Planejamento da expansão de sistemas de distribuição de energia elétrica considerando confiabilidade

Abstract

Este trabalho aborda o problema de planejamento da expansão de sistemas de distribuição de energia elétrica (PESD), focando especialmente nos aspectos de confiabilidade. A maioria das propostas de PESD encontra apenas uma topologia ótima que é radial. Entretanto, o sistema de distribuição real tem topologia malhada onde existem ramos que devem estar ativos quando o sistema opera em condição normal e existe um conjunto geralmente reduzido de ramos que devem permanecer desligados na operação normal, mas podem estar ativos quando o sistema opera em condições não normais ou quando se pretende realizar manutenção programada do sistema. Dessa forma, o sistema ligeiramente malhado é mais confiável que um sistema apenas com topologia radial. A proposta desenvolvida neste trabalho envolve a expansão de um sistema de distribuição de 54 barras em duas etapas. Assim, inicialmente se encontra a topologia radial ótima de operação usando um modelo matemático de programação cônica de segunda ordem binário misto (PCSOBM). Posteriormente, na segunda etapa, a partir dessa topologia radial, são incorporados um número adicional de ramos de forma que o sistema malhado apresenta uma estrutura com o máximo número possível de topologias radiais. Essa segunda etapa é resolvida usando a meta-heurística VNS (do inglês Variable Neighborhood Search) nas versões VND (do inglês Variable Neighborhood Descent) e BVNS (do inglês Basic Variable Neighborhood Se-arch). Os resultados obtidos na primeira etapa incluem um custo total de planejamento de 4.788.328 USD, considerando os custos de construção de subestações, construção e reconduto-ramento de ramos. Adicionalmente na segunda etapa, foram identificados 6 ramos que geram um máximo de 138.768 topologias radiais com um custo total de construção de 54.300 USD. Esta abordagem evidencia que um sistema com uma topologia ligeiramente malhada pode ofe-recer maior confiabilidade em comparação com sistemas baseados exclusivamente em topolo-gias radiais, destacando a eficácia da metodologia combinada do sistema de expansão junto com os ramos incorporados.

This work addresses the problem of planning the expansion of electric power distribution sys-tems (PESD), focusing especially on reliability aspects. Most PESD proposals find only one optimal radial topology. However, real distribution systems have a meshed topology where there are branches that must be active when the system operates under normal conditions and there is a generally reduced set of branches that should remain disconnected in normal operation but can be active when the system operates under abnormal conditions or when scheduled maintenance is intended. Therefore, a slightly meshed system is more reliable than a system with only a radial topology. The proposal developed in this work involves expanding a 54-bus distribution system in two stages. Initially, the optimal radial operating topology is found using a second-order mixed binary conic programming model (PCSOBM). Subsequently, in the sec-ond stage, from this radial topology, an additional number of branches are incorporated so that the meshed system exhibits a structure with the maximum possible number of radial topologies. This second stage is solved using the metaheuristic VNS (Variable Neighborhood Search) in the VND (Variable Neighborhood Descent) and BVNS (Basic Variable Neighborhood Search) ver-sions. The results obtained in the first stage include a total planning cost of 4,788,328 USD, considering substation construction costs, branch construction, and reconductoring costs. Ad-ditionally, in the second stage, 6 branches were identified that generate a maximum of 138,768 radial topologies with a total construction cost of 54,300 USD. This approach highlights that a system with a slightly meshed topology can offer greater reliability compared to systems based solely on radial topologies, emphasizing the effectiveness of the combined expansion system methodology with the incorporated branches.