por um conjunto de equações diferenciais não-lineares estocásticas de tempo contínuo; o algoritmo obtém o passo de tempo diretamente da potência medida e aplica-o ao modelo para a discretização e linearização online; o ajuste do filtro ocorre automaticamente a partir do primeiro passo de tempo; e a matriz de covariância do ruído no estado é atualizada online. Verificou-se que a reatividade calculada pelo método IPK possui maior nível de ruído quando comparada ao EKF para todos os casos estudados. Portanto, o EKF apresenta resultados superiores e mais precisos. Além disso, sob uma pequena inserção de reatividade, a reatividade calculada pelo método IPK varia consideravelmente de valores positivos para negativos: esta variação não é observada com o EKF. Uma análise de sensibilidade para três desvios padrão (SD) sugere que o algoritmo EKF é superior ao método IPK, independente da magnitude do ruído. Com o aumento da magnitude do ruído, o erro entre as reatividades calculadas pelo IPK e pelo P3D/R5 aumenta. A análise de sensibilidade para cinco ruídos aleatórios indica que a adição de ruído na potência do reator não altera o desempenho global de ambos os algoritmos.

Exposure to mercury poses significant risks to the health of humans and wildlife. Globally, coal-fired power plant (CFPP) is a major source of mercury emissions, with China being the largest contributor to global atmospheric mercury. As a signatory country of the Minamata Convention on Mercury, China is developing its National Implementation Plan on Mercury Control, which gives priority to control of mercury emissions from CFPPs. While social benefits play an important role in designing environmental policies in China, the potential public health and economic benefits of mercury control in the nation are not yet understood, mainly due to the scientific challenges to trace mercury’s emissions-to-impacts path. Moreover, little is known about the potential benefits for the neighboring countries in East Asia resulted from China’s mercury control. This study evaluates the health and economic benefits for China and neighboring countries in East Asia from mercury reductions from China’s CFPPs. Four representative mercury control policy scenarios are analyzed, and the evaluation is explicitly conducted following the policies-to-impacts path under each policy scenario. We link a global atmospheric model to health impact assessment and economic valuation models to estimate economic gains for China and its three neighboring countries (Japan, South Korea and North Korea) from avoided mercury-related adverse health outcomes under the four emission control scenarios, and also take into account the key uncertainties in the policies-to-impacts path. Under the most stringent control scenario, the cumulative benefit of the mercury reduction by 2030 is projected to be $430 billion for the four countries together (the 95% confidence interval is $102-903 billion, in 2010 USD). Our findings suggest that although China is the biggest beneficiary of the mercury reduction in CFPPs, neighboring countries including Japan, South Korea and North Korea can also benefit (~7% of the total benefits) from China’s mercury reduction.