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The transient stability in distribution systems has received special interest due to the continuous increase of the distributed generation connected to the network. Besides the dynamic behavior of the generation system, distribution networks have extensive branches, uneven charges and a specific set of equipment that complicate the numerical analysis of the transient stability. This complexity increases the need for a specific analysis way in the time domain of the distribution systems, where the following contributions are highlighted: Network simplification technique to transient stability studies, creating a representative model for dynamic analysis; Selection criteria of the bus for simulations, considering protection devices that are typical in distribution systems; Representation of dynamic models with specific parameters to distributed generation in distribution networks; Assessment of single-pole operation of protection equipment in distribution systems; Control systems adjustments in unstable conditions. The proposed methodology has shown to be efficient and important to the distribution systems with distributed generation assessment, and its usage is presented in a real network usage. A estabilidade transitória nos sistemas de distribuição ganhou interesse especial devido ao aumento contínuo da geração distribuída conectada à rede. Além do comportamento dinâmico do sistema de geração, as redes de distribuição possuem extensos ramais, cargas desequilibradas e um conjunto específico de equipamentos que dificultam a análise numérica da estabilidade transitória. Esta complexidade aumenta a necessidade de uma forma especifica para a análise no domínio do tempo dos sistemas de distribuição. Neste contexto, este trabalho desenvolve uma metodologia de análise de estabilidade transitória em sistemas de distribuição, com destaque para as seguintes contribuições: Técnica de simplificação de rede para estudos de estabilidade transitória, criando um modelo representativo para análise dinâmica; Critério de seleção das barras para simulações, considerando os dispositivos de proteção característicos dos sistemas de distribuição; Representação de modelos dinâmicos com parâmetros específicos para geração distribuída em redes de distribuição; Avaliação de operação monopolar dos equipamentos de proteção em sistemas de distribuição; Ajustes dos sistemas de controle em condições de instabilidade. A metodologia proposta se mostra eficiente e importante na avaliação de sistemas de distribuição com geração distribuída e sua aplicação é demonstrada em uma aplicação em rede real.

The reactive power and voltage level control in distribution networks are routine in a power. The customer s voltage levels legislation, allows to the customers with voltage levels out of the limits stipulated by Brazilian Electricity Regulatory Agency receive financial compensation by inadequate service. The coordinated adjust of the equipment, capacitor banks and voltage regulators allocation along the feeders are usual actions to ensure proper voltage levels to the customers. In Brazil, distribution networks are usually large with numerous and long low-voltage circuits. Based on the networks geo-referenced registers, the proposed algorithm uses computational intelligence techniques to optimize voltage levels and reactive power, considering the primary and secondary network distribution. This work provides a tool that will allow the specialist obtain the most cost-effective to simultaneous capacitor banks and voltage regulators allocation, optimizing the primary and secondary voltage levels in distributions networks, minimizing operating costs and losses. O controle do perfil de tensão nas redes de distribuição é uma tarefa rotineira em distribuidoras de energia. Com uma legislação rígida sobre os níveis de tensão, as unidades consumidoras que estão com o fornecimento fora dos padrões estipulados pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) recebem compensação financeira pelo serviço inadequado. O ajuste coordenado dos equipamentos e a alocação de banco de capacitores e reguladores de tensão ao longo dos alimentadores são ações práticas para garantir níveis de tensão adequados aos consumidores. No Brasil, as redes de distribuição são longas com inúmeros circuitos de baixa tensão igualmente extensos. Tendo como base o cadastro georeferenciado das redes, o algoritmo proposto neste trabalho utiliza técnicas de inteligência computacional para otimizar os níveis de tensão e reativos no sistema de distribuição, considerando as redes primárias e secundárias de distribuição. Este trabalho traz uma ferramenta que permitirá ao especialista obter a melhor relação custo-benefício na alocação simultânea de bancos de capacitores e reguladores de tensão, otimizando os níveis de tensão nas redes primárias e secundárias, minimizando custos operacionais e perdas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The parallelism of radial feeders of primary distributions networks is a technique that can be used to change the topology of the network under normal operating conditions, scheduled maintenance, or even in contingency cases. In this paper, contributions related to the study of parallelism in smart grids endowed with the capacity of self-healing are presented. Self-healing comprises automatic energy recovery systems capable of detecting and identifying different types of faults in the system, diagnosing the cause of the interruptions in supply, and quickly compensating the problem with the support of neighboring feeders. To minimize the time of interruptions, maximize the number of clients restored and reduce the defective area of the network, parallelism, which consists of temporarily connecting the system feeders in ring arrangement to transfer load between them, is a tool that can speed up the network recovery process. In this sense, the proposal of this work is the development of a methodology for the analysis of the technical feasibility of parallelisms in distribution networks to restore the electric energy to the largest possible number of consumers, with cascade transfers of loads between their feeders. The case under study covers a particularity of distribution systems, which happens when certain feeder cannot supply new loads without having part of its load relieved to another feeder. During the change of network topology, by opening and closing remote-controlled switching devices, such as automatic disconnecting switches or reclosers, undesirable electromagnetic transients in the voltage and/or current may occur, causing damage along the network. To make this analysis even more realistic, the proposed methodology in this work is tested in a case study in a distribution network with a Volt-Var control device and a dynamic model of distributed generation. The technical and operational feasibility of the maneuvers is verified through computational simulations in the ATPDraw program. The results show that this application is agile and efficient and meets the objectives of the self-reestablishment of distribution networks in a situation of contingency. O paralelismo de alimentadores radiais de redes primárias de distribuição é uma técnica que pode ser utilizada para alterar a topologia da rede em regime normal de operação, manutenções programadas ou mesmo em casos de contingência. Neste trabalho, apresentam-se contribuições referentes ao estudo de paralelismo em redes elétricas inteligentes (smart grids) dotadas da capacidade de self-healing. O self-healing compreende sistemas de restabelecimento automático de energia capazes de detectar e identificar diferentes tipos de faltas no sistema, diagnosticar a causa das interrupções no fornecimento e rapidamente compensar o problema com o apoio de alimentadores vizinhos. Para diminuir o tempo das interrupções, maximizar o número de clientes restabelecidos e reduzir a área defeituosa da rede, o paralelismo, que consiste em ligar temporariamente os alimentadores do sistema em anel para transferir carga entre eles, apresenta-se como uma ferramenta que pode agilizar o processo de recuperação da rede. Nesse sentido, a proposta deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia para análise da viabilidade técnica dos paralelismos em redes de distribuição para restaurar a energia elétrica ao maior número possível de consumidores, com transferências em cascata das cargas entre seus alimentadores. Este estudo trata de uma particularidade dos sistemas de distribuição, quando determinado alimentador não pode suprir novas cargas sem ter parte de seu carregamento aliviado para outro alimentador. Durante a mudança de topologia da rede, através da abertura e do fechamento dos equipamentos de manobra telecomandados, como chaves seccionadoras ou religadores automáticos, transitórios eletromagnéticos indesejáveis na tensão e/ou na corrente podem ocorrer, provocando danos ao longo da rede. Para tornar esta análise ainda mais realística, a metodologia proposta neste trabalho é testada em um estudo de caso em uma rede de distribuição com dispositivo de controle Volt-Var e modelo dinâmico de geração distribuída. A viabilidade técnica e operacional das manobras é verificada a partir de simulações computacionais no programa ATPDraw. Os resultados obtidos demonstram que esta aplicação é ágil e eficiente e atende aos objetivos de auto restabelecimento de redes de distribuição em situação de contingência.

The need to know the real state of operation of the Electrical Systems is one of the most important aspects in the scope of Smart Grids. To accomplish this, obtaining real-time data from a comprehensive monitoring model is necessary since these data provide an accurate diagnosis of the operation. This acquisition of data in an ideal scenario requires a large scale of electric magnitude meters along the network. In very large distribution networks, this large-scale monitoring becomes practically impossible, and in this context, the State Estimator appears, which, as its name suggests, raises estimates of network states at points where there are no measurements. For the operation of the algorithms, the State Estimator needs measurements along the branches, in which an optimized distribution of the meters allows the reduction of uncertainties and associated errors in the estimation itself. In addition, better allocation of the meters increases bus observability of the buses. The knowledge of the actual point of operation of the Electrical System equipment, in this way, is of great importance and the state estimator can be an auxiliary tool to achieve this goal. One of the most important equipment of the system is the Distribution Transformer, which is usually the equipment that most suffers in times of critical demand. The operation of these equipment is correlated to the lifetime of the insulation, constituted, in general lines, by paper and oil. The durability of the transformer insulation is related to thermal supportability and the equivalent aging factor. Correlating, the temperature in the windings and the insulating oil is proportional to the transformer load, which can be obtained by the State Estimator. Thus, this work highlights a study of an application of the State Estimation Method in a Distribution System to determine the load of the transformers, and then, to verify its thermal performance during the 24 hours of a day. The thermal model was based on a normalized equation and it is widely accepted in the literature. In short, the use of the two studies can be interesting from the point of view of the system operation, and consequently, planning. The State Estimator, therefore, provides the precise state of operation and closer to the real, while the Thermal Model study presents the current condition of the transformers for the traced scenario. As case studies, firstly, models will be validated and subsequently applied in a distribution network. For this, two computational tools were used: one for the scenario application and the State Estimator, and another for the development of the Thermal Model equation. A necessidade de conhecer o estado real da operação dos Sistemas Elétricos é um dos aspectos mais importantes no âmbito das Smart Grids. Para isso, a obtenção de dados em tempo real a partir de um modelo de monitoramento abrangente é necessária, uma vez que estes dados oferecem um diagnóstico preciso da operação. Esta aquisição de dados em um cenário ideal necessita de uma grande escala de medidores de grandezas elétricas ao longo da rede. Em redes de distribuição suficientemente grandes, este monitoramento em grande escala se torna praticamente impossível, e neste contexto, surge o Estimador de Estados que, como o próprio nome sugere, levanta as estimativas dos estados da rede em pontos onde não há medição. Para o funcionamento de seus algoritmos, o Estimador de Estados precisa de algumas medições ao longo das ramificações, na qual, uma distribuição otimizada dos medidores permite a diminuição de incertezas e dos erros associados na própria estimação. Além disso, uma melhor alocação dos medidores possibilita o aumento da observabilidade das barras. O conhecimento do real ponto de operação dos equipamentos do Sistema Elétrico, dessa forma, possui grande importância e o estimador de estados pode servir como ferramenta auxiliar para sua obtenção. Um dos equipamentos mais importantes do sistema é o Transformador de Distribuição, que geralmente é o equipamento que mais sofre em momentos de demanda crítica. O funcionamento destes equipamentos está correlacionado ao tempo de vida do isolamento, constituído em linhas gerais de papel e óleo. A durabilidade do isolamento dos transformadores possui relação com a suportabilidade térmica e o fator de envelhecimento equivalente. Correlacionando, a temperatura dos enrolamentos e do óleo isolante é proporcional ao carregamento de potência nos transformadores, que pode ser obtido pelo Estimador de Estados. Assim, este trabalho destaca um estudo da aplicação do Método de Estimação de Estados, em um Sistema de Distribuição, para determinar o carregamento dos transformadores, e por seguinte, verificar o seu desempenho térmico ao longo de 24 horas de um dia. O modelo térmico foi baseado em um equacionamento normatizado e amplamente aceito pela literatura. Em suma, o uso dos dois estudos pode se tornar interessante, do ponto de vista da operação do sistema, e consequentemente do planejamento. O Estimador de Estados, portanto, fornece o estado de operação preciso e próximo do real, enquanto o estudo do Modelo Térmico apresenta a condição atual dos transformadores para o cenário traçado. Como estudos de caso, primeiramente, serão validados os modelos e, posteriormente, aplicado em uma rede distribuição. Para tanto, utilizaram-se duas ferramentas computacionais: uma para a aplicação do cenário e do Estimador de Estados, e outra para o desenvolvimento do equacionamento do Modelo Térmico.

The present work developed a methodology that was applied in a study that had as a starting point the peak shaving of an electrical installation, aiming at the reduction of costs with the energy bill. To achieve this, the emergency and stand-by power generation systems were used, that has as main source the Diesel Generating Sets (gensets). The main focus was on the technical aspects that surround the parallelism of these machines with the electric power distribution network and also on the formation of microgrids in three moments of operation, parallel to the distribution network, isolated operation and parallelism between microgrids. After the development of the methodology, a real network of energy distribution was chosen for its application. The distribution system was modeled, as well as its gensets, into appropriate programs for simulations of power flow and dynamic stability. The simulations were carried out in a variety of cases, always taking into account the maximum demand already registered in the system, based on the highest load billed by the local utility. From the system model and the geographic arrangement of the generators, and by the considerable size of the network, there was a division in the feeders, so that the creation of microgrids was favored. Thus, the network was divided into six regions, and in three of them the load was very close to generation capacity, thus forming three distinct microgrids. All simulations focused on studying the transients that affect the frequency, magnitude and angle of the voltage, at the moments in-between the connection and disconnection of the microgrids with the distribution system. Some other aspects were also analyzed, such as the voltage levels presented in the network without and with the parallelism of the gensets and the electrical losses of the system in the same cases. The voltages of the base case were compared with those of the other cases. A specific case of overload of the microgrids has also been studied, aiming to observe what happens in this situation and the transients that the parallelism of them with the distribution system, without respecting the IEEE recommendations, can cause. O presente trabalho desenvolveu uma metodologia que foi aplicada em um estudo que teve como ponto de partida o controle de demanda em uma instalação elétrica, visando a redução de custos com fatura, utilizando para isso os sistemas de geração de backup, que possui como fonte principal os Grupos Motor Gerador (GMG’s). O foco principal se deu nos aspectos técnicos que circundam o paralelismo dessas máquinas com a rede de distribuição de energia elétrica e também na formação de microrredes em três momentos de operação, paralelo com a rede de distribuição, operação isolada e paralelismo entre microrredes. Após o desenvolvimento da metodologia, foi escolhida uma rede real de distribuição de energia para a sua aplicação. A partir disso, o sistema de distribuição foi modelado, assim como os seus GMG’s de backup, em programas apropriados para as simulações dos cálculos de fluxo de potência e desempenho dinâmico. Feito isso, as simulações foram realizadas para variados casos, sempre levando em consideração a demanda máxima já registrada no sistema tomado como base, ou seja, com o maior carregamento faturado pela concessionária de energia local. A partir do modelo do sistema e da disposição geográfica dos geradores, e pelo tamanho considerável da rede, houve uma divisão nos alimentadores de modo que a criação de microrredes fosse favorecida. Sendo assim, a rede foi dividida em seis regiões, sendo que, em três delas o carregamento ficou muito próximo da capacidade de geração, formando assim, três microrredes distintas. Todas as simulações se concentraram em estudar os transitórios que afetam a frequência, o módulo e ângulo da tensão, nos momentos que circundam a conexão e a desconexão das microrredes no sistema de distribuição. Alguns outros aspectos também foram analisados, como os níveis de tensão apresentados na rede sem e com o paralelismo dos GMG’s e as perdas elétricas do sistema nos mesmos casos. As tensões do caso base foram comparadas com as dos demais casos. Um caso específico de sobrecarga das microrredes também foi estudado, visando observar o que acontece nesta situação e os transitórios que o paralelismo das mesmas com o sistema de distribuição, sem respeitar o recomendado pelo IEEE, podem causar.

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 electric distribuition system is constantly evolving, in which new strategies, methods and technologies are added to improve its functionality, examples of this are smart grids and distributed generation. But these changes directly influence the way of study, analysis, planning and operation of all areas, including protection, which is essential for the operation, both for the safety of people and equipment and for reliability indicators. In this sense, this work has as objective an evaluation of the coordination and selectivity of the protection devices and also to suggest adjustments in the parameterization of the equipment when the standards are not met. For the adjustments search is considered a methodology of depth-first heuristic search, because its characteristics meet the needs of the problem, finding a solution in a simpler and faster way, which satisfies the defined conditions. As a differential in the evaluation of protection, reliability will also be analyzed, considering the withdrawal of protection devices when it is not possible to meet the established rules, or it do not present great importance, verifying their impact on the indicators. To validate the proposed methodology case studies of real networks will be presented. The results found showed the effectiveness of the method managing to find solutions for most cases. It also shows that there is a variation in the impact on the reliability indicators in the withdrawal of different protection equipment, which will be influenced by variables such as the protected network extension and the total number of protection devices of the set. Finally, the methodology was valid for application in power utilities, where solutions were found for the selectivity and coordination of protection devices. O sistema de distribuição de energia elétrica está em constante evolução, onde inserem-se novas estratégias, métodos e tecnologias para aprimorar sua funcionalidade, exemplos claros disso são as redes elétricas inteligentes e geração distribuída. Porem essas mudanças influenciam diretamente na forma de estudo, análise, planejamento e operação de todas áreas, entre elas a de proteção, que é essencial para a operação, tanto pelas questões de segurança das pessoas e equipamentos, quanto pelos indicadores de confiabilidade. Nesse sentido, este trabalho tem como objetivo a avaliação da coordenação e seletividade dos dispositivos de proteção e também sugerir ajustes na parametrização dos equipamentos quando os padrões não forem atendidos. Para a busca de ajustes é utilizado uma metodologia de busca heurística em profundidade, pois suas características atendem as necessidades do problema, encontrando uma solução de maneira mais simples e rápida, satisfazendo as condições definidas. Como diferencial na avaliação da proteção também será analisada a confiabilidade, considerando a retirada de dispositivos de proteção quando não for possível atender as regras estabelecidas ou não apresentarem grande importância, verificando seu impacto nos indicadores. Para validar a metodologia proposta são considerados estudos de casos de redes reais. Os resultados encontrados mostraram a eficácia do método, encontrando soluções para a maioria dos casos. Demonstra também que há uma variação no impacto nos indicadores de confiabilidade na retirada de diferentes equipamentos de proteção, que será influenciado por variáveis como a extensão de rede protegida e o número total de dispositivos de proteção do conjunto. Por fim, foi comprovado que o método é válido para aplicação em concessionárias, onde foram encontradas soluções para a seletividade e coordenação dos dispositivos de proteção.

The main objective of the electric power utility is the uninterrupted supply of energy, however, this is not always possible due to the actions of nature, or even from equipment or human failures. These interruptions are called emergency orders, which must be serviced by repair crew in order to restore normal operation of the electrical system. Given a set of emergency orders, the operations center must find a crew scheduling in order to attend all orders and minimize the total cost of service. Before the system repair step, the restoration step is performed, in order to supply the de-energized loads belonging to the healthy parts of the network. One of the ways to supply them is through distributed generation (DG), such as solar and wind, with high penetration in the electric system in recent years, operating in islanded mode. The island operation plays an important role in the restoration step of the electric power system, as it allows to reduce the total interruption time. It allows analyzing the impact of customer cost, with interrupted power supply, depending on the time of day, varying with the capacity of the DG generation curve and the load curve. In this way, this work proposes a new matheuristic for emergency response for the emergency orders scheduling problem (EOSP) of the electric distribution systems, considering unforeseen islanding. The model has the objective of minimizing the total attendance cost, being for this model the costs of energy not supplied and those related to the penalties, associated to the importance of consumers. The matheuristic will serve as a management tool for decision-makers to determine an appropriate scheduling strategy. In this work the computational implementation of the proposed model is presented, with the realization of two case studies in the IEEE 33-bus system, modified with DGs insertion. Computational results show the effectiveness of the model developed by reducing the total attendance cost in relation to the case without islanding and the feasibility for applications in other distribution systems. A concessionária de energia tem como objetivo principal o suprimento ininterrupto de energia, porém isto nem sempre é possível devido às ações da natureza, ou ainda, oriundas de falhas de equipamentos ou humanas. Essas interrupções são chamadas de ordens emergenciais, devendo ser atendidas por equipes de reparo de modo a restaurar a operação normal do sistema elétrico. Dado um conjunto de ordens emergenciais, o centro de operações deve encontrar um agendamento das equipes de forma a atender todas as ordens e minimizar o custo total de atendimento. Antes da etapa de reparo do sistema têm-se a etapa de restauração, visando atender as cargas desenergizadas pertencentes aos trechos saudáveis da rede. Uma das formas de atendê-las é através do suprimento por geração distribuída (GD), como solar e eólica, com grande penetração no sistema elétrico nos últimos anos, operando de forma ilhada. A operação ilhada desempenha um papel importante na fase de restauração do sistema elétrico, pois permite reduzir o tempo total de interrupção. Ela permite analisar o impacto do custo dos consumidores, com fornecimento de energia interrompido, em função do período do dia, variando com a capacidade da curva de geração GD e da curva de carga. Neste sentido, este trabalho propõe uma heurística matemática para resposta emergencial para o problema de agendamento de ordens emergenciais (PAOE) dos sistemas de distribuição de energia elétrica, considerando ilhamento imprevisto com GD. O modelo tem como objetivo a minimização do custo total de atendimento, sendo para isso modelados os custos da energia não suprida e os relacionados às penalidades, associadas à importância dos consumidores. A heurística matemática servirá como uma ferramenta gerencial para que os tomadores de decisão determinem uma estratégia de agendamento apropriada. Neste trabalho apresenta-se ainda a implementação computacional do modelo proposto, com a realização de dois estudos de caso no sistema IEEE 33-barras modificado com a inserção de GDs. Resultados computacionais mostram a eficácia do modelo desenvolvido ao reduzir o custo total do atendimento em relação ao caso sem ilhamento e a praticabilidade para aplicações em outros sistemas de distribuição.