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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Operational performance analysis is a multidisciplinary tool that allows the engineering systems manager to control the quality of services provided, as needed. For this operational tool to be effective, it is necessary to know the details of the processes involved and mathematically model metrics that bring representative responses from the goals established for the qualification of the system. In this work, the quality metrics established for the Telecommunications systems and the continuity of the Electricity Distribution services, inspected by Anatel and Aneel, respectively, were analyzed. The two methods have differences in schedules, evaluated periods and mathematical relationships. The two methods have differences in schedules, evaluated periods and mathematical relationships. In addition, they have few indexes listing their indicators. Thus, Fuzzy Logic was selected as a mathematical tool to relate the indicators currently practiced in order to create more comprehensive indices that can compose a new methodology for the analysis of operational performance for Smart Grids (REI). This methodology starts from the union of the current sets with their respective metrics, being organized in four main axes: specific indices, instant monitoring indices, new indicators and customer satisfaction. From these groups, indicators and indexes were developed to assess the quality of REI. Then, for the first grouping: indexes of establishment and continuity of data connection (REI01) and guarantee of the contracted transmission rate (REI02) and infrastructure quality indicator (REI07); for the second: indices of instantaneous capacity of individual interruptions (REI03), of instantaneous ability to calculate the frequency of individual interruptions (REI04), of instantaneous capacity of collective interruptions (REI05), of instantaneous ability to calculate the frequency of interruptions individual (REI06); for the third: indicators of the instantaneous data transfer rate (SMP10i / SCM4i) and the average monthly individual data transfer rate (SMP11i / SCM5i); and, for the fourth: the union of several current indicators and indices that make up customer satisfaction, such as drop rate (SMP7), maximum duration of continuous interruption (DMIC), user complaints rate (REL), number repair requests (RAI), consumer satisfaction Aneel (IASC), satisfaction survey and perceived quality Anatel (SCM and SMP). Equal data with different goals per company (DIC, for example) were normalized through the Indicator Unit Value (VUI) created. Through the Fuzzy Logic it was possible to implement the evaluation of the inputs from the goals stipulated by the current regulations, in levels established as stages or equivalent numerical quality levels, being: very bad (0 - 0.3), bad (0.2 - 0 , 6), good (0.5 - 0.9) and excellent (0.8 - 1). The fuzzifiers and defuzzifiers were tested with a REI, found in the bibliography, and with real data from a Brazilian region with an implanted REI, showing adherence in the evaluations and results obtained. A análise de desempenho operacional é uma ferramenta multidisciplinar que permite ao gestor de sistemas de Engenharia uma forma de controlar a qualidade dos serviços prestados ou fornecidos, conforme a necessidade. Para que essa ferramenta operacional tenha efetividade é necessário conhecer os detalhes dos processos envolvidos e modelar matematicamente métricas que tragam respostas representativas a partir de metas estabelecidas para qualificação do sistema. Neste trabalho, foram analisadas as métricas de qualidade estabelecidas para os sistemas de Telecomunicações e de continuidade dos serviços de Distribuição de Energia Elétrica, fiscalizados por Anatel e Aneel, respectivamente. Os dois métodos possuem divergências em horários, períodos avaliados e relações matemáticas. Além disso, possuem poucos índices relacionando seus indicadores. Assim, foi selecionada a Lógica Fuzzy, como ferramenta matemática, para relacionar os indicadores atualmente praticados de forma a criar índices mais abrangentes que possam compor uma nova metodologia de análise de desempenho operacional para as Redes Elétricas Inteligentes (REI). Esta metodologia parte da união dos conjuntos atuais com suas respectivas métricas, sendo organizada em quatro eixos principais: índices específicos, índices de monitoramento instantâneo, indicadores novos e satisfação do cliente. A partir desses grupos, foram desenvolvidos indicadores e índices para avaliar a qualidade da REI. Então, para o primeiro agrupamento: índices de estabelecimento e continuidade da conexão de dados (REI01) e de garantia da taxa de transmissão contratada (REI02) e indicador de qualidade da infraestrutura (REI07); para o segundo: índices de capacidade instantânea de interrupções individuais (REI03), de capacidade instantânea de apurar a frequência de interrupções individuais (REI04), de capacidade de apuração instantânea de interrupções coletivas (REI05), de capacidade instantânea de apurar a frequência de interrupções individuais (REI06); para o terceiro: indicadores da taxa instantânea de transferência de dados (SMP10i/SCM4i) e da taxa média mensal de transferência de dados individual (SMP11i/SCM5i); e, para o quarto: a união de vários indicadores e índices atuais que compõem a satisfação do cliente, como taxa de queda de ligações (SMP7), duração máxima de interrupção contínua (DMIC), taxa de reclamações dos usuários (REL), número de solicitações de reparo (RAI), satisfação do consumidor Aneel (IASC), pesquisa de satisfação e qualidade percebida Anatel (SCM e SMP). Dados iguais com metas distintas por empresa (DIC, por exemplo) foram normalizados através do Valor Unitário de Indicador (VUI) criado. Através da Lógica Fuzzy foi possível implementar a avaliação das entradas a partir das metas estipuladas pelos regulamentos atuais, em níveis estabelecidos como estágios ou níveis de qualidade numéricos equivalentes, sendo: péssimo (0 – 0,3), ruim (0,2 – 0,6), bom (0,5 – 0,9) e excelente (0,8 – 1). Os fuzzificadores e defuzzificadores foram testados com uma REI, encontrada na bibliografia, e com dados reais de uma região brasileira com REI implantada, mostrando aderência nas avaliações e resultados obtidos.

The electricity distribution system is becoming more complex, when compared to the transmission and generation ones. However, the arrival of new technologies, such as distributed generation and smart electricity grids, demands a change of vision regarding the simplicity of energy distribution. One of the technologies that has been studied and implemented throughout the world is the Advanced Metering Infrastructure. This work was dedicated to study and implement a system of the type, evaluating all the challenges and benefits that such technology can bring to a public institution. System requirements were defined, and based on that, the technologies used were defined. The proposed system consists of 60 smart energy meters installed in different buildings at the Federal University of Santa Maria, a long-range communication network that operates in an unlicensed band and a data management system based on open source technologies. The application makes it possible to carry out electrical energy quality analysis and individualization of the loads that make up the UFSM campus, providing a range of information to the maintenance teams and for guiding energy efficiency actions. The results obtained indicate some drawbacks in relation to the communication network, however, the feasibility of implementing the system was verified, with a survey of energy quality indicators and individualization of energy consumption and demand for various buildings during the month of December 2019. Finally, there was a list of suggestions for future work that may contribute to improve the performance of the implemented AMI. O sistema de distribuição de energia elétrica está se tornando mais complexo, quando comparado com os de transmissão e geração de energia elétrica. Porém a inserção de novas tecnologias, como a geração distribuída e as redes elétricas inteligentes demandam uma mudança de visão a respeito da simplicidade da distribuição de energia. Uma das tecnologias que vêm sendo estudada e implantada ao longo do mundo é a Medição Avançada de energia elétrica. Nesse trabalho, buscou-se o estudo e implantação de um sistema de medição avançada, avaliando todos os desafios e benefícios que tal tecnologia pode trazer para uma instituição pública. Foram definidos requisitos do sistema, e, baseado nisso, definidas as tecnologias utilizadas. O sistema proposto consiste em 60 medidores inteligentes de energia instalados em diferentes prédios e centros da Universidade Federal de Santa Maria, uma rede de comunicação de longo alcance que opera em banda não licenciada e sistema de gestão de dados baseado em tecnologias open source. A aplicação permite realizar análises de qualidade de energia elétrica e individualização das cargas que compõe o campus da UFSM, fornecendo uma gama de informações às equipes de manutenção e para o direcionamento das ações de eficiência energética. Os resultados obtidos indicam alguns gargalos com relação a rede de comunicação, porém, verificou-se a viabilidade de implantação do sistema, com levantamento de indicadores de qualidade de energia e individualização do consumo de energia e demanda de diversos prédios e centros durante o mês de dezembro de 2019. Por fim, realizou-se uma lista de sugestões para trabalhos futuros que venham a contribuir com a melhoria da performance do AMI implantado.

This work presents contributions to the study and development of Voltage and Reactive Power Control (Volt/VAr control or VVC) for intelligent distribution systems. Currently, the use of VVC is considered one of the most important and desired functions in the context of distribution systems modernization, in view of the rise of communication technologies and new controllable equipment. In this sense, some commercial solutions have been proposed in the last years for the implementation and optimization of VVC in the distribution networks. However, studies and propositions of adequate techniques are still necessary, since most of these solutions have not yet considered the possibility of controlling voltage levels by frequency inverters, excluding the participation of distributed generation, static reactive compensators and other electronic equipment with potential benefits of VVC in distribution networks. In this context, this work proposes a new VVC methodology to coordinate the traditionally equipment actions with power electronics equipment, ensuring the voltage control at adequate levels mainly with operational gains in relation to the reduction of the number of commutations of conventional devices. For this, a coordinated centralized VVC strategy is proposed in the substation that considers the limitations of the different equipment and the commutations proportionality without impairing the voltage levels. The methodology was applied in two distribution systems based on real IEEE networks, which was implemented through an interface between the software MATLAB® and OpenDSS® with satisfactory results. Este trabalho apresenta contribuições ao estudo e ao desenvolvimento de estratégias de Controle de Tensão e Potência Reativa (Controle Volt/VAr ou VVC, do inglês volt/var control) para sistemas de distribuição inteligentes. Atualmente, o emprego do VVC é considerado uma das funções mais importantes e desejadas no contexto de modernização de sistemas de distribuição, tendo em vista a ascensão de tecnologias de comunicação e novos equipamentos controláveis. Neste sentido, foram propostas nos últimos anos algumas soluções comerciais para a implementação e a otimização do VVC nas redes de distribuição. Contudo, ainda são necessários estudos e proposições de técnicas adequadas, pois a maioria destas soluções ainda não considerara a possibilidade de controle dos níveis de tensão por inversores de frequência, excluindo a participação da geração distribuída, compensadores estáticos de reativos e outros equipamentos eletrônicos com potenciais benefícios na realização do VVC em redes de distribuição. Neste contexto, este trabalho propõe uma nova metodologia de VVC para coordenar as ações de equipamentos tradicionalmente utilizados em conjunto com equipamentos eletrônicos, garantindo o controle da tensão em níveis adequados, principalmente com ganhos operacionais em relação a redução do número de chaveamentos dos dispositivos convencionais. Para isso é proposta uma estratégia de VVC coordenado centralizado na subestação, que utiliza lógica fuzzy para determinar o equipamento que atuará na correção das violações de tensão, bem como o ajuste necessário, incluindo as limitações dos diferentes equipamentos e a proporcionalidade entre seus chaveamentos sem prejudicar os níveis de tensão. A metodologia foi aplicada para dois sistemas teste de distribuição baseados em redes reais da IEEE, sendo implementada através de uma interface entre os softwares MATLAB® e OpenDSS® com resultados que atendem ao objetivo proposto.

The smart grid will enable a revolution in the way we manage and relates to the distribution networks through intelligent applications. For many of these applications, it is understood that one of the primary activities to provide real time operation is to be aware of the electric state of the network by monitoring and using remote measurements. This thesis addresses the topic of state estimation proposing the use of methods that best fit the requirements of smart distribution networks. In a first moment it is understood that the monitoring will not be satisfactorily comprehensive, and then there will need to merge real measures with not real measures obtained through historical data and direct methods such as calculating the power flow. Another important requirement of these methods is to combine great complexity and large number of buses of the distribution network to a satisfactory response time that allows real-time monitoring. Thus this thesis uses an approach that enables multiprocessing of algorithms like Power Flow and State Estimation in order to get faster response times in multiprocessor environments, which now are quite common. In the case of State Estimator has been proposed a Multi-area estimator associated to an algorithm for massive division of the networks which allows to drastically reduce the complexity of the algorithm without compromising the accuracy of the estimator solution. Nevertheless, other concepts related to state estimation, but adapted to the context of smart grids are also addressed as the detection of errors in measurements, topology errors and to the ideal location of meters, which may have important influence on the accuracy of the obtained result. The ASW software - Analysis of Distribution Systems Web was developed to implement the proposed methodologies. The software is a totally working prototype, already tested on a real distribution networks and have demonstrated good results and potential for managing a distribution system in an smart way. As redes elétricas inteligentes permitirão uma revolução na forma como se gerencia e se relaciona com as redes de distribuição, através de aplicações inteligentes. Para diversas destas aplicações, entende-se que uma das atividades primordiais para proporcionar a operação em tempo real é ter conhecimento do estado elétrico da rede através do monitoramento e do uso de medidas remotas. A presente tese aborda o tema de estimação de estado propondo o uso de métodos que melhor se adaptam aos requisitos das redes de distribuição inteligentes. Num primeiro momento entende-se que o monitoramento não será satisfatoriamente abrangente, então haverá a necessidade de mesclar medidas remotas reais com outras pseudo-medidas obtidas através de dados históricos e métodos diretos como o cálculo do Fluxo de Potência. Outro requisito importante destes métodos é conseguir conciliar a grande complexidade e o elevado número de nós das redes de distribuição a um tempo de resposta satisfatório que permita o monitoramento em tempo real. Desta forma a presente tese utiliza uma abordagem que permite o multiprocessamento dos algoritmos de Fluxo de Potência e Estimação de Estado de forma a obter um menor tempo de resposta em ambientes multiprocessados, que são bastante comuns atualmente. No caso do Estimador de Estados, foi proposto um estimador multi-área associado a um algoritmo de divisão maciça das redes, que permite reduzir drasticamente a complexidade do algoritmo sem comprometer a precisão da solução. Todavia, outros conceitos relacionados à estimação de estado, porém adaptados ao contexto de redes de distribuição inteligentes também são abordados como a detecção de erros em medidas, erros de topologia e a localização ideal de medidores, os quais podem ter importante influência na precisão do resultado obtido. O software ASW Análise de Sistemas de Distribuição Web foi desenvolvido para implementação das metodologias propostas. O Software ainda se encontra sob a forma de um protótipo, contudo já se apresenta funcional em redes de distribuição reais e demonstrando bons resultados e potencialidades para o gerenciamento de um sistema de distribuição inteligente.

The evolution of equipment, new functions and control algorithms, supervisory systems, automation and smart grids offer to utilities numerous conditions for improving the voltage profile and the rational use of its equipment on their networks. To the step voltage regulators, the presence of serial equipment, different loading scenarios and topologies that can arise due to perform maneuvers necessitate a constant review of its settings and operating conditions. The dynamics of operation and mutual influence between regulators brings effects throughout the distribution network. The deficiency of coordination between the equipment can result in violations of voltage levels, consumer complaints and increase in switching regulators. This work presents a hybrid control, operating with individual modules and control at the local level, but integrated into a hierarchical and centralized control that acts according to the topology of the network and operational condition. The individual control (IC), developed from a methodology self-tuning functions and data processing load and strain on the controllers themselves, enables distributed processing of voltage control, sending information to the centralized control through no responses requested via SCADA system when needed. The global control integrated into the SCADA system operates and performs functions of coordination, validation and prioritization, in real time, streamlining the switching equipment, working on timing and assuming their control functions. The adaptive hierarchical voltage control (CHAT), developed in this thesis, was evaluated and compared with conventional operation in various operating scenarios and showed a fast and effective response both regularization voltage under normal operating conditions as in the reconfiguration of network or contingency acting proactively in voltage control of distribution networks. A evolução dos equipamentos, novas funções e algoritmos de controle, além de sistemas supervisórios, automação e redes elétricas inteligentes oferecem às distribuidoras inúmeras condições para a melhoria do perfil de tensão em suas redes bem como o uso mais racional dos seus equipamentos. Para os reguladores de tensão, a presença de equipamentos em série, os diferentes cenários de carregamento e topologias que podem surgir devido à realização de manobras tornam necessária uma constante avaliação de seus ajustes e condições operativas. A dinâmica de operação e influência mútua entre os reguladores traz efeitos em toda a rede de distribuição. A falta de coordenação entre os equipamentos pode resultar em transgressões dos níveis de tensão, reclamações dos consumidores e aumento no número de comutações dos reguladores. Este trabalho apresenta de um controle híbrido, operando com módulos individuais e controle em nível local, mas integrados a um controle hierárquico e centralizado que atua de acordo com a topologia e condição operativa da rede. O controle individual (CI), desenvolvido a partir de uma metodologia com funções de auto ajuste e processamento dos dados de carregamento e tensão nos próprios controladores, permite o processamento distribuído do controle de tensão, com envio de informações ao controle centralizado através de respostas não solicitadas via sistema SCADA quando necessário. O controle global opera integrado ao sistema SCADA e executa funções de coordenação, validação e hierarquização, em tempo real, racionalizando as comutações dos equipamentos, atuando na temporização e assumindo suas funções de controle. O controle hierárquico adaptativo de tensão (CHAT), desenvolvido nesta tese, foi avaliado e comparado com a operação convencional em diversos cenários operativos e apresentou uma resposta mais rápida e eficaz na regularização de tensão tanto em regime normal de operação como em condições de reconfiguração da rede ou contingência atuando de maneira proativa no controle de tensão das redes de distribuição.

Com a total dependência pela energia elétrica em todos os setores da sociedade e a consequente regulamentação, é necessário que as concessionárias se preocupem em manter a continuidade do seu fornecimento, além de atender aos padrões que remetem à qualidade. A continuidade do fornecimento de energia elétrica é algo fundamental tanto para os consumidores quanto para a concessionária, a qual deixa de vender energia elétrica e ainda pode ser penalizada por interrupções muito longas ou em áreas críticas (hospitais ou indústrias, por exemplo). Como nem sempre é possível manter a continuidade do fornecimento devido a diversos fatores, sendo os defeitos permanentes os mais críticos, as empresas concessionárias são levadas a procurar novas metodologias e tecnologias para diminuir o tempo que o fornecimento de energia elétrica é interrompido. Nesse trabalho é descrita uma metodologia para o restabelecimento da energia em redes de distribuição de maneira automática. Essa metodologia se baseia no uso de tecnologias de comunicação e na automação dos equipamentos de manobras das redes. Com isso é possível obter os dados do estado da rede em tempo real, e é possível enviar os comandos para tais equipamentos de forma direta, sem a necessidade de intervenção humana. A metodologia aqui apresentada tem como objetivo detectar a localização de um defeito na rede através de leituras dos estados dos equipamentos, e então procurar as melhores manobras que restabeleçam o fornecimento ao máximo de consumidores sem que isso coloque todo sistema de distribuição, ou mesmo parte dele, em sobrecarga. Também é considerado que a rede pode ter sofrido alterações em equipamentos não automatizados (chaves manuais), e que as características de carga mudam no decorrer do tempo. Assim, a topologia deve ser atualizada antes de executar simulações e que os dados para tais simulações devem prever o comportamento da carga para o tempo que a contingência possa durar. Como teste da metodologia, foram executadas simulações em dados de redes reais de distribuição com diferentes topologias e diferentes cenários de defeitos. Os resultados obtidos foram satisfatórios na medida que tais soluções de restabelecimento eram viáveis em termos de carregamento da rede e foram calculadas em um curto espaço de tempo (poucos segundos). Essa agilidade traz vantagens tanto para os clientes quanto para a própria concessionária. With the total dependency for electric power in all society sectors and the following regumen-tation, is necessary that the utilities worry in maintaining the continuity of power supply, in addition to meeting the standards that refer to quality. The continuity of power supply is fun- damental both for consumers and for the utility, which stops selling electricity and can still be penalized for too long interruptions or in critical areas (hospitals or industries, for example). As it is not allways possible to maintain the continuity of power supply due several factors, being the most critical the permanets defects, the utilities are driven to seek new methods and tecnologies to reduce the time that power supply is interrupted. In this work we describe a methodology for automatic restoration in power grids. This methodology is based on the use of communication technologies and automation equipment maneuvers networks. With this is possible to get the data status from the grid in real time, and also can send commands to these devices directly, without the need for human intervention. The methodology presented here tries to detect the location of a fault on the grid, through readings of the equipments status, and then search for the best maneuvers to restores supply to maximum consumers without putting the entire distribution system, or portion thereof, in overload . It is also considered that the grid may have changed in non-automated equipment (manual keys), and that the load characteristics change over time. Thus, the topology must be updated before running simulations and data for such simulations should predict the behavior of the load for time that can last contingency. As a test of the methodology, simulations were performed on real power grids data with different topologies and different scenarios defects. The results were satisfactory as such restoration solutions were viable in terms of network loading and were calculated in a short time (few seconds). This agility has benefits both for customers and for the own utility.