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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho apresenta uma nova metodologia para análise da estabilidade de tensão em sistemas elétricos de potência considerando distorções harmônicas. Um fluxo de potência ótimo é formulado considerando o impacto da inserção de cargas com características não-lineares em redes elétricas, para determinar o ponto de máximo carregamento de um sistema. Magnitudes de tensão, potências ativas e reativas demandadas e geradas, limites de distorções harmônicas individuais e totais são considerados como restrições de desigualdade. O problema de otimização proposto é resolvido pelo método de pontos interiores. Baseando-se nos multiplicadores de Lagrange encontrados pela solução do problema, índices de estabilidade de tensão são estabelecidos, objetivando identificar as barras do sistema mais sensíveis em relação à degradação da qualidade da energia e instabilidade de tensão, sendo esta a principal contribuição deste trabalho. Simulações computacionais são conduzidas utilizando o sistema teste IEEE 30 barras, considerando a inserção de cargas não-lineares para mostrar a aplicabilidade dos índices desenvolvidos para a avaliação da estabilidade de tensão e distorções harmônicas. Os resultados obtidos são comparados com o método tradicional da análise modal a fim de validar a metodologia proposta para a identificação da barra crítica do sistema. This work presents a novel methodology for power systems voltage stability assessment considering harmonic distortions. An optimal power flow is formulated considering the impact of the insertion of loads with non-linear characteristics into electrical networks, to quantify the maximum loadability point of a power system. Voltage magnitudes, demand and generated active and reactive powers, individual and total harmonic distortion limits are considered as inequality constraints. The proposed optimization problem is solved by interior point method. Based on the Lagrange multipliers determined by the solution of the problem, voltage stability indices are established, aiming to identify the most sensitive buses in the system due to power quality degradation and voltage instability, which is the main contribution of this work. Computational simulations are carried out using the IEEE 30-bus test system, considering the insertion of non-linear loads to show the applicability of the indices for evaluating voltage stability and harmonic distortions. The results obtained are compared with the traditional modal analysis method to validate the proposed methodology for identifying the critical bus of the system.

Essa dissertação apresenta uma metodologia para incluir restrições de segurança no problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO), visando fornecer ao Sistema Elétrico de Potência (SEP) uma operação em uma região segura. A região operacional proposta é formada por envoltórias elípticas que englobam os estados operacionais seguros de acordo com dados históricos do sistema, incluindo diversos cenários de demanda e geração eólica. As envoltórias são obtidas através de um problema proposto de Programação Não Linear (PNL) que define o formato da elipse usando tensões fasoriais de barramentos de interesse. Além disso, a abordagem proposta fornece ao operador as ações necessárias para retornar o sistema ao estado seguro e determina o risco operativo, ou seja, o risco de um estado operacional deixar a região de segurança, aplicando um método de relaxamento. A metodologia proposta é testada no sistema de 39 barras New England e no sistema teste IEEE-118 barras. Os resultados mostram que as envoltórias elípticas são eficazes por englobar os estados operacionais seguros e manter o sistema operando em uma região segura. This work presents an approach to include security constrints in the Optimal Power Flow (OPF) problem to provide a power system operation in a safe region. The proposed security region is formed by elliptical wraps that enclose historical and safe system operative states, which include wind power generation and demand scenarios. The elliptical wraps are obtained through a proposed non-Linear Programming (NLP) problem that defines the ellipse’s shape by using nodal voltages at buses of interest. In addition, the proposed approach provides the operator with the necessary actions to return the system to the safe state and determines the operational risk, that is, the risk of an operational state leaving the security region, applying a relaxation method. The proposed methodology is tested in the 39-bus New England system and 118-IEEE test system. The results show that the elliptical wraps are effective to enclose the secure operational states and maintain the system within a safe region.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O principal objetivo deste trabalho é avaliar a influência da variação dos parâmetros da rede elétrica em função da frequência do sistema em estudos relacionados à avaliação da segurança de tensão de Sistemas Elétricos de Potência (SEP). Neste sentido, é proposta uma alteração na formulação denominada Fluxo de Potência com Regulação Primária. Tal formulação representa uma modelagem alternativa do problema de Fluxo de Potência, onde a frequência do sistema pode ser estimada com precisão satisfatória. É importante destacar que a metodologia proposta neste trabalho mantém a formulação full Newton do problema. A partir deste contexto são consideradas as variações dos parâmetros da rede, tais como shunts de barra, shunts de linha e o modelo de Linhas de Transmissão e Transformadores, tornando estes parâmetros dependentes com os desvios de frequência do sistema. É também realizada uma avaliação das cargas tipo motor de indução. Assim como os parâmetros da rede, os parâmetros do motor de indução são modificados de acordo com os desvios de frequência do sistema. Em seguida são desenvolvidos estudos de avaliação da segurança de tensão a partir do desenvolvimento e implementação de um Fluxo de Potência Continuado modificado e de uma formulação alternativa do problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO). A partir dessas ferramentas é possível avaliar a variação da frequência do sistema em função do aumento do seu carregamento. Também são feitas análises a partir dos autovalores da matriz Jacobiana do método proposto. Finalmente são utilizados cinco sistemas de pequeno e médio portes para a validação da metodologia proposta. Além de dois sistemas tutoriais de pequeno porte, é utilizado o sistema 16 Barras, que é um sistema criado a partir de dados reais e condições operativas encontradas no Sistema Interligado Nacional (SIN), os sistemas New England e IEEE-118 Barras, que são sistemas testes normalmente utilizados na literatura. O programa ANATEM, desenvolvido pelo CEPEL, é utilizado de forma a validar os desenvolvimentos realizados neste trabalho. The main objective of this work is to evaluate the influence of varying the network parameters depending on the system frequency in studies related to the voltage security assessment of Electric Power Systems. In this sense, it is proposed a modification in the formulation of the called Governor Power Flow. Such formulation represents an alternative modeling of the power flow problem, where the system frequency can be estimated with satisfactory accuracy. It is important to highlight that in this work the proposed methodology retains full Newton formulation of the problem. From this context it is considered variations of the network parameters, such as shunt devices (capacitors and reactors) and equivalent models of transmission lines and transformers, making them dependent parameters with frequency system. It is also studied the induction motor modeling. As the network parameters, the parameters of the induction motor are modified according to the deviation of system frequency. Then voltage security assessment studies are carried out through the development and implementation of a Modified Continuation Power Flow and an Optimal Power Flow. Using these tools it is possible to evaluate the system frequency variation due to the increase of the system loading. Analyzes are also made using the eigenvalues of the Jacobian matrix associated with the proposed methodology. Finally six systems of small and medium scale are used in validation process of the proposed methodology. In addition to two tutorials small systems are used a 16 buses test system, which is created from real data and operating conditions found in the Interconnected Brazilian System, the well know New England system and the IEEE-118 buses test systems, which are systems commonly used in the literature. The ANATEM program, developed by CEPEL, is used to validate the developments made in this work.

Este trabalho apresenta uma metodologia baseada em Fluxo de Potência Ótimo (FPO) e Análise de Sensibilidade para a definição da configuração mínima de rede necessária para garantir, com segurança, o processo de recomposição fluente de corredores radiais de transmissão. Nos instantes iniciais de recomposição, devido à baixa capacidade de geração que o sistema se encontra, uma estratégia importante consiste em elevar a Capacidade de Curto Circuito das barras. Neste sentido, a metodologia proposta baseia-se na incorporação, na função objetivo do FPO, da maximização da potência de curto circuito das barras. Para tanto, uma Análise de Sensibilidade é realizada a cada iteração do processo iterativo para determinar os fatores de ponderação de alocação associados à impedância equivalente permitindo a inclusão no FPO da maximização da potência de curto circuito das barras. Na metodologia proposta os reatores que mais reduzirem a impedância receberão menores fatores de ponderação de alocação. Adicionalmente, o FPO contempla a modelagem das máquinas síncronas, curva de capabilidade e o estudo de cada cenário de recomposição em regime permanente, pré e pós rejeição de carga. O programa desenvolvido em MATLAB é utilizado para a simulação de corredores de recomposição fluente do sistema elétrico brasileiro. Os resultados obtidos apontam para uma ferramenta eficaz ao estudo de recomposição fluente. This work presents a methodology based on Optimal Power Flow (OPF) and Sensitivity Analysis to define a minimum network configuration for a power system fluent restoration taking security issues into account. At this early restoration stage, the system has low Short-Circuit Capacity due to the low generation capacity. An important strategy is to increase the Short Circuit Capacity at this operation stage through search network configurations with low bus equivalent impedance. In this work, the Short-Circuit Capacity is incorporated in the objective function of the OPF formulation by using sensitivity analysis which yields lowest allocation factors for more suitable reactors to reduce the equivalents impedances. The proposed OPF takes into account the synchronous machine model, the capability curves and the set of overvoltage critical restoration scenarios following load rejection. The restoration scenarios are represented at steady state prior and after load rejection. The computational tool is developed in the MATLAB platform and it is used to conduct case studies for fluent restoration branches of Brazilian Electric System. The results show that the proposed methodology is effective.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Neste trabalho são propostas duas formulações de importantes ferramentas para análise de redes em regime permanente, onde são consideradas equações que descrevem o comportamento do controle primário e secundário de frequência em sistemas elétricos de potência. A primeira proposta é baseada em uma formulação do problema de fluxo de potência convencional e a segunda uma formulação do fluxo de potência ótimo. A formulação de fluxo de potência proposta é desenvolvida a partir de uma metodologia genérica de representação de dispositivos de controle. Esta metodologia consiste em incorporar as equações que modelam dispositivos de controle ao problema básico de fluxo de potência em coordenadas polares, formando um sistema de equações de ordem (2nb+nc). O fluxo de potência desenvolvido é capaz de estimar os desvios de frequência do sistema devido a uma perturbação da carga. Por outro lado, o fluxo de potência ótimo proposto é capaz de identificar montantes e locais de corte carga, de forma a manter a frequência do sistema em uma faixa aceitável de operação. A formulação proposta de FPO consiste em incluir no problema equações de igualdade e desigualdade associadas com o controle primário de frequência e geração de potência ativa. Os desenvolvimentos propostos para o fluxo de potência convencional foram implementados no ambiente MatLab®. Para solução do fluxo de potência ótimo utilizou-se um pacote comercial de otimização, denominado LINGO®. A avaliação do fluxo de potência e fluxo de potência ótimo propostos é feita através do estudo de sistemas tutoriais e do sistema New England. A validação da análise de desvios de frequência é feita através da utilização do programa ANATEM, desenvolvido pelo CEPEL. Os resultados obtidos mostram as vantagens da utilização das formulações propostas. This work proposes a new formulation for both the conventional power flow and the optimal power flow formulation, in which the steady-state equations describing the primary and secondary frequency control in electrical power systems are included. The proposed power flow formulation is based on a flexible methodology for the representation of control devices. Such methodology incorporates equations that model control devices into the basic power flow formulation in polar coordinates, generating an augmented system of equations having order (2nb + nc). The developed power flow is able to estimate the system frequency deviation due to a load disturbance. On other hand, the proposed optimum power flow formulation is able to identify the minimum load shedding necessary to maintain the system frequency in an acceptable range of operation. The proposed OPF formulation includes additional equality and inequality constraints to represent the steady state primary frequency control as a function of the active power generation. The proposed development for the conventional power flow was made using the MATLAB® environment. The optimal power flow solution used a commercial optimization package called LINGO®. The evaluation of the proposed power flow and optimal power flow formulations were made through the study of small test systems and the New England test system. Validations of the frequency deviation analysis were made using the program ANATEM, developed by CEPEL. The results obtained show the advantages of using the proposed formulations.