Neste trabalho de dissertação propõe-se uma metodologia para análise de observabilidade (restauração e identificação de ilhas) e identificação de medidas críticas para sistemas de medição formados por medidas convencionais (medidas de amplitude de tensão e de potência obtidas via sistema SCADA) e medidas fasoriais sincronizadas. A metodologia possibilita análise e restauração da observabilidade a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana, associada a um sistema de medição possuindo medidas convencionais e fasoriais sincronizadas. Para identificar as ilhas observáveis, no caso de o sistema não ser observável como um todo, a metodologia faz uso do conceito de caminhos de fatoração, associado à matriz jacobiana fatorada. As medidas críticas são identificadas a partir da análise da estrutura da matriz H \'delta\' t, que é obtida a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana. A metodologia proposta é simples, de execução rápida, de fácil implantação e não exige a solução de equações algébricas. Dessa forma a mesma atende aos requisitos para operação em tempo-real. Com o intuito de mostrar como a metodologia proposta funciona, são apresentados exemplos da sua aplicação em um sistema teste de 4 barras. Vale destacar que resultados de diversas simulações computacionais, utilizando os sistemas teste do IEEE (14, 30 e 57 barras), têm demonstrado a eficiência da metodologia. / This dissertation proposes a methodology for observability analysis (restoration and identification of observable islands) and identification of critical measurements for metering systems composed of both synchronized phasor and conventional measurements (power and voltage magnitude measurements). The methodology enables observability analysis and restoration via the triangular factorization of the jacobian matrix associated with metering systems formed by those two types of measurements. The identification of observable islands is carried out through the analysis of the path graphs associated with the factorization of the jacobian matrix. Critical measurements are identified via analysis of the structure of the H \'delta\' t matrix, which is obtained by the triangular factorization of the jacobian matrix. The methodology is simple, fast and easy to implement and does not require solutions of any algebraic equation. Consequently, it is useful for real-time operation. Small numerical examples, using a 4-bus test system, showing the application of the proposed methodology are presented. The IEEE 14, 30 and 57 bus systems with different measurement scenarios were used to evaluate the performance of the proposed methodology.

Neste trabalho de dissertação propõe-se uma metodologia para análise de observabilidade (restauração e identificação de ilhas) e identificação de medidas críticas para sistemas de medição formados por medidas convencionais (medidas de amplitude de tensão e de potência obtidas via sistema SCADA) e medidas fasoriais sincronizadas. A metodologia possibilita análise e restauração da observabilidade a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana, associada a um sistema de medição possuindo medidas convencionais e fasoriais sincronizadas. Para identificar as ilhas observáveis, no caso de o sistema não ser observável como um todo, a metodologia faz uso do conceito de caminhos de fatoração, associado à matriz jacobiana fatorada. As medidas críticas são identificadas a partir da análise da estrutura da matriz H \'delta\' t, que é obtida a partir da fatoração triangular da matriz jacobiana. A metodologia proposta é simples, de execução rápida, de fácil implantação e não exige a solução de equações algébricas. Dessa forma a mesma atende aos requisitos para operação em tempo-real. Com o intuito de mostrar como a metodologia proposta funciona, são apresentados exemplos da sua aplicação em um sistema teste de 4 barras. Vale destacar que resultados de diversas simulações computacionais, utilizando os sistemas teste do IEEE (14, 30 e 57 barras), têm demonstrado a eficiência da metodologia. / This dissertation proposes a methodology for observability analysis (restoration and identification of observable islands) and identification of critical measurements for metering systems composed of both synchronized phasor and conventional measurements (power and voltage magnitude measurements). The methodology enables observability analysis and restoration via the triangular factorization of the jacobian matrix associated with metering systems formed by those two types of measurements. The identification of observable islands is carried out through the analysis of the path graphs associated with the factorization of the jacobian matrix. Critical measurements are identified via analysis of the structure of the H \'delta\' t matrix, which is obtained by the triangular factorization of the jacobian matrix. The methodology is simple, fast and easy to implement and does not require solutions of any algebraic equation. Consequently, it is useful for real-time operation. Small numerical examples, using a 4-bus test system, showing the application of the proposed methodology are presented. The IEEE 14, 30 and 57 bus systems with different measurement scenarios were used to evaluate the performance of the proposed methodology.

O problema de projeto de sistemas de medição, para efeito de Estimação de Estado em Sistemas Elétricos de Potência, é um problema de otimização multiobjetivo, combinatório, que exige a investigação de um grande número de possíveis soluções. Dessa forma, metaheurísticas vêm sendo empregadas para sua solução. Entretanto, a maioria delas trata o problema de forma mono-objetivo e as poucas que consideram uma formulação multiobjetivo, não contemplam todos os requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um Sistema de Medição Confiável (SMC) (observabilidade e ausência de Medidas Críticas, Conjuntos Críticos de Medidas, Unidades Terminais Remotas Críticas e Unidades de Medição Fasoriais Críticas). Propõe-se, nesta tese, uma formulação multiobjetivo para o problema de projeto de sistemas de medição de uma forma mais ampla, considerando todas requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um SMC. Propõe-se, ainda, o desenvolvimento e implantação, em computador, de um método para tratamento desse problema, considerando o trade-off entre os requisitos de desempenho e o custo, fazendo uso do conceito de Fronteira de Pareto. O método possibilita, em uma única execução, a obtenção de quatro tipos de sistemas de medição, a partir da análise de soluções não dominadas. O método permite o projeto de sistemas de medição novos e o aprimoramento de sistemas de medição já existentes, considerando a existência apenas de medidas convencionais SCADA, apenas de Medidas Fasoriais Sincronizadas ou a existência dos dois tipos de medidas. O método proposto faz uso de um Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo e do procedimento de obtenção e análise da matriz HΔ. Esse procedimento permite a realização de uma Busca Local, minimizando o custo para atendimento de cada um dos requisitos de desempenho mencionados acima. Simulações são realizadas utilizando dados dos sistemas de 6, 14, 30, 118 e 300 barras do IEEE, bem como do sistema de 61 barras da Eletropaulo, de forma a ilustrar, testar e validar o método proposto. Alguns dos resultados dessas simulações são comparados com resultados obtidos por outros métodos encontrados na literatura. / Metering system planning for power system state estimation is a multi-objective, combinatorial optimization problem that may require the investigation of many possible solutions. As a consequence, meta-heuristics have been employed to solve the problem. However in the majority of them the multi-objective problem is converted in a mono-objective problem and those few considering a multi-objective formulation do not consider all the performance requirements that must be attended in order to obtain a Reliable Metering System (RMS) (system observability and absence of Critical Measurements, Critical Sets, Critical Remote Terminal Units and Critical Phasor Measurement Units). This thesis proposes a multi-objective formulation for the metering system planning problem in a wide way, that is, considering all the performance requirements that must be attended to obtain a RMS. This thesis also proposes the development and implementation, in computer, of a method to solve the metering system planning problem, considering the trade-off between the two conflicting objectives of the problem (minimizing cost while maximizing the performance requirements) making use of the concept of Pareto Frontier. The method allows, in only one execution, the project of four types of metering systems, from the analysis of non-dominated solutions. The method enable the design of new metering systems as well as the improvement of existing ones, considering the existence of only conventional SCADA measurements, or only synchronized phasor measurements or the existence of both types of measurements. The proposed method combines a multi-objective evolutionary algorithm based on subpopulation tables with the properties of the so-called HΔ matrix. The subpopulations tables adequately model several metering system performance requirements enabling a better exploration of the solution space. On the other hand, the properties of the HΔ matrix enable a local search that improves the evolutionary process and minimizes the computational effort. Simulations results with IEEE 6, 14, 30, 118 and 300-bus test systems and with a 61-bus system of Eletropaulo illustrate the efficiency of the proposed method. Some of the results of these simulations will be compared with those published in literature.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para tratamento de diversas etapas do processo de estimação de estado em Sistemas de Distribuição (SDs), que possibilite um tratamento adequado para as particularidades dos SDs no contexto atual (com poucas medidas disponíveis) e futuro (contando com mais medidas SCADA, com as Medidas Fasoriais Sincronizadas (MFSs) e com as avançadas infra-estruturas de medição), ou seja, que possibilite: análise de sistemas desbalanceados e desequilibrados, com ramais monofásicos, bifásicos e trifásicos; o tratamento de sistemas radiais e malhados sem perda de precisão; uma modelagem adequada dos componentes dos SDs, considerando as várias possibilidades de conexão dos transformadores e dos reguladores de tensão; o tratamento de diversos tipos de medidas (medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA, medidas virtuais, pseudo-medidas de carga e de dados históricos e MFSs), ponderando-as de acordo com as respectivas precisões. A metodologia proposta baseia-se no método dos mínimos quadrados ponderados, trabalha no nível dos alimentadores e compreende os seguintes quatro estágios: Estágio 1 geração de pseudo-medidas de carga; Estágio 2 - análise e restauração de observabilidade e identificação de medidas críticas; Estágio 3 - estimação de estado propriamente dita; e Estágio 4 - processamento de erros grosseiros. Tendo em vista as respostas coerentes das diversas simulações realizadas com os alimentadores de teste trifásicos de 4 e 34 barras do IEEE, demonstra-se satisfatoriamente a performance da metodologia proposta. / This thesis proposes a multi-phase unbalanced distribution system (DS) state estimation methodology based on the weighted least squares technique, which allows: load pseudo-measurement modeling; observability analysis and restoration by selecting the required pseudo-measurements (load pseudo-measurements and/or historical measurement data); identication of critical measurements; state estimation; and, nally, gross errors processing. The proposed methodology intends to be a practical tool able to be applied to a variety of DSs, considering latest and future realities. Therefore, the proposed methodology has the following features: (i) includes all realistic DS modeling details, such as, various types of transformer and voltage regulator connections, the presence of single, two and three-phase circuits, as well as the possibility of both the mutual coupling between phases and the shunt susceptance; (ii) treat three-phase networks with high resistance/reactance ratios in a unied framework; and (iii) process measurements with very distinct qualities, some of them are real-time measurements provided by Supervisory Control Data Acquisition (SCADA) systems, Advanced Metering Infrastructure (AMI), Phasor Measurement Units (PMUs), other are virtual measurements (information provided by the buses of zero power injection) and also the pseudo-measurements (load pseudo-measurements, load proles and historical measurement data). Several simulations results (with IEEE 34 and 4 node test feeders) have demonstrated satisfactory performance of the proposed methodology.

O problema de projeto de sistemas de medição, para efeito de Estimação de Estado em Sistemas Elétricos de Potência, é um problema de otimização multiobjetivo, combinatório, que exige a investigação de um grande número de possíveis soluções. Dessa forma, metaheurísticas vêm sendo empregadas para sua solução. Entretanto, a maioria delas trata o problema de forma mono-objetivo e as poucas que consideram uma formulação multiobjetivo, não contemplam todos os requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um Sistema de Medição Confiável (SMC) (observabilidade e ausência de Medidas Críticas, Conjuntos Críticos de Medidas, Unidades Terminais Remotas Críticas e Unidades de Medição Fasoriais Críticas). Propõe-se, nesta tese, uma formulação multiobjetivo para o problema de projeto de sistemas de medição de uma forma mais ampla, considerando todas requisitos de desempenho que devem ser atendidos para obtenção de um SMC. Propõe-se, ainda, o desenvolvimento e implantação, em computador, de um método para tratamento desse problema, considerando o trade-off entre os requisitos de desempenho e o custo, fazendo uso do conceito de Fronteira de Pareto. O método possibilita, em uma única execução, a obtenção de quatro tipos de sistemas de medição, a partir da análise de soluções não dominadas. O método permite o projeto de sistemas de medição novos e o aprimoramento de sistemas de medição já existentes, considerando a existência apenas de medidas convencionais SCADA, apenas de Medidas Fasoriais Sincronizadas ou a existência dos dois tipos de medidas. O método proposto faz uso de um Algoritmo Evolutivo Multiobjetivo e do procedimento de obtenção e análise da matriz HΔ. Esse procedimento permite a realização de uma Busca Local, minimizando o custo para atendimento de cada um dos requisitos de desempenho mencionados acima. Simulações são realizadas utilizando dados dos sistemas de 6, 14, 30, 118 e 300 barras do IEEE, bem como do sistema de 61 barras da Eletropaulo, de forma a ilustrar, testar e validar o método proposto. Alguns dos resultados dessas simulações são comparados com resultados obtidos por outros métodos encontrados na literatura. / Metering system planning for power system state estimation is a multi-objective, combinatorial optimization problem that may require the investigation of many possible solutions. As a consequence, meta-heuristics have been employed to solve the problem. However in the majority of them the multi-objective problem is converted in a mono-objective problem and those few considering a multi-objective formulation do not consider all the performance requirements that must be attended in order to obtain a Reliable Metering System (RMS) (system observability and absence of Critical Measurements, Critical Sets, Critical Remote Terminal Units and Critical Phasor Measurement Units). This thesis proposes a multi-objective formulation for the metering system planning problem in a wide way, that is, considering all the performance requirements that must be attended to obtain a RMS. This thesis also proposes the development and implementation, in computer, of a method to solve the metering system planning problem, considering the trade-off between the two conflicting objectives of the problem (minimizing cost while maximizing the performance requirements) making use of the concept of Pareto Frontier. The method allows, in only one execution, the project of four types of metering systems, from the analysis of non-dominated solutions. The method enable the design of new metering systems as well as the improvement of existing ones, considering the existence of only conventional SCADA measurements, or only synchronized phasor measurements or the existence of both types of measurements. The proposed method combines a multi-objective evolutionary algorithm based on subpopulation tables with the properties of the so-called HΔ matrix. The subpopulations tables adequately model several metering system performance requirements enabling a better exploration of the solution space. On the other hand, the properties of the HΔ matrix enable a local search that improves the evolutionary process and minimizes the computational effort. Simulations results with IEEE 6, 14, 30, 118 and 300-bus test systems and with a 61-bus system of Eletropaulo illustrate the efficiency of the proposed method. Some of the results of these simulations will be compared with those published in literature.

Este trabalho propõe o desenvolvimento e implantação, em computador, de uma metodologia para tratamento de diversas etapas do processo de estimação de estado em Sistemas de Distribuição (SDs), que possibilite um tratamento adequado para as particularidades dos SDs no contexto atual (com poucas medidas disponíveis) e futuro (contando com mais medidas SCADA, com as Medidas Fasoriais Sincronizadas (MFSs) e com as avançadas infra-estruturas de medição), ou seja, que possibilite: análise de sistemas desbalanceados e desequilibrados, com ramais monofásicos, bifásicos e trifásicos; o tratamento de sistemas radiais e malhados sem perda de precisão; uma modelagem adequada dos componentes dos SDs, considerando as várias possibilidades de conexão dos transformadores e dos reguladores de tensão; o tratamento de diversos tipos de medidas (medidas convencionais obtidas pelo sistema SCADA, medidas virtuais, pseudo-medidas de carga e de dados históricos e MFSs), ponderando-as de acordo com as respectivas precisões. A metodologia proposta baseia-se no método dos mínimos quadrados ponderados, trabalha no nível dos alimentadores e compreende os seguintes quatro estágios: Estágio 1 geração de pseudo-medidas de carga; Estágio 2 - análise e restauração de observabilidade e identificação de medidas críticas; Estágio 3 - estimação de estado propriamente dita; e Estágio 4 - processamento de erros grosseiros. Tendo em vista as respostas coerentes das diversas simulações realizadas com os alimentadores de teste trifásicos de 4 e 34 barras do IEEE, demonstra-se satisfatoriamente a performance da metodologia proposta. / This thesis proposes a multi-phase unbalanced distribution system (DS) state estimation methodology based on the weighted least squares technique, which allows: load pseudo-measurement modeling; observability analysis and restoration by selecting the required pseudo-measurements (load pseudo-measurements and/or historical measurement data); identication of critical measurements; state estimation; and, nally, gross errors processing. The proposed methodology intends to be a practical tool able to be applied to a variety of DSs, considering latest and future realities. Therefore, the proposed methodology has the following features: (i) includes all realistic DS modeling details, such as, various types of transformer and voltage regulator connections, the presence of single, two and three-phase circuits, as well as the possibility of both the mutual coupling between phases and the shunt susceptance; (ii) treat three-phase networks with high resistance/reactance ratios in a unied framework; and (iii) process measurements with very distinct qualities, some of them are real-time measurements provided by Supervisory Control Data Acquisition (SCADA) systems, Advanced Metering Infrastructure (AMI), Phasor Measurement Units (PMUs), other are virtual measurements (information provided by the buses of zero power injection) and also the pseudo-measurements (load pseudo-measurements, load proles and historical measurement data). Several simulations results (with IEEE 34 and 4 node test feeders) have demonstrated satisfactory performance of the proposed methodology.

This thesis presents two new routing problems, both with objective functions focused on relative positioning of teams during the routing horizon. The relative positioning results in temporal and spatial dependencies among routes and is quantified with a nonlinear dispersion metric, designed to evaluate the instantaneous distances among teams over a time interval. This metric allows the design of objective functions to approximate teams during routes execution, when minimized, or disperse them, when maximized. Both approximation and dispersion are important routing characteristics in some practical applications, and two new optimization problems are proposed with these opposite objectives. The first one is a variation of the Multiple Traveling Salesman Problem, and its goal is to find a set of tours where the salesmen travel close to each other, minimizing dispersion. A Local Search Genetic Algorithm is proposed to solve the problem. It includes specialized genetic operators and neighborhoods. A new set of benchmark instances is proposed, adapted for the new problem from literature instances. Computational results show that the proposed approach provides solutions with the desired characteristics of minimal dispersion. The second problem is a bi-objective arc routing problem in which routes must be constructed in order to maximize collected profit and dispersion of teams. The maximization of the dispersion metric fosters the scattering of the teams during routing procedure. Usually, profit and dispersion objectives are conflicting, and by using a bi-objective approach the decision maker is able to choose a trade-off between collecting profits and scattering teams. Two solution methods are proposed, a Multi-objective Genetic Algorithm and a Multi-objective Genetic Local Search Algorithm, both specialized in order to exploit the characteristics of the problem. It is demonstrated, by means of computational experiments on a new set of benchmark instances, that the proposed approach provides approximation sets with the desired characteristics. / Esta tese apresenta dois novos problemas de roteamento, ambos com funções objetivo voltadas para o posicionamento relativo das equipes durante o horizonte de roteamento. O posicionamento relativo resulta em uma dependência temporal e espacial entre rotas e é quantificado com uma métrica de dispersão não-linear, projetada para avaliar as distâncias instantâneas entre as equipes ao longo de um intervalo de tempo. Esta métrica permite a concepção de funções objetivo para aproximar as equipes durante a execução das rotas, quando minimizada, ou para dispersá-las, quando maximizada. Tanto a aproximação quanto a dispersão são características importantes de roteamento em algumas aplicações práticas, e dois novos problemas de otimização são propostos com esses objetivos opostos. O primeiro é uma variação do Problema de Múltiplos Caixeiros Viajantes, e seu objetivo é encontrar um conjunto de rotas em que os caixeiros viajam próximos uns dos outros, minimizando a dispersão. Um Algoritmo Genético com Busca Local é proposto para resolver o problema. Ele inclui operadores genéticos e vizinhanças especializados. Um novo conjunto de instâncias é proposto, adaptado para o novo problema de instâncias da literatura. Resultados computacionais mostram que a abordagem proposta proporciona soluções com as características desejadas de dispersão mínima. O segundo problema é um problema de roteamento de arcos biobjetivo em que as rotas devem ser construídas de modo a maximizar o lucro recolhido e o distanciamento entre as equipes. A maximização da métrica promove a dispersão das equipes durante a execução das rotas. Normalmente, os objetivos de lucro e dispersão são conflitantes, e com uma abordagem biobjetivo o tomador de decisão é capaz de avaliar a troca entre a coleta de lucros e a dispersão de equipes. Dois métodos de solução são propostos, um Algoritmo Genético Multiobjetivo e um Algoritmo Genético Multiobjetivo com Busca Local, ambos especializados para explorar as características do problema. É demonstrado, por meio de experimentos computacionais sobre um novo conjunto de instâncias, que a abordagem proposta fornece conjuntos de aproximação com as características desejadas.

[pt] O fenômeno associado à estabilidade de tensão se caracteriza pela existência de valores máximos de potência ativa e reativa que podem ser transferidas a uma barra de carga, ou injetada na rede através dos geradores e compensadores síncronos. Sua relevância para o setor elétrico é constantemente reforçada pelo registro de ocorrências de colapsos de tensão em diversos países do mundo e, embora a instabilidade de tensão manifeste-se localmente, suas consequências se refletem na ampla deterioração do sistema. Impulsionado pelo crescente interesse a respeito dos métodos baseados em medições fasoriais sincronizadas para a detecção do máximo carregamento, este trabalho apresenta os principais modelos encontrados na literatura baseados em medições locais e no vasto monitoramento do sistema, com maior ênfase aos métodos de Corsi-Taranto e Circuito Acoplado de Porta-Simples Aprimorado (CAPS Aprimorado). Algumas contribuições são sugeridas ao modelo CAPS Aprimorado tendo em vista sua aplicação ao conjunto de barras de transferência e de geração. Explora-se a utilização dos equivalentes multi-portas como índice de avaliação das condições de estabilidade de tensão, comparando a identificação da barra crítica aos métodos da matriz D e dos autovalores e autovetores. São evidenciadas as principais limitações dos modelos mediante a um conjunto de análises estáticas e dinâmicas, considerando diferentes cenários de carregamento, a sensibilidade dos modelos ao ruído e a resposta dos métodos em face da atuação dos limitadores de sobre-excitação. / [en] The voltage stability phenomenon is characterized by the existence of a maximum active and reactive power that can be transferred to a load bus or injected into the network through the generators and synchronous compensators. Its relevance to the electric power sector is constantly reinforced by the record of occurrences of voltage collapses in several countries around the world. Although the voltage instability manifests itself locally, its consequences is reflected in the wide deterioration of the system. Driven by growing interest in methods based on synchronized phasor measurements for maximum loadability detection, this work presents the main models found in the literature based on local measurements and wide area monitoring, emphasizing the Corsi-Taranto method and Improved Coupled Single-Port Circuit (Improved CAPS). Some contributions are suggested to the Improved CAPS model considering its application to the set of transit and controlled buses. The use of the multi-port equivalents is explored as the evaluation index of voltage stability conditions, comparing the identification of the critical bus to the D matrix method and eigenvalues and eigenvalues method. The main limitations of the models are demonstrated through a static and dynamic studies, as well different loading scenarios, the sensitivity of the models to the noise and the response of the methods when the over-excitation limiters are considered.