https://hdl.handle.net/1884/61472 Fri, 17 Apr 2026 07:28:05 GMT 2026-04-17T07:28:05Z https://hdl.handle.net/1884/98624 Fluxo de potência e estimação de estados para análise de redes integradas de transmissão e distribuição de energia elétrica Resumo: Este trabalho propõe uma extensão da formulação convencional de fluxo de potência desacoplado rápido de Newton-Raphson para permitir a análise de sistemas de transmissão e distribuição (T&D) em uma abordagem unificada. A extensão proposta associa a eficiência computacional bem conhecida dos algoritmos de fluxo de potência desacoplado rápido de Newton-Raphson à aplicação da normalização complexa por unidade (cpu). Injeções artificiais de potência em barras de fronteira de T&D são anexadas à formulação de fluxo de potência como novas variáveis de estado, a fim de manter a precisão da análise. As modificações necessárias no algoritmo de fluxo de potência desacoplado rápido de Newton-Raphson e uma visão geral da técnica de normalização cpu são apresentadas. Além disso, este trabalho apresenta também uma abordagem de estimação de estados desacoplada para sistemas interligados de transmissão e distribuição (T&D). A abordagem proposta é baseada em uma aplicação inovadora da normalização complexa por unidade, que além de viabilizar o uso de métodos desacoplados em sistemas de distribuição, permite o processamento de redes T&D interconectadas sem recorrer a técnicas de compensação fictícia nas barras de fronteira, o que traz robustez ao processo iterativo. Os resultados das simulações do fluxo de potência e do estimador de estados propostos atestam a relevância de uma análise unificada de T&D para determinar adequadamente a interrelação de alimentadores de distribuição ativos e a operação do sistema de transmissão. Neste contexto, o desempenho da abordagem proposta indica claramente sua eficácia para lidar com diferentes redes de energia topológicas e operacionais; Abstract: This work proposes an extension of the conventional Newton-Raphson fast decoupled power flow formulation to enable the analysis of transmission and distribution (T&D) systems in a unified approach. The proposed extension combines the well-known computational efficiency of Newton Raphson fast decoupled power flow algorithms with the application of complex per unit normalization (cpu). Artificial power injections at T&D boundary buses are appended to the power flow formulation as new state variables to maintain the accuracy of the analysis. The necessary modifications to the Newton-Raphson fast decoupled power flow algorithm and an overview of the cpu normalization technique are presented. Furthermore, this work also presents a decoupled state estimation approach for interconnected transmission and distribution (T&D) systems. The proposed approach is based on an innovative application of per-unit complex normalization, which, in addition to enabling the use of decoupled methods in distribution systems, allows the processing of interconnected T&D networks without resorting to fictitious compensation techniques at the boundary buses, which brings robustness to the iterative process. The results of the power flow and state estimator proposed simulations and the attest to the relevance of a unified T&D analysis to adequately determine the interrelation of active distribution feeders and the operation of the transmission system. In this context, the performance of the proposed approach clearly indicates its effectiveness in dealing with different topological and operational power networks Orientadora: Profa. Dra. Elizete Maria Lourenço; Coorientador: Prof. Dr. Odilon Luís Tortelli; Banca: Elizete Maria Lourenço (Presidente da Banca), Joao Bosco Augusto London Junior, Thelma Solange Piazza Fernandes, Andrea Lucia Costa e Odilon Luis Tortelli; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 07/11/2024; Inclui referências Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98624 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/101100 Dimensionamento e alocação de reserva girante via fluxo de potência ótimo multiperíodo e multicontingência intervalar Resumo: Mundialmente, tem havido um crescimento expressivo de fontes renováveis (eólica e solar) devido aos seus baixos impactos ambientais e custos decrescentes. Como elas apresentam uma variabilidade e intermitência de geração e para se garantir o fornecimento de energia de uma forma segura, deve-se prever a disponibilidade de reserva girante como solução para diminuir o risco de déficit nos momentos de interrupção na geração e em situações usuais de contingências, como saída de linhas e geração. Assim, é preciso o desenvolvimento de técnicas específicas para despacho e agendamento de energia, potência e reserva, a fim de encontrar um ponto ótimo entre a penetração de energia eólica, atendimento a emergências, gargalos de transmissão e reserva girante. Neste sentido, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de um Fluxo de Potência Ótimo linear multiperíodo e multicontingência, que além de realizar o despacho de potência de um sistema hidrotérmico (incluindo restrições elétricas e energéticas) para um horizonte de um dia a frente seja capaz também de fazer dimensionamento do montante de reserva girante necessário para suprir diferentes situações de saída de linhas, de geradores e níveis de energia renovável não suprida, assim como também realizar alocação ótima de reserva girante entre as unidades de geração. Além disto, como estratégia para se incorporar as incertezas inerentes ao problema, pretende-se utilizar a Matemática Intervalar como um problema de pós-otimização, ou seja, após a otimização determinística obtida pelo Fluxo de Potência Ótimo Multiperíodo e Multicontingência (FPOMM), acrescentam-se faixas de incertezas em alguns parâmetros da rede para que assim se possa determinar faixas ótimas de operação da rede, obtendo-se um Fluxo de Potência Ótimo Multiperíodo e Multicontingência Intervalar (FPOMMI). Os resultados são apresentados para dois sistemas de 33 barras e 291 barras que representam a rede Sul do Brasil. Foram comparados os resultados obtidos por um Fluxo de Potência Ótimo Multiperíodo - FPOMP (que incorpora a regra do ONS) e o FPOMM proposto. Ambos os métodos apresentaram pouca divergência entre os valores referentes aos despachos individuais de cada máquina por período. No entanto, no cômputo final, para o sistema de 291 barras, por exemplo, método proposto obteve um valor total de reserva alocada 9,8% menor que o do FPOMP e ainda reduziu o total de corte de carga diário. Na validação do FPOMMI os resultados mostraram boa precisão e uniformidade, baixa dispersão e desempenho cerca de 12 vezes mais rápido que o método de validação (FPOMM determinístico). Assim, algumas das contribuições do método proposto, como a consideração de todas as contingências nas simulações para alocação das reservas e minimização de corte de carga, é garantir disponibilidade de potência em situações de emergência em estudos de um dia a frente e que aliada à Matemática Intervalar oferece ao operador um leque de mais opções para decisões mais seguras e adaptáveis a diferentes cenários e com pouco esforço computacional.; Abstract: Globally, there has been a significant growth in renewable energy sources (wind and solar) due to their low environmental impacts and decreasing costs. However, because these sources exhibit variability and intermittency in generation, and to ensure a secure energy supply, it is necessary to plan for the availability of spinning reserves as a solution to mitigate the risk of deficits during generation interruptions and in typical contingency situations, such as line and generation outages. Therefore, it is necessary to develop specific techniques for dispatching and scheduling energy, power, and reserves in order to find an optimal balance between wind energy penetration, emergency response, transmission bottlenecks, and spinning reserves. In this sense, the present work proposes the development of a linear multi-period and multi-contingency Optimal Power Flow, which, in addition to performing the power dispatch of a hydro-thermal system (including electrical and energy constraints) for a one-day horizon, is also capable of sizing the amount of spinning reserve needed to supply different line and generator output situations and levels of unsupplied renewable energy, as well as performing optimal allocation of spinning reserve among generation units. Furthermore, as a strategy to incorporate the uncertainties inherent in the problem, it is intended to use Interval Mathematics as a post-optimization problem; that is, after the deterministic optimization obtained by the Multi-period and Multi-contingency Optimal Power Flow (MMOPF), uncertainty bands are added to some network parameters so that optimal network operating ranges can be determined, obtaining an Interval Multi- period and Multi-contingency Optimal Power Flow (IMMOPF). The results are presented for two systems, one with 33-bus and the other with 291-bus, representing the Southern Brazilian grid. The results obtained by a Multi-Period Optimal Power Flow - MPOPF (which incorporates the ONS rule) and the proposed MMOPF were compared. Both methods showed little divergence between the values referring to the individual dispatches of each machine per period. However, in the final calculation, for the 291-bus system, for example, the proposed method obtained a total allocated reserve value 9.8% lower than that of the MPOPF and also reduced the total daily load shedding. In the validation of the IMMOPF, the results showed good precision and uniformity, low dispersion, and performance approximately 12 times faster than the validation method (deterministic MMOPF). Thus, some of the main contributions of the proposed method—such as the consideration of all contingencies in the simulations for reserve allocation and load-shedding minimization—include ensuring power availability in emergency situations in day-ahead studies. When combined with Interval Mathematics, the method provides the system operator with a broader set of options for safer and more adaptable decision-making across different scenarios, with low computational effort Orientadora: Profa. Dra. Thelma Solange Piazza Fernandes; Banca: Thelma Solange Piazza (Presidente da Banca), Patrícia Teixeira Leite Asano, Katia Campos de Almeida e Elizete Maria Lourenço; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 26/11/2025; Inclui referências Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/101100 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98732 Estrutura EBG híbrida para mitigação de ruído em modo comum e SSN em PCBs multicamadas Resumo: O avanço das tecnologias e a crescente demanda por dispositivos com sistemas de comunicação em alta velocidade, que integram circuitos digitais e analógicos em placas de circuito impresso (PCBs) multicamadas, exigem o desenvolvimento de soluções eficientes para garantir a integridade de sinal (SI), a integridade de potência (PI) e a mitigação de interferências eletromagnéticas. Nesse contexto, esta tese propôs o projeto e a implementação de uma nova estrutura do tipo Electromagnetic Band Gap (EBG), denominada MS-EBG, com aplicações múltiplas, tais como a supressão de ruídos de Modo Comum (CM) e de Ruídos de Comutação Simultânea (SSN), além de preservar a integridade de potência. A estrutura MS-EBG foi desenvolvida com dimensões compactas de 20 × 20 mm e apresentou atenuação de até 40 dB na faixa de frequência de 1,82 a 18 GHz. O projeto envolveu modelagem utilizando circuitos equivalentes, inserção de Defected Ground Structures (DGS), simulações eletromagnéticas e validação experimental conforme o padrão IEEE P1597.1. Também foi analisada uma variante baseada no método da linha de transmissão (MB-EBG), com células de 15 × 15 mm, atuando entre 1,7 e 11 GHz. Os resultados demonstraram que a estrutura MS-EBG não compromete a comunicação diferencial em altas taxas de transmissão (até 15 Gbps), apresenta desempenho superior na rejeição do SSN em comparação com estudos da literatura, e reduz significativamente a radiação de campo próximo acima de 2 GHz. Ensaios de integridade de potência evidenciaram aumento da impedância em relação à placa de referência, porém dentro de limites aceitáveis para aplicações práticas. Conclui-se que a estrutura MS-EBG é uma solução eficiente para mitigar ruídos de Modo Comum e SSN em uma ampla faixa de frequência, com dimensões reduzidas frente às alternativas da literatura, mantendo simultaneamente a integridade do sinal e da potência. Como trabalhos futuros, recomenda-se a investigação de novas geometrias, integração da estrutura em sistemas reais, e o aprimoramento dos modelos matemáticos utilizados no projeto; Abstract: The advancement of technologies and the growing demand for devices with high-speed communication systems—integrating digital and analog circuits on multilayer printed circuit boards (PCBs)—require the development of efficient solutions to ensure signal integrity (SI), power integrity (PI), and the mitigation of electromagnetic interference. In this context, this thesis proposed the design and implementation of a new Electromagnetic Band Gap (EBG) structure, named MS-EBG, with multiple applications, such as the suppression of Common Mode (CM) noise and Simultaneous Switching Noise (SSN), while preserving power integrity. The MS-EBG structure was developed with compact dimensions of 20 × 20 mm and demonstrated attenuation of up to 40 dB within the frequency range of 1.82 to 18 GHz. The design involved modeling using equivalent circuits, the inclusion of Defected Ground Structures (DGS), electromagnetic simulations, and experimental validation in accordance with the IEEE P1597.1 standard. A variant based on the transmission line method (MB-EBG), with 15 × 15 mm unit cells operating between 1.7 and 11 GHz, was also analyzed. The results showed that the MS-EBG structure does not compromise differential communication at high data rates (up to 15 Gbps), exhibits superior SSN rejection performance compared to literature studies, and significantly reduces near-field radiation above 2 GHz. Power integrity tests revealed an increase in impedance compared to the reference board, but within acceptable limits for practical applications. It is concluded that the MS-EBG structure is an efficient solution for mitigating Common Mode and SSN noise over a wide frequency range, with reduced dimensions compared to literature alternatives, while simultaneously maintaining both signal and power integrity. As future work, it is recommended to investigate new geometries, integrate the structure into real systems, and improve the mathematical models used in the design process Orientador: Dr. Marlio J. do C Bonfim; Banca: Marlio José do Couto Bonfim (Presidente da Banca), Marcelo Bender Perotoni, César Augusto Dartora e Tamiris Grossl Bade; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 25/08/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia Elétrica Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98732 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/99633 Estratégia de encontro paralelo para associação de nós em redes Wi-SUN FAN Resumo: A crescente demanda por conectividade e soluções de baixo custo tem levado à ampla adoção de comunicações de baixa taxa de dados e baixo consumo de energia. O padrão Wi-SUN FAN (Wireless Smart Ubiquitous Network Field Area Network) destaca-se por possibilitar conexões em larga escala entre dispositivos inteligentes em redes de serviços públicos e cidades inteligentes. Projetado para Redes de Baixa Potência e com Perdas (LLNs, do inglês Low Power and Lossy Network), o Wi-SUN FAN suporta a formação de múltiplas Redes de Área Pessoal (PANs, do inglês Personal Area Network) e topologias em malha com transmissões multi-salto e salto de canal, utilizando protocolos abertos compa tíveis com IEEE 802.15.4. No entanto, o processo de associação de nós, que é dividido em cinco estados de junção, frequentemente resulta em tempos de conexão prolongados, par ticularmente em redes multi-saltos, o que compromete a escalabilidade e a confiabilidade da rede. Esta tese analisa os fatores que influenciam esses atrasos, com ênfase particular no Estado de Junção 1 (EJ1), que utiliza comunicação assíncrona e o algoritmo trickle timer para agendar pacotes de Anúncio PAN (PA, do inglês PAN Advertisement). Depen dendo da configuração padrão, isso pode levar a intervalos de transmissão excessivamente longos. Para mitigar esse problema, é apresentada uma abordagem baseada na formação de clusters sincronizados entre nós não associados, explorando pacotes de Solicitação de Anúncio PAN (PAS, do inglês PAN Advertisement Solicit) e a estratégia de Encontro Pa ralelo (EP) para disseminar rapidamente as informações da rede. O algoritmo proposto, EP Wi-SUN FAN, foi avaliado por meio de simulações em diversas topologias de rede, demonstrando melhorias significativas em cenários lineares, totalmente conectados e em malha. Os ganhos mais expressivos foram observados na topologia linear, com reduções de até 71,22% no tempo de associação e 59,56% no consumo de energia durante o EJ1; Abstract: The growing demand for connectivity and cost-effective solutions has led to the wi despread adoption of low-data-rate and low-power communications. The Wi-SUN FAN (Wireless Smart Ubiquitous Network Field Area Network) standard stands out for ena bling large-scale connections among smart devices in utility networks and smart cities. Designed for Low-Power and Lossy Networks (LLNs), Wi-SUN FAN supports the for mation of multiple Personal Area Networks (PANs) and mesh topologies with multi-hop transmissions and channel hopping, using open protocols compatible with IEEE 802.15.4. However, the node association process, divided into five connection states, often results in prolonged connection times, particularly in multi-hop networks, which undermines both scalability and reliability. This thesis analyses the factors influencing these delays, with particular emphasis on Join State 1 (JS1), which employs asynchronous communication and the trickle timer algorithm to schedule PAN Advertisement (PA) packets. Depending on the default configuration, this may lead to excessively long transmission intervals. To mitigate this problem, an approach based on the formation of synchronized clusters among unassociated nodes is proposed, leveraging PAN Advertisement Solicit (PAS) packets and the Parallel Rendezvous (PR) strategy to accelerate network information dissemination. The proposed algorithm, PR Wi-SUN FAN, was evaluated through simulations in vari ous network topologies, demonstrating notable improvements in linear, fully connected, and mesh scenarios. The most significant gains are observed in the linear topology, with reductions of up to 71.22% in association time and 59.56% in energy consumption during JS1 Orientador: Prof. Dr. Evelio Martín García Fernández; Coorientador: Prof. Dr. Rodrigo Jardim Riella; Banca: Evelio Martín García Fernández (Presidente da Banca), Samuel Baraldi Mafra, Carlos Marcelo Pedroso e Guilherme Luiz Moritz; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 31/10/2025; Inclui referências; Área de concentração: Telecomunicações Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/99633 2025-01-01T00:00:00Z