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Orientador: Walmir de Freitas Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Visando manter a qualidade da energia elétrica entregue aos consumidores e atender os critérios de operação impostos pelos órgãos reguladores dos sistemas elétricos, necessita-se realizar análi-ses técnicas em sistemas de distribuição de energia. Os principais estudos realizados são os de cálculo de fluxo de potência, cálculo de curto-circuito e também análises da distorção harmônica. Um problema encontrado atualmente é que apesar de muitos métodos serem desenvolvidos com o objetivo de auxiliar na realização destes estudos, geralmente cada método é dedicado a um tipo de análise, ou seja, não há uma integração entre as diversas ferramentas de análise de rede, o que acaba dificultando o trabalho do engenheiro da concessionária. Com o objetivo de integrar as principais análises do setor de distribuição em uma única ferramenta, neste trabalho foi imple-mentada uma metodologia generalizada com capacidade para encontrar a solução para problemas de sistemas multifásicos, unificando os cálculos de fluxo de potência na frequência fundamental, fluxo de potência em frequências harmônicas e curto-circuito. Neste contexto, entre as vantagens do programa desenvolvido destacam-se: (a) unificação das principais ferramentas de estudos em sistemas de distribuição ¿ fluxo de potência, curto-circuito e fluxo de potência harmônico; (b) modelagem multifásica ¿ essa modelagem permite representar explicitamente o neutro e diferen-tes características de aterramento (por exemplo, sistemas multiaterrados); (c) robustez ¿ o método de solução utilizado é o Newton-Raphson; (d) flexibilidade ¿ cada componente da rede é mo-delado por ramo, permitindo maior flexibilidade na representação de diferentes conexões dos equipamentos; (e) o algoritmo foi implementado utilizando-se linguagem de programação Python. Este trabalho apresenta detalhes da formulação utilizada e a validação do algoritmo pela comparação dos resultados obtidos com os resultados de programas de análise de sistemas de potência bastante conhecidos Abstract: Technical analyses applied to distribution systems are needed in order to guarantee the quality in electric energy delivered to the customers and to meet the regulatory requirements. The main studies performed with these purposes are power flow, short-circuit and harmonic power flow analyses. A current problem is that, although many methods have been developed to assist these studies, generally each method is dedicated to one type of study. In other words, there is no inte-gration between the several tools of network analysis, making the work of utility engineer a dif-ficult task. In order to integrate the main distribution system analyses into a single tool, in this work, it was implemented a generalized method with the capability of finding the solution for multiphase system problems, allowing the power flow calculation in fundamental and harmonic frequencies as well as short-circuit analyses. In this context, the main advantages of the devel-oped program are: (a) unification of the main tools applied to distribution systems studies ¿ fun-damental and harmonic frequencies power flow and short-circuit studies; (b) multiphase model-ing ¿ the models allows to represent multiple phases, neutral and different grounding topologies (for instance, multigrounded); (c) robustness ¿ the solution method is Newton-Raphson; (d) flex-ibility ¿ each network component is modeled as a branch, resulting in a higher flexibility in rep-resentation of different equipment connections; (e) the algorithm was implemented using Python programming language. This work presents details of the method formulation and the algorithm validation by the comparison of the obtained results with the results from well-known power system analyses software Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Walmir de Freitas Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Uma das deficiências históricas das redes de distribuição é a escassez de medições ou informações imprecisas nos bancos de dados, dificultando a identificação ou a solução de determinados problemas no sistema. Na modernização das redes de distribuição, a substituição de medidores eletromecânicos por medidores inteligentes vem se destacando entre os investimentos recentemente realizados pelas distribuidoras de energia elétrica diante das diversas possibilidades que esta tecnologia pode trazer como benefício. Além dos dados de medição disponibilizados, almejam-se soluções que os transformem em informações úteis tanto para as distribuidoras quanto para a agência reguladora. Adicionalmente, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) tem demonstrado preocupação em relação à fiscalização das distribuidoras referente ao cômputo dos indicadores de transgressão de tensão em regime permanente, os quais são baseados exclusivamente em medições amostrais realizadas nas unidades consumidoras e cujos valores são enviadas pela própria distribuidora. Segundo a ANEEL, a atual forma de obtenção dos dados impossibilita uma auditagem e tais valores estão sujeitos a erros e manipulações, levando ao cálculo impreciso de tais indicadores. Neste contexto, este trabalho estuda a utilização da estimação de estados trifásica para a apuração dos indicadores de conformidade de tensão em regime permanente em redes reais de distribuição de energia. Com o intuito de viabilizar os cálculos da estimação de estado para um alimentador real completo, utiliza-se o conceito de estimação de estado baseada em matriz admitância com a formulação de Tableau Esparso. Este conceito traz robustez nos resultados e reduz substancialmente o custo computacional por usufruir de matrizes constantes dentre iterações. Tipicamente, os valores calculados pelo estimador de estado apresentam maior confiabilidade em relação às próprias medidas. Para as análises, compara-se a qualidade dos indicadores de transgressão de tensão diante da utilização direta das medições em contraposto com o uso dos valores calculados na estimação de estado. Os resultados mostram que a estimação de estados pode contribuir para a apuração dos indicadores de conformidade de tensão mesmo mediante adulteração dos valores e na presença de condições adversas como furto de energia Abstract: One of the historical deficiencies of the utilities is the lack of measurements or inaccurate information in the databases, hampering the identification or the solution of important issues. With the modernization of the distribution networks, the replacement of electromechanical meters with smart meters extends among the investments recently made by utilities and motivated by the various possibilities that this technology can bring as a benefit. In addition to the measurement data, useful information is needed for both utilities and the regulatory agency. One of the Brazilian Electricity Regulatory Agency (in Brazilian Portuguese, ANEEL) concerns regarding the supervision of utility service refers to the calculation of voltage transgression indicators, which is based exclusively on measurements acquired at consumer units and whose values are sent by the utility itself. According to ANEEL, the current way of obtaining the data makes auditing impossible, and such values are subject to errors and manipulations, leading to the imprecise calculation of such indicators. In this context, this work studies the use of three-phase state estimation to determine the steady-state voltage compliance indicators in real energy distribution networks. To estimate the state of a real feeder, admittance matrix-based state estimation is used with the formulation of Sparse Tableau. This combination substantially reduces the computational cost by taking advantage of constant matrices between iterations, achieving robust performance. Typically, the values calculated by the state estimator are more reliable than the measurements. For the analysis, the quality of the voltage transgression indicators is compared in the face of the direct use of the measurements in contrast with the use of the calculated values in the state estimation. The results show that the state estimation can contribute to verifying the voltage compliance indicators even through adulteration of the measurements and in the presence of adverse conditions such as energy theft Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica CAPES 88887.342082/2019-00

Made available in DSpace on 2018-03-22T15:51:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_11684_Tese MB.pdf: 975008 bytes, checksum: 39bf558df9b9f3e0443846b4fd1d3c16 (MD5) Previous issue date: 2018-01-09 Modelos do sistema elétrico são importantes para permitir a realização de diversos estudos, visando a redução de perdas, melhoria da qualidade da energia, entre outros. No cenário atual a realização de análises harmônicas torna-se necessária devido à crescente inserção de cargas não lineares no sistema. Uma vez que os perfis de tensão e corrente das redes são fortemente afetados pelo comportamento da carga, sua modelagem é essencial para realizar tais análises. Diferente dos outros modelos harmônicos encontrados a literatura, esta tese apresenta duas novas propostas de modelagem de carga. A primeira proposta combina o modelo ZIP e uma matriz de admitância cruzada. Esta combinação reúne os benefícios da caracterização de cargas pelo tradicional modelo ZIP, que provê algum conhecimento físico sobre a carga, bem como o cruzamento de frequências dado por uma matriz de admitância. Neste caso, procura-se limitar os coeficientes ZIP, visando identificar a proporção da potência em termos de impedância constante, corrente constante e potência constante. Além disso, é discutido o método para a determinação dos parâmetros do modelo, usando busca exaustiva e regressão linear múltipla. Na segunda proposta, o novo modelo é baseado em um circuito que agrega componentes de impedância, corrente e potência, em uma configuração diferente daquelas encontradas na literatura. O acoplamento entre várias ordens harmônicas é proporcionado por uma matriz de correntes constantes. O método de regressão linear múltipla é utilizado para determinar os parâmetros do modelo. Aspectos relacionados à seleção de dados e à determinação da quantidade de amostras são abordados nas duas propostas. Em ambos os casos foi possível determinar de forma acurada a injeção harmônica no barramento da carga, mediante o conhecimento de sua tensão alimentação. Estudos de caso com uma carga real, usando dados obtidos com um medidor de qualidade de energia, exemplificam a aplicação dos modelos em uma carga eletrônica. Vários outros estudos de caso foram implementados, utilizando um software simulador de transitórios eletromagnéticos, para evidenciar a eficácia dos modelos proposto em diferentes cargas. Em um destes estudos, foi aplicada a metodologia proposta para a modelagem harmônica de um conjunto de cargas conectadas a uma rede radial. Os resultados obtidos no estudo da carga experimental, bem como nos demais estudos de caso, mostraram que os modelos propostos foram capazes de representar o comportamento harmônico das cargas avaliadas com elevada exatidão.

Orientador: Walmir de Freitas Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Modelos matemáticos e computacionais precisos dos diversos componentes de um sistema de energia elétrica são importantes para estudos e simulações em um cenário de planejamento e operação da rede elétrica. Dentre os elementos de um sistema de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, as cargas são as que apresentam maiores dificuldades em serem adequadamente representadas. Embora esse tema de pesquisa tenha sido exaustivamente explorado, a modelagem de carga tem recebido renovada atenção do setor produtivo e da academia por uma série de fatores, dentre os quais podemos destacar a proliferação de medidores eletrônicos, o interesse por modelos de novos equipamentos e a necessidade da representação mais fiel do comportamento de diferentes cargas frente a distúrbios no sistema. Esta tese de doutoramento propõe duas contribuições na linha de pesquisa sobre modelagem de carga em sistemas de energia elétrica. A primeira delas trata-se de um método de modelagem de carga baseado em medições e na detecção de distúrbios naturais de tensão. O procedimento proposto emprega medidores eletrônicos simples, que são instalados junto a instalações em sistemas de distribuição com motivo outro que não o de modelagem de carga. A ideia principal é a de utilizar tais medidores para, paralelamente a função que desempenham, fornecer para a concessionária informações sobre modelos de carga, como um subproduto da função principal que desempenham. A segunda contribuição proposta é na linha da modelagem de carga baseada em templates, uma técnica recentemente proposta na literatura para modelagem dinâmica de cargas industriais de grande porte. Nesta tese é proposto um modelo dinâmico simplificado de motores de velocidade variável controlados via conversores eletrônicos (Variable Frequency Drives ¿ VFDs), o qual é baseado em um modelo modificado de um motor de indução. O modelo proposto é adequado ao contexto da estrutura de modelagem de cargas industriais proposta pela técnica de modelagem baseada em templates e pode ser facilmente agregado e analisado em programas de simulação por parte de usuários sem necessidades de alterações do código fonte Abstract: Accurate mathematical and computational models from various electric power systems components are important in a scenario of power systems studies and simulations for grid planning and operation. Among the elements in the electricity generation, transmission and distribution systems, the loads are probably the most difficult ones to be accordingly represented. Though this research topic has been exhaustively explored, there is a renewed interest in industry and academia for power systems load modeling, due to several reasons, including the proliferation of smart meters, the appearance of non-conventional types of load and the continuing need for even more confident representation of different load response for system disturbances. This Ph.D. thesis proposes two contributions to power systems load modeling research field. The first one deals with a load modeling method based on measurements and the detection of natural voltage disturbances. The proposed scheme uses simple smart meters, installed close to customers with a main goal other than load modeling. The main idea is to use data provided by those meters to, in parallel to the main function performed by this device, provide to the utility information regarding load models, as a byproduct capable to add value to the investment in this meters. The second contribution is in the template based load modeling, a recently methodology proposed for dynamic modeling of large industrial facilities. In this thesis, a simplified Variable Frequency Drive (VFD) dynamic model is proposed, which one is based on a modified induction machine model. The proposed model is suitable to the dynamic load model structure proposed by the template based methodology and can be easily aggregated and analyzed in simulation software by basic users without the need of programming a complex model Doutorado Energia Elétrica Doutor em Engenharia Elétrica FAPESP