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FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Diante do reconhecido aumento dos níveis de distorções harmônicas presentes nas redes de distribuição e transmissão e o estabelecimento de limites para esses fenômenos pelas agências regulatórias, a busca por meios otimizados destinados à determinação dos níveis de distorções presentes nas redes elétricas têm motivado várias pesquisas voltadas para a questão dos estimadores de estado harmônico aplicados a esse fim. Tais desafios se fazem prementes visto o grande número de pontos físicos presentes nas redes elétricas e que requerem monitorações diversas, fato este determinante para a busca de meios que venham, a partir de um número mínimo de medidores, determinar o estado operacional com que se encontra um determinado complexo elétrico quanto aos indicadores ora contemplados. Para o cumprimento das metas ora postas, reconhece-se, na atualidade, a existência de métodos diversos visando a alocação dos medidores e a estimação de estado, cujo último se apresenta como ferramenta de elevada aplicabilidade para os denominados sistemas determinados como também para os subdeterminados. Focando, pois, esta área de concentração, esse trabalho está direcionado ao processo avaliativo do desempenho de cinco algoritmos evolutivos e, através de simulações conduzidas por um programa desenvolvido para os fins desta pesquisa, tais procedimentos são testados e avaliados quanto a sua eficácia para o atendimento aos requisitos da correlação entre os níveis das distorções harmônicas existentes e aqueles prescritos pela legislação. In view of the recognized increase in the levels of harmonic distortions present in the distribution and transmission networks and the establishment of limits for this phenomenon by regulatory agencies, the search for optimized means to determine the levels of distortions present in the electric networks has motivated several researches aimed at the question of the harmonic state estimators applied for this purpose. Such challenges become urgent considering the large number of physical points present in the electrical networks and that require monitoring, a fact that is determinant for the search of means that come, from a minimum number of meters, to determine the operational state in which it is an electrical complex regarding the indicators considered herein. In this context, it is recognized that there are several methods for the meters’ allocation and state estimation procedures, whose the last is a highly applicable tool for the so-called determined systems, as well, as non-determined ones. Focusing on this area of concentration, this work is directed to the evaluation process of the performance of five evolutionary algorithms and, through simulations conducted through a program developed for the purposes of this research, such procedures are tested and evaluated as to their effectiveness for the requirements of the correlation between the levels of existing harmonic distortions and those required by the required standards. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Apesar de suas vantagens indiscutíveis, a geração distribuída (GD) pode afetar negativamente alguns aspectos da operação dos sistemas de energia elétrica, especialmente um ponto pouco explorado: a proteção das redes de distribuição de energia elétrica e sua interação com os sistemas de geração de energia baseados em inversores. Nesta dissertação, o impacto da GD conectada via inversor na coordenação religador-fusível de esquemas de proteção em redes de distribuição é minuciosamente estudado. Simulações são realizadas por meio do software DIgSILENT PowerFactory através de curtos-circuitos monofásicos e trifásicos considerando diferentes localizações de faltas e da GD, níveis de penetração e de operação, e outros aspectos que influem na descoordenação da proteção em um sistema de distribuição teste real do IEEE de 34 barras. A contribuição à corrente de curto-circuito de geradores baseados em inversores é também investigada por meio de simulações no modelo de transitórios eletromagnéticos do software. Os resultados mostraram que a elevada penetração da GD conectada via inversores aumenta a corrente de curto-circuito que passa pelo fusível e o faz operar mais rapidamente do que o religador em uma condição de falta, levando à perda de coordenação religador-fusível. É feita uma discussão geral dos resultados, identificando os eventuais cuidados adicionais que devem ser considerados a fim de manter a coordenação e seletividade entre as proteções de um sistema de distribuição. Despite its many benefits, the Distributed Generation (DG) can adversely affect some aspects related to the operation performance of electrical power systems, especially a no so deeply explored point: the interaction between the protection systems and inverter-based power generation units. In this dissertation, the impact of inverter-based DGs units on the fuse-recloser coordination schemes used in distribution networks is thoroughly studied. The simulations were conducted using the software package DIgSILENT Power Factory through several single-phase and three-phase short circuits along the distribution network, considering different fault locations, penetration levels of DGs, operating conditions, and other aspects that impact over the protection miscoordination in an IEEE real test distribution system of 34 busbars. The contribution to the short-circuit current of inverter-based generators is also investigated through simulations on electromagnetic transients models available in the software. The simulation results shows that significant inverter-based DG penetration levels on distribution feeders increase the short-circuit current that passes through the fuse and make it operate faster than the recloser in a fault condition, leading to loss of fuse-recloser coordination in a time frame base. A general discussion of the results is performed, identifying some recommended corrective actions that should be considered in order to maintain the coordination and selectivity between the distribution system protection devices located throughout the network.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O cálculo do fluxo de carga provê informações fundamentais em um sistema elétrico de potência, informações necessárias para que sejam realizados estudos nos sistemas. No entanto, o fluxo de carga só pode ser realizado em estado de regime permanente. Caso o sistema sofra alguma alteração, seja por variação nas cargas ou modificações dos equipamentos de controle, este cálculo é necessário ser refeito. Por essa necessidade, de constantemente ter que realizar o controle no fluxo de carga, começou-se uma busca por otimizar o tempo necessário desta tarefa. Uma das soluções abordadas para isso foi a utilização de computação paralela, a qual começou a ser utilizada a General Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU) como uma alternativa de melhor custo benefício para execuções em arquiteturas paralelas, que consiste na utilização de Graphic Processing Units (GPU) não somente para processamento gráfico, mas também para propósitos gerais. Diversos trabalhos têm tirado proveito da utilização de GPGPU nos cálculos do fluxo de carga, contudo, não há um consenso sobre qual estratégia utilizar para paralelizar neste tipo de hardware, ficando a cargo de cada autor o trabalho de desenvolver seu próprio método, dificultando a utilização da arquitetura para a implementação desses cálculos, tanto para fins acadêmicos, quanto para o mercado. Pela falta de um consenso e palas divergências encontradas nos trabalhos, esta dissertação visa analisar as etapas do fluxo de carga, identificando quais estão mais aptas a paralelização em GPGPU com o intuito de realizar múltiplos cálculos do fluxo de carga simultâneos e reduzir o tempo necessário para o processamento, difundindo uma estratégia eficiente para sistemas de larga escala no mercado e no meio acadêmico, facilitando a replicação para trabalhos futuros com utilização de metaheurísticas para otimização de sistemas elétricos de potência. The load flow calculation provides fundamental information for an electric power system. However, the load flow can only be carried out in the steady state, in the event of a system suffering any change, by variation in the loads or modifications of the control equipment, this calculation is necessary to be redone. Because of this need, frequently have to perform the load flow, a research has begun to optimize the time needed for this task. A General-Purpose Graphic Processing Unit (GPGPU) as a cost-effective alternative to parallel architecture runs, which has a GPU not only for graphics purposes but also for general purposes. Several works were taken for the use of GPGPU in load flow calculations, there is no consensus on the content of the material, being in charge of each one of the work of its own method, making it difficult to use the architecture for an implementation of calculations, both for academic purposes and for the market. Due to the lack of consensus and differences found in the work, this dissertation aims to analyze the steps of the load flow, identifying which is more suitable to parallelize in GPGPU in order to perform simultaneous load flow calculations and reduces the time required for the processing, an efficient strategy for large scale systems in the market and not academic environment, facilitate the replication for future works using metaheuristics for optimization of power electrical systems.

Os sistemas elétricos de distribuição operam hoje em cenários reestruturados. Nesta nova conjuntura as concessionárias se vêem obrigadas a adotar medidas para reduzir seus custos, o que pode implicar na deterioração da confiabilidade das redes. Cientes deste novo contexto, as agências reguladoras propuseram metas de operação para os indicadores de desempenho sistêmicos, que se ultrapassados implicam na aplicação de penalidades a estas empresas. Para reduzir as eventuais multas os sistemas devem se tornar menos susceptíveis à falhas. Neste contexto, a avaliação de confiabilidade dos sistemas de distribuição torna-se necessária, afinal por meio dela é possível determinar as áreas mais fracas e, portanto, carentes de reforços. Entre as técnicas que mais se destacam nos estudos de confiabilidade está a simulação Monte Carlo (SMC) Seqüencial, a qual consegue representar os aspectos cronológicos entre os possíveis estados operativos da rede e, conseqüentemente, fornecer as funções densidade de probabilidade dos indicadores de desempenho. A metodologia para avaliação dos sistemas de distribuição necessita de um conjunto de dados de confiabilidade dos componentes realista, ou seja, que represente de forma fidedigna o comportamento da rede. Procedimentos de calibração e validação destes dados podem ser implementados em conjunto com a SMC para garantir que as respostas das avaliações preditivas realmente estejam corretas. Os sistemas podem ser melhor avaliados caso sejam computadas não apenas multas, mas também bonificações àquelas redes submetidas a investimentos para melhoria de sua confiabilidade. Estes mecanismos de avaliação denominados “performance based rates”, PBR, tornam o cenário de investimentos mais atrativos para as concessionárias, porque justamente introduzem a idéia de que serão reconhecidos benefícios aos sistemas mais robustos. Os objetivos deste trabalho são os de apresentar uma metodologia de SMC seqüencial eficiente e robusta, propor uma nova metodologia de calibração de dados baseada nas funções de probabilidade e, por fim, discutir dois possíveis mecanismos PBR. Todas as metodologias propostas são avaliadas em um sistema teste IEEE-RBTS e em um sistema real. Nowadays, distribution networks operate under a new re-regulated market structure. In this new context, utilities should reduce their costs, which generally occur through measures that may significantly decrease the system reliability. Aware of this problem, the regulatory agencies have created targets for the reliability indices. If any of these standards are violated, penalties are applied to utilities. In order to reduce the amount of penalties, the system must become less susceptible to failures. Thus, reliability evaluations of distribution systems represent important studies nowadays, since they can reveal the weak parts of the systems, or, in other words, those areas that should be reinforced. One of the most relevant techniques used for this proposal is the sequential Monte Carlo simulation (MCS). This method can represent chronological transitions among all possible system operational states and, consequently, provide density probability functions of the performance indices. The methodology to analyze the distribution system behavior should use an amount of reliable database, which represents the reliability aspects of the system components. Therefore, data calibration procedures have to be implemented with MCS technique in order to ensure predicted results with higher degree of credibility. The systems can be better evaluated for their operational condition if a mechanism known as “performance based rates”, PBR, is used. The PBR mechanism rewards the utilities that provide good reliability, and penalizes the ones with poor reliability behavior. PBR contracts introduce attractive investment scenarios to the utilities by offering benefits for those robust systems. The objectives of this research is to present an efficient sequential MCS, propose a new methodology for data calibration based on the probability distribution functions of the indices, and finally discuss two different PBR mechanisms. All proposed methodologies will be applied to a test system, know as IEEE – RBTS, and to a real system.

As empresas do setor elétrico mundial têm utilizado metodologias interativas para planejar a expansão de seus sistemas, atendendo a critérios basicamente determinísticos, como por exemplo o critério “N-1”. Percebe-se, em geral, a ausência de metodologias mais sofisticadas baseadas em modelos de otimização, as quais podem reduzir drasticamente o número de alternativas de expansão a serem avaliadas pelos planejadores e, conseqüentemente, proporcionar soluções mais adequadas em termos da relação custo-benefício. Esta pode ser uma opção muito interessante de planejamento que deverá ser assimilada pelas empresas do setor elétrico nos próximos anos. No caso específico do Planejamento da Expansão da Transmissão (PET), trata se de um problema combinatório de grande complexidade devido à dimensão dos atuais sistemas de transmissão e às incertezas envolvidas, incluindo aquelas introduzidas pelas novas regras de mercado. O problema PET vem sendo tratado em dois ambientes: estático e dinâmico. No caso estático, avaliam-se as melhores alternativas condicionadas a um único ano do horizonte de expansão, enquanto que no caso dinâmico, todo período é considerado. Tendo em vista a complexidade do problema PET, os modelos heurísticos e metaheurísticos têm proporcionado resultados promissores. O sucesso desses modelos está relacionado à capacidade de evitar mínimos locais, possibilitando, assim, explorar uma vasta região dentro do domínio de cada problema. Esta Dissertação apresenta uma nova metodologia para a solução do problema PET, baseada na metaheurística Otimização por Colônia de Formigas (ACO – Ant Colony Optimization). O objetivo central deste trabalho é obter o conjunto das melhores alternativas de expansão de transmissão a longo prazo, utilizando a metaheurística ACO. Os estudos são realizados considerando uma abordagem determinística em ambientes estático e dinâmico. A eficiência da metodologia proposta é ilustrada por meio de análise de casos incluindo um sistema teste e um sistema real de subtransmissão. Electric energy utilities around the world have made use of interactive methodologies, in order to plan the expansion of their systems, based on deterministic criteria such as the “N-1”. Usually, it can be observed the lack of more sophisticated methodologies based on optimization models, which can significantly reduce the number of expansion alternatives to be appreciated by planners and, consequently, provide the most adequate solutions bearing in mind the cost-benefit relation. This procedure can become a very interesting planning option that should be assimilated by utilities of the world electric sector in the coming years. In the specific case of the Transmission Expansion Planning (TEP), it is recognized that this problem has a huge complexity not only due to the dimension of the actual systems but also to the involved uncertainties, which include those related with the new rules of electric energy markets. The TEP problem has been treated at two environments: static and dynamic. In the static case, the best expansion alternatives are evaluated conditioned to a specific year of the planning horizon, while in the dynamic case, the whole expansion period is taken into account. Bearing in mind the complexity of the TEP problem, heuristic and metaheuristic models have shown promising results. The success of these models is related to their ability of avoiding local minima and, therefore, exploring a wide region within the possible range of each problem. This Dissertation presents a new methodology to solve the TEP problem based on the metaheuristic known as Ant Colony Optimization (ACO). The main objective is to obtain the set of best transmission expansion alternatives, in the long term, using the ACO metaheuristic. All studies are carried out considering a deterministic framework, at both environments: static and dynamic. The efficiency of the proposed approach is illustrated through its application to a test system and also to a real subtransmission network.

Este trabalho apresenta uma metodologia de desenvolvimento de controle digital para conversores de potência, onde se pode modelar toda a estrutura – conversor e sistema de controle – num mesmo ambiente, através da linguagem de descrição de hardware VHDL-AMS. Esta linguagem possibilita descrições comportamentais de toda a estrutura, podendo assim simular, testar e validar o sistema de controle digital sem a necessidade de um protótipo. O código VHDL do controle digital, devido à portabilidade da linguagem, pode então, ser utilizado para a implementação em uma FPGA ou ASIC. Os resultados de simulação mostram a possibilidade de implementação da metodologia, oferecendo possibilidades interessantes no controle de conversores de potência. This work describes a methodology for the development of the digital control of power converters, where the whole structure – converter and control system – can be modeled in the same environment through the hardware description language VHDL-AMS. This language allows a behavioral description for the whole structure, so that the control system can be simulated, tested and validated without the need of a prototype. The portability of the VHDL language allows the implementation of the digital control code in an ASIC or FPGA. Simulations results show the feasibility of the methodology offering interesting possibilities in power converter control.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um equipamento testador de semicondutores de potência, dos tipos diodos e tiristores. Estes semicondutores são utilizados extensivamente em compensadores estáticos de reativos. São apresentados os fundamentos teóricos sobre estes dispositivos e os parâmetros necessários para a análise de degradação relativas as características de bloqueio direto (para tiristores) e reverso (para diodos e tiristores). O desenvolvimento dos circuitos de teste são também demonstrados, assim como o software de controle do equipamento. O conjunto hardware/software deste instrumento permite a execução automática dos testes, aquisitando e arquivando dados resultantes de cada ensaio destes semicondutores. Com base nos resultados destes testes, uma metodologia de análise de degradação é proposta, classificando os componentes como em três estados de operação possíveis: bom, defeituoso ou falho. A influência da temperatura nas características de bloqueio é também analisada. This work presents a development of an equipment to test power semiconductors (diodes and thyristors). These semiconductors are extensively used in static compensators. It is introduced the theoretic foundations about those devices and required parameters to analyse the degradation in forward blocking (for thyristors) and reverse blocking (for diodes an thyristors). The test circuits development is also presented as well as the equipment´s control software. The set of hardware/software of this instrument allows the automatic execution of tests, acquisiting and recording the informations of each semiconductor tested. Based on the results of these tests, a degradative analysis methodology is proposed, categorizing the components in three possible states of operation: good, deficient or fail. The temperature influence in the blocking characteristics is also analyzed.

A estabilidade transitória de sistemas de potência pode ser incrementada com o uso da Fast Valving (FV) em turbinas a vapor. O controle da Fast Valving (FV) das turbinas a vapor tem atraído mais e mais a atenção no cenário mundial devido aos sistemas elétricos de potência estarem operando cada vez mais perto dos seus limites de estabilidade e devido à dificuldade de se conseguir a expansão do sistema de transmissão. No Brasil isto também ocorre. O número de usinas termoelétricas no sistema elétrico brasileiro está aumentando, então torna se necessário utilizar modelos matemáticos mais sofisticados para representá-las. Modelos usados nos estudos de estabilidade estão atingindo um nível sofisticado devido ao tamanho e topologia dos sistemas atuais, exigindo a criação de novos métodos para garantir a estabilidade, prevendo através de simulações o comportamento dinâmico do sistema. A FV mostra-se eficiente na estabilidade de sistemas de potência, mas uma das maiores dificuldades encontradas é de ainda não se dispor de modelos matemáticos divulgados para a mesma, somente artigos e livros que mencionam o seu modo de atuação, que consiste em uma rápida redução da potência mecânica da turbina quando uma significativa oscilação de potência ocorre. Então o principal propósito desta dissertação é desenvolver modelos matemáticos da FV e analisar o seu comportamento em sistemas elétricos de potência. A rápida redução de potência mecânica ocorre devido ao rápido fechamento das válvulas de interceptação (IV) ou rápido fechamento das válvulas de controle (CV) em conjunto com as IV. O início desta atuação deve se dar no mais curto intervalo de tempo possível após a detecção de um defeito e então as válvulas devem reabrir total ou parcialmente em um curto período de tempo. O princípio da FV está diretamente relacionado ao critério de igualdade de áreas: quando uma falta ou rejeição de carga ocorre, a potência elétrica reduz-se rapidamente, para evitar uma possível perda de sincronismo a potência mecânica da turbina a vapor deve ser reduzida através do rápido fechamento de suas válvulas. A rápida redução da potência mecânica aumenta a área de desaceleração e diminui a área de aceleração. De acordo com o critério de igualdade de áreas, se a área de desaceleração é maior que a área de aceleração, o sistema não perde o sincronismo. Existem várias filosofias para acionar a FV e a utilização combinada de alguns métodos pode ser considerada uma otimização. Geralmente o acionamento da FV é feito por solenóides especiais sendo que na sala de operação da usina existem chaves que permitem a escolha de habilitar ou não as válvulas. A vantagem da FV é que com a sua atuação a unidade térmica não precisa ser desconectada do sistema em muitos casos, evitando a necessidade de sua ressincronização e aumentando o tempo crítico de eliminação de faltas, principalmente em sistemas de transmissão fracos. The transient stability of power systems can be enhanced with the use of Fast Valving (FV) in steam turbines. Fast Valving control has been calling attention around the world due the fact that power systems are operating near their stability limits and due the difficulties in expanding the transmission systems. In Brazil it happens either. The number of thermoelectric power plants in Brazilian power system is increasing, so it is necessary to use accurate mathematical models to represent them. Mathematical models used in stability studies are reaching a sophisticated level due to power systems size and topology, so it demands the development of new techniques to assure stability, predicting with simulations the behavior of the systems. Fast Valving is one of the least expensive controls for stability, but one of the biggest difficulties is that there are not mathematical models available for it at the moment, just articles and books that mention how FV actuates, that is, a quick mechanical power reduction of the steam turbine when a large power oscillation happens. So the main purpose of this master dissertation is to develop mathematical models of FV and analyze its behavior in electric power systems. The fast reduction of mechanical power happens due to the fast closure of the intercept valves (IV) or the fast closure of control and intercept valves together. The actuation must start in the minimum time after the detection, for example, of a fault and then valves must reopen totally or partially in a short period of time. FV principle is strictly related to the equal area criterion: when a fault or load shedding happens, the electrical power suddenly reduces, to avoid a possible loss of synchronism mechanical power must be reduced with the fast closure of the steam turbine valves. The fast reduction of mechanical power increases the deccelerating area, and reduces the accelerating area. According to the equal area criterion, if the deccelerating area is bigger than the accelerating area, the system will not lose synchronism. There are several philosophies to actuate FV and the combined utilization of some methods is considered an optimization. Usually FV actuation is made by special solenoids and there are keys in the dispatch office that permits to choose whether the valves will be available to actuate or not. The advantage of FV is that with its actuation the thermal unit does not need to be disconnected of the system in many cases, avoiding resynchronisation and besides FV raises the critical clearing time mainly in weak transmission networks.

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