Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

Localização Ótima de Aparelhos de Corte Normalmente Abertos e Normalmente Fechados em Redes de Distribuição

Tipicamente as redes elétricas de distribuição apresentam uma topologia parcialmente malhada e são exploradas radialmente. A topologia radial é obtida através da abertura das malhas nos locais que otimizam o ponto de operação da rede, através da instalação de aparelhos de corte que operam normalmente abertos. Para além de manterem a topologia radial, estes equipamentos possibilitam também a transferência de cargas entre saídas, aquando da ocorrência de defeitos. As saídas radiais são ainda dotadas de aparelhos de corte que operam normalmente fechados, estes têm como objetivo maximizar a fiabilidade e isolar defeitos, minimizando a área afetada pelos mesmos. Assim, na presente dissertação são desenvolvidos dois algoritmos determinísticos para a localização ótima de aparelhos de corte normalmente abertos e fechados, minimizando a potência ativa de perdas e o custo da energia não distribuída. O algoritmo de localização de aparelhos de corte normalmente abertos visa encontrar a topologia radial ótima que minimiza a potência ativa de perdas. O método é desenvolvido em ambiente Matlab – Tomlab, e é formulado como um problema de programação quadrática inteira mista. A topologia radial ótima é garantida através do cálculo de um trânsito de potências ótimo baseado no modelo DC. A função objetivo é dada pelas perdas por efeito de Joule. Por outro lado o problema é restringido pela primeira lei de Kirchhoff, limites de geração das subestações, limites térmicos dos condutores, trânsito de potência unidirecional e pela condição de radialidade. Os aparelhos de corte normalmente fechados são localizados ao longo das saídas radiais obtidas pelo anterior algoritmo, e permite minimizar o custo da energia não distribuída. No limite é possível localizar um aparelho de corte normalmente fechado em todas as linhas de uma rede de distribuição, sendo esta a solução que minimiza a energia não distribuída. No entanto, tendo em conta que a cada aparelho de corte está associado um investimento, é fundamental encontrar um equilíbrio entre a melhoria de fiabilidade e o investimento. Desta forma, o algoritmo desenvolvido avalia os benefícios obtidos com a instalação de aparelhos de corte normalmente fechados, e retorna o número e a localização dos mesmo que minimiza o custo da energia não distribuída. Os métodos apresentados são testados em duas redes de distribuição reais, exploradas com um nível de tensão de 15 kV e 30 kV, respetivamente. A primeira rede é localizada no distrito do Porto e é caraterizada por uma topologia mista e urbana. A segunda rede é localizada no distrito de Bragança e é caracterizada por uma topologia maioritariamente aérea e rural.

Programação estocástica para fundos de pensão

Nesta dissertação discutiremos modelos e métodos de soluções de programação estocástica para resolver problemas de ALM em fundos de pensão. Apresentaremos o modelo de (Drijver et al.), baseado na programação estocástica multiestágios inteira-mista. Um estudo de caso para um problema de ALM será apresentado usando simulação de cenários.

Multistage and coordinated planning of the expansion of transmission systems

In this paper, an efficient genetic algorithm (GA) is presented to solve the problem of multistage and coordinated transmission expansion planning. This is a mixed integer nonlinear programming problem, difficult for systems of medium and large size and high complexity. The GA presented has a set of specialized genetic operators and an efficient form of generation of the initial population that finds high quality suboptimal topologies for large size and high complexity systems. In these systems, multistage and coordinated planning present a lower investment than static planning. Tests results are shown in one medium complexity system and one large size high complexity system.

Imposing Radiality Constraints in Distribution System Optimization Problems

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

A Bilevel Approach to Transmission Expansion Planning Within a Market Environment

We present a bilevel model for transmission expansion planning within a market environment, where producers and consumers trade freely electric energy through a pool. The target of the transmission planner, modeled through the upper-level problem, is to minimize network investment cost while facilitating energy trading. This upper-level problem is constrained by a collection of lower-level market clearing problems representing pool trading, and whose individual objective functions correspond to social welfare. Using the duality theory the proposed bilevel model is recast as a mixed-integer linear programming problem, which is solvable using branch-and-cut solvers. Detailed results from an illustrative example and a case study are presented and discussed. Finally, some relevant conclusions are drawn.

Planning and Projects of Secondary Electric Power Distribution Systems

This paper proposes a methodology to achieve integrated planning and projects for secondary distribution circuits. The planning model is formulated as a mixed integer nonlinear programming problem (MINLP). In order to resolve this problem, a tabu search (TS) algorithm is used, with a neighborhood structure developed to explore the physical characteristics of specific geographies included in the planning and expansion of secondary networks, thus obtaining effective solutions as well as low operating costs and investments. The project stage of secondary circuits consists of calculating the mechanical efforts to determine the support structures of the primary and secondary distribution systems and determining the types of structures that should be used in the system according to topological and electrical parameters of the network and, therefore, accurately assessing the costs involved in the construction and/or reform of secondary systems. A constructive heuristic based on information of the electrical and topological conditions between the medium voltage and low voltage systems is used to connect the primary systems and secondary circuits. The results obtained from planning and design simulations of a real secondary system of electric energy distribution are presented.

Uma abordagem fuzzy para a avaliação técnico-econômica de redes de acesso

O surgimento de novas tecnologias e serviços vem impondo mudanças substanciais ao tradicional sistema de telecomunicações. Múltiplas possibilidades de evolução do sistema fazem da etapa de planejamento um procedimento não só desejável como necessário, principalmente num ambiente de competitividade. A utilização de metodologias abrangentes e flexíveis que possam auxiliar no processo de decisão, fundadas em modelos de otimização, parece um caminho inevitável. Este artigo propõe um modelo de programação linear inteiro misto para ajudar no planejamento estratégico de sistemas de telecomunicações, e em particular da rede de acesso. Os principais componentes de custo e receita são identificados e o modelo é desenvolvido para determinar a configuração da rede (serviços, tecnologias, etc) que maximize a receita esperada pelo operador do sistema. O conceito de números fuzzy é adotado para avaliar o risco técnico-econômico em situações de imprecisão nos dados de demanda. Resultados de experimentos computacionais são apresentados e discutidos.

Um problema de programação da produção numa fundição automatizada

Este trabalho apresenta a modelagem de um problema particular de Programação da Produção numa Fundição Automatizada e sua resolução por um algoritmo de busca heurística, que explora a estrutura do problema.

Power system transmission network expansion planning using AC model

An optimisation technique to solve transmission network expansion planning problem, using the AC model, is presented. This is a very complex mixed integer nonlinear programming problem. A constructive heuristic algorithm aimed at obtaining an excellent quality solution for this problem is presented. An interior point method is employed to solve nonlinear programming problems during the solution steps of the algorithm. Results of the tests, carried out with three electrical energy systems, show the capabilities of the method and also the viability of using the AC model to solve the problem.

Transmission system expansion planning by a branch-and-bound algorithm

A branch and bound (B& B) algorithm using the DC model, to solve the power system transmission expansion planning by incorporating the electrical losses in network modelling problem is presented. This is a mixed integer nonlinear programming (MINLP) problem, and in this approach, the so-called fathoming tests in the B&B algorithm were redefined and a nonlinear programming (NLP) problem is solved in each node of the B& B tree, using an interior-point method. Pseudocosts were used to manage the development of the B&B tree and to decrease its size and the processing time. There is no guarantee of convergence towards global optimisation for the MINLP problem. However, preliminary tests show that the algorithm easily converges towards the best-known solutions or to the optimal solutions for all the tested systems neglecting the electrical losses. When the electrical losses are taken into account, the solution obtained using the Garver system is better than the best one known in the literature.

A constructive heuristic algorithm to Short Term Transmission Network Expansion Planning

In this paper a method for solving the Short Term Transmission Network Expansion Planning (STTNEP) problem is presented. The STTNEP is a very complex mixed integer nonlinear programming problem that presents a combinatorial explosion in the search space. In this work we present a constructive heuristic algorithm to find a solution of the STTNEP of excellent quality. In each step of the algorithm a sensitivity index is used to add a circuit (transmission line or transformer) to the system. This sensitivity index is obtained solving the STTNEP problem considering as a continuous variable the number of circuits to be added (relaxed problem). The relaxed problem is a large and complex nonlinear programming and was solved through an interior points method that uses a combination of the multiple predictor corrector and multiple centrality corrections methods, both belonging to the family of higher order interior points method (HOIPM). Tests were carried out using a modified Carver system and the results presented show the good performance of both the constructive heuristic algorithm to solve the STTNEP problem and the HOIPM used in each step.

Planning of secondary distribution circuits through evolutionary algorithms

In this work, the planning of secondary distribution circuits is approached as a mixed integer nonlinear programming problem (MINLP). In order to solve this problem, a dedicated evolutionary algorithm (EA) is proposed. This algorithm uses a codification scheme, genetic operators, and control parameters, projected and managed to consider the specific characteristics of the secondary network planning. The codification scheme maps the possible solutions that satisfy the requirements in order to obtain an effective and low-cost projected system-the conductors' adequate dimensioning, load balancing among phases, and the transformer placed at the center of the secondary system loads. An effective algorithm for three-phase power flow is used as an auxiliary methodology of the EA for the calculation of the fitness function proposed for solutions of each topology. Results for two secondary distribution circuits are presented, whereas one presents radial topology and the other a weakly meshed topology. © 2005 IEEE.

Interactive system for placement and coordination of overcurrent protective devices

In this paper, an expert and interactive system for developing protection system for overhead and radial distribution feeders is proposed. In this system the protective devices can be allocated through heuristic and an optimized way. In the latter one, the placement problem is modeled as a mixed integer non-linear programming, which is solved by genetic algorithm (GA). Using information stored in a database as well as a knowledge base, the computational system is able to obtain excellent conditions of selectivity and coordination for improving the feeder reliability indices. Tests for assessment of the algorithm efficiency were carried out using a real-life 660-nodes feeder. © 2006 IEEE.

Branch and bound algorithm for transmission network expansion planning using DC model

This paper presents an algorithm to solve the network transmission system expansion planning problem using the DC model which is a mixed non-linear integer programming problem. The major feature of this work is the use of a Branch-and-Bound (B&B) algorithm to directly solve mixed non-linear integer problems. An efficient interior point method is used to solve the non-linear programming problem at each node of the B&B tree. Tests with several known systems are presented to illustrate the performance of the proposed method. ©2007 IEEE.