Metodologia Integrada de Restauração Inteligente (ISRM) para o planejamento da automação de redes de distribuição considerando recursos energéticos distribuídos e microrredes

Abstract

Esta tese propõe a Metodologia Integrada de Restauração Inteligente (Integrated Smart Restoration Methodology – ISRM), que integra a modelagem da restauração de redes radiais, a avaliação da confiabilidade e o planejamento multiobjetivo da automação. A ISRM representa a rede por blocos de carga, superblocos dinâmicos e hiperblocos. Para diferentes locais e horários de ocorrência de faltas, simula o isolamento do trecho defeituoso, a restauração pela fonte principal, a transferência por alimentadores de reserva e o atendimento por Recursos Energéticos Distribuídos (REDs) e microrredes. A avaliação considera perfis horários de demanda, geração fotovoltaica, estado de carga dos sistemas de armazenamento, capacidade de reserva dos alimentadores e tempos de reparo dependentes do horário do evento. Com isso, são calculados indicadores de desempenho como a frequência equivalente de interrupção por unidade consumidora (FEC), a duração equivalente de interrupção por unidade consumidora (DEC), a energia não distribuída (END) e o custo da interrupção ao consumidor (CIC). Para o planejamento, a ISRM utiliza a metaheurística NSGA-II, com cromossomos binários que representam a instalação de novas chaves automatizadas ou a substituição de chaves manuais por unidades automatizadas, buscando soluções não dominadas para DEC, CIC e investimento de capital (CAPEX), sob restrições orçamentárias. A restauração foi validada nas redes de 69 e 1.946 barras, e a otimização foi aplicada às redes de 69 e 135 barras, considerando níveis de penetração de RED de 30% e 50%. A agregação em superblocos reduziu a dimensão processada em aproximadamente 91% e 88% nas redes de 69 e 1.946 barras, respectivamente, com tempo mediano de 0,73 s por evento na rede de grande porte. Na rede de 69 barras, a disponibilidade de alimentadores de reserva reduziu FEC, DEC, END e CIC em cerca de 21% a 30%; na rede de 1.946 barras, as microrredes atuaram em 92% das topologias avaliadas. Os resultados do NSGA-II indicaram que a substituição de chaves e a instalação de três novas unidades reduziram os indicadores em aproximadamente 23% a 24% na rede de 69 barras. Na rede de 135 barras, as reduções foram de 44,50% para FEC e de aproximadamente 27% para DEC, END e CIC. Os resultados mostram que a ISRM permite avaliar, de forma escalável e dependente do tempo, alternativas de restauração e automação, e que a localização dos dispositivos influencia os benefícios obtidos.

This thesis proposes an Integrated Smart Restoration Methodology (ISRM), which integrates the modeling of radial distribution network restoration, reliability assessment, and multiobjective automation planning. The ISRM represents the network through load blocks, dynamic superblocks, and hyperblocks. For different fault locations and occurrence times, it simulates isolation of the faulted section, restoration from the primary source, transfer through backup feeders, and supply from Distributed Energy Resources (DERs) and microgrids. The assessment considers hourly demand profiles, photovoltaic generation, energy storage state of charge, feeder reserve capacity, and repair times that depend on the event time. It calculates performance indicators including the equivalent frequency of interruption per consumer (FEC), equivalent duration of interruption per consumer (DEC), energy not distributed (END), and customer interruption cost (CIC). For planning, the ISRM uses the NSGA-II metaheuristic, with binary chromosomes representing the installation of new automated switches or the replacement of manual switches with automated units, to seek non-dominated solutions for DEC, CIC, and capital expenditure (CAPEX), subject to budget constraints. Restoration was validated on the 69-bus and 1,946-bus networks, while optimization was applied to the 69-bus and 135-bus networks, considering DER penetration levels of 30% and 50%. Superblock aggregation reduced the processed dimension by approximately 91% and 88% on the 69-bus and 1,946-bus networks, respectively, with a median processing time of 0.73 s per event on the large network. On the 69-bus network, backup feeder availability reduced FEC, DEC, END, and CIC by approximately 21% to 30%; on the 1,946-bus network, microgrids operated in 92% of the evaluated topologies. NSGA-II results showed that replacing switches and installing three new units reduced the indicators by approximately 23% to 24% on the 69-bus network. On the 135-bus network, reductions were 44.50% for FEC and approximately 27% for DEC, END, and CIC. These results show that the ISRM provides a scalable, time-dependent assessment of restoration and automation alternatives, and that device placement influences the benefits achieved.