Modelos matemáticos para otimização do sistema de proteção contra descargas atmosféricas em sistemas de distribuição de energia elétrica

Abstract

Esta tese apresenta dois modelos para a otimização da confiabilidade de sistemas de distribuição frente a descargas atmosféricas. Buscou-se a melhoria dos indicadores de confiabilidade do sistema considerando os investimentos necessários para instalação de estruturas e aterramentos que aumentem a imunidade do alimentador. A abordagem escolhida para obter a corrente crítica para os diversos tipos de estruturas e aterramentos foi a modelagem e simulação no programa de transitórios eletromagnéticos ATP-EMTP. A taxa de faltas do alimentador foi definida pelo número de descargas de contorno de cada trecho do mesmo. A confiabilidade do sistema foi caracterizada pela frequência média das interrupções sustentadas e momentâneas, mensuradas pelos indicadores SAIFI e MAIFIE, respectivamente e pelo indicador de confiabilidade global definido pela frequência média de interrupção do sistema (SAIFI*), que considera todas as interrupções, independentemente da sua duração. Os dois modelos matemáticos de otimização propostos têm como resultado a seleção do tipo de estrutura e aterramento para cada trecho do alimentador de modo a otimizar o desempenho do sistema. Um dos modelos utiliza o método de programação linear inteira mista (PLIM) para resolver o problema de otimização do SAIFI*, tendo como restrição o investimento. O outro modelo de otimização proposto utiliza a técnica de programação linear inteira mista multiobjetivos (PLIMM) para otimizar simultaneamente os indicadores SAIFI, MAIFIE e os recursos disponíveis.

This thesis presents two models for feeders reliability optimization against lightning. The optimization is based on the reduction of faults produced by lightning and on the minimization of power system interruption indexes. The effect of shielding and grounding on overhead distribution feeder’s performance under lightning conditions and the protection systems response are considered. The proposed mathematical optimization models are based on the consideration of two types of shielding using the wire-guard and Franklin captor, and on the analysis of the type of structures and groundings. Modeling and simulation using electromagnetic transients program ATP-EMTP is the approach considered in the work to obtain the critical current. Reliability is characterized in terms of the average frequency of sustained and momentary interruptions, measured by reliability indexes SAIFI and MAIFIE. The approach consists in developing an analytical optimization model, whose primary objective is to select the structure and grounding type aiming at improve the system performance against lightning. The allocation of structures and grounding is subject to technical and economic constraints. The first proposed model utilizes the mixed integer linear programming method (MILP) to solve the optimization problem of reliability indexes having the investment as a restriction. The second proposed model uses the multi-objective mixed integer linear programming method (MMILP) to simultaneously optimize SAIFI, MAIFIE and investment. A case study is presented to evaluate the effectiveness of both models.