Modelos matemáticos para o problema de reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica considerando operação malhada

Abstract

A busca contínua por maior eficiência nos sistemas de distribuição de energia elétrica impulsiona o estudo de topologias alternativas à tradicional operação radial. Neste contexto, este trabalho se dedica ao problema da reconfiguração de sistemas de energia elétrica, propondo a operação malhada como estratégia para a minimização de perdas elétricas. A metodologia consiste no desenvolvimento de modelos matemáticos de programação linear inteira mista. Para garantir a robustez, os modelos incorporam cinco diferentes conjuntos de restrições de controle de topologia e, a partir disso, investiga-se a relação entre a adoção da operação malhada e a ocorrência do paradoxo de Braess em sistemas de distribuição. Ainda considerando a operação malhada, é realizada a análise integrada das restrições de capacidade de curto-circuito, de forma que a topologia de perdas mínimas opere dentro dos limites de segurança. A eficácia da abordagem proposta é validada por meio de simulações computacionais em sistemas testes de 14, 33, 84, 136 e 415 barras. A implementação matemática foi realizada em ambiente de programação matemática AMPL e solucionada através do solver comercial CPLEX 22.1.2.0. Os resultados comprovam que a operação malhada reduz significativamente as perdas e validam o modelo proposto como uma ferramenta robusta para a determinação de topologias ótimas que conciliam eficiência e segurança operacional.

The continuous search for higher efficiency in electrical power distribution systems drives the study of alternative topologies to the traditional radial operation. In this context, this work addresses the problem of power system reconfiguration, proposing meshed operation as a strategy for the minimization of electrical losses. The methodology consists of the development of mixed-integer linear programming mathematical models. To ensure robustness, the models incorporate five different sets of topology control constraints and, from this, we investigate the relationship between the adoption of meshed operation and the occurrence of Braess's paradox in distribution systems. Still considering the meshed operation, an integrated analysis of short-circuit capacity constraints is performed, ensuring that the minimum-loss topology operates within safety limits. The effectiveness of the proposed approach is validated through computational simulations using the 14, 33, 84, 136, and 415-bus test systems. The mathematical implementation was carried out in the AMPL mathematical programming environment and solved using the CPLEX 22.1.2.0 commercial solver. The results show that meshed operation significantly reduces losses and validate the proposed model as a robust tool for determining optimal topologies that reconcile efficiency and operational security.