Desenvolvimento de estrutura de dados otimizada para representação de grafos orientados aplicados ao cálculo de fluxo de potência em redes de distribuição radiais

Este trabalho propõe o desenvolvimento de uma estrutura de dados otimizada para representação de grafos orientados aplicados ao algoritmo de varredura reversa e direta, com formulação por soma de correntes, para o cálculo de fluxo de potência trifásico em redes radiais desbalanceadas de distribuição de energia elétrica. O cálculo fornece as injeções de potência e as tensões nos barramentos, assim como as correntes e os fluxos de potência nos ramos da rede, em regime permanente, considerando a topologia da rede e os níveis de carga, constituindo uma ferramenta fundamental para análise, operação e planejamento das redes. Entretanto, o algoritmo deve percorrer a rede, representada por grafos orientados, por meio de múltiplas varreduras sobre a topologia durante o processo iterativo para convergir à solução. Assim, o seu desempenho depende da estrutura utilizada para a representação. A estrutura proposta fornece uma representação que reduz o tempo médio de execução em comparação com a representação por lista de adjacências, devido ao acesso sequencial aos elementos ordenados na memória, ao percorrer a rede. As duas representações foram implementadas na linguagem de programação C++ e avaliadas por testes realizados no sistema operacional Linux, nos modos de energia balanceado e desempenho, para redes de 25 e 806 barramentos. Observou-se uma redução de 18,66% para 25 barramentos no modo balanceado, 4,39% para 25 barramentos no modo desempenho, 9,19% para 806 barramentos no modo balanceado e 10,68% para 806 barramentos no modo desempenho. Conclui-se, portanto, que a estrutura proposta é uma alternativa eficiente à lista de adjacências para a representação da rede de distribuição no método de varredura reversa e direta.

Resumo (inglês)

This work proposes the development of an optimized data structure for representing directed graphs applied to the backward/forward sweep algorithm, using a current summation formulation, for three-phase power flow calculation in unbalanced radial electric power distribution networks. The calculation provides the power injections and the voltage magnitudes and angles at the buses, as well as the currents and power flows in the network branches, in steady state, for specific operating conditions, considering the network topology and load levels, thereby constituting a fundamental tool for network analysis, operation, and planning. However, the algorithm must traverse the network, represented by directed graphs, through multiple sweeps over the topology during the iterative process to converge to the solution. Thus, its performance depends on the data structure used for the representation. The proposed structure provides a representation method that reduces the average execution time compared to the adjacency list representation, due to the sequential access to the ordered elements in memory when traversing the network. Both representations were implemented in C++ and evaluated through tests performed in a Linux environment, in balanced and performance power modes, for 25- and 806-bus networks. A reduction of 18.66% was observed for 25 buses in balanced mode, 4.39% for 25 buses in performance mode, 9.19% for 806 buses in balanced mode, and 10.68% for 806 buses in performance mode. It is concluded, therefore, that the proposed data structure is an efficient alternative to the adjacency list for representing the distribution network in the backward/forward sweep method.

Palavras-chave

Fluxo de potência Redes de distribuição Grafos orientados Varredura reversa e direta Estrutura de dados Algoritmos

Idioma

Português

Citação

ZERBINATTI, Gabriel Aparecido. Desenvolvimento de estrutura de dados otimizada para representação de grafos orientados aplicados ao cálculo de fluxo de potência em redes de distribuição radiais. Orientador: Jonatas Boas Leite. 2026. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia, Ilha Solteira, 2026