Alocação multiobjetivo de religadores inteligentes em redes primárias de distribuição via método de entropia cruzada

Abstract

Distribuidoras de energia empenham-se em garantir o fornecimento de energia elétrica em sua área de concessão, conforme padrões de qualidade e confiabilidade previstos em lei. Dado que a maioria das falhas em linhas aéreas de redes de distribuição são de natureza transiente, o uso de religadores reduz significativamente o tempo de interrupção para os consumidores, constituindo-se como uma prática comum aplicada por empresas de distribuição. A alocação de religadores em redes de distribuição é uma tarefa crítica para os planejadores, pois afeta diretamente a confiabilidade esperada do sistema e a percepção dos consumidores quanto à qualidade do serviço. Diante disso, esta dissertação propõe-se desenvolver uma abordagem capaz de lidar com múltiplas funções objetivo, apoiando a alocação de religadores inteligentes, com capacidade de comunicação em arquitetura Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), em redes de distribuição de energia elétrica. A formulação do problema inclui aspectos relacionados aos custos esperados, à confiabilidade do serviço e à eficiência da comunicação. Neste sentido, esforços concentram-se em evitar multas relacionadas aos índices de continuidade de serviço individuais estabelecidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), reduzir os custos correspondentes à Energia Não Suprida (ENS) e minimizar os custos associados à instalação e manutenção do religador. Além disso, visa-se melhorar os índices de confiabilidade da rede, como o índice System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) e a qualidade da comunicação entre os dispositivos religadores e um concentrador de dados gateway. Com esse propósito, o método de Entropia Cruzada (EC) foi estendido para se adaptar a uma perspectiva multiobjetivo, com atenção especial ao processo de seleção das soluções candidatas que compõem o conjunto de elite. Um procedimento em duas etapas foi delineado seguindo duas premissas destacadas na literatura para avaliar a qualidade das soluções. Essas premissas referem-se à convergência das soluções para a fronteira de Pareto e ao nível de dispersão do conjunto de elite ao longo do hiperplano. Em uma primeira etapa, realiza-se uma classificação das soluções candidatas considerando seu nível de não dominância. Se necessário, uma segunda etapa é executada com foco na obtenção de um conjunto de elite bem distribuído. Nessa última etapa, duas alternativas foram avaliadas: crowding distance e o critério baseado em pontos de referência. Os estudos de caso foram conduzidos para uma rede de distribuição localizada na região sudeste do Brasil e a avaliação dos critérios empregados na segunda etapa de seleção das soluções candidatas baseou-se em uma comparação de desempenho orientada por um indicador de hipervolume. Os resultados obtidos apontam para a efetividade da abordagem, alcançando soluções não dominadas bem distribuídas ao longo do hiperplano e enfatizam os impactos de diferentes critérios para construção do conjuntos de elite na solução do problema, considerando duas e três funções objetivo.

Abstract: Power utilities are committed to ensure the supply of electricity in their concession areas, according to quality and reliability standards enforced by law. Considering that the majority of failures in overhead distribution systems are of transient nature, the usage of reclosers dictate a significant reduction in customer interruption duration, constituting a common approach by power engineers. The placement of reclosers in distribution networks is a critical task for distribution system planners, as it directly impacts the expected reliability of the system and the customer perception of the quality of service. This work proposes an approach able to deal with multiple objective functions, supporting the placement of intelligent reclosers, with communication capabilities based on a Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) architecture, in power distribution networks. Problem formulation includes aspects related to expected costs, service reliability and communication efficiency. In this sense, efforts are focused on avoiding fines related to individual service continuity indicators established by Brazilian Electricity Regulatory Agency (ANEEL), reducing the costs corresponding to Energy Not Supplied (ENS), and minimizing the costs associated with recloser installation and maintenance. Moreover, it aims to improve system reliability indices, such as the System Average Interruption Frequency Index (SAIFI), and the quality of communication between recloser devices and a gateway data concentrator. The Cross-Entropy (CE) method has been extended to fit a multi-objective perspective, with particular attention to selecting candidate solutions to construct the elite set. A two-step procedure has been designed following two premises highlighted in the literature for evaluating the quality of solutions. These premises refer to the convergence of solutions towards the Pareto front and the dispersion level of the elite set along the hyperplane. In a first step, a ranking of candidate solutions is performed considering their non-dominance level. If required, a second step is executed focusing on reaching a well-distributed elite set. In the latter, two alternatives have been assessed: crowding distance and reference point-based criterion. Case studies have been conducted for a real distribution feeder in the Southeast region of Brazil and the evaluation of the criteria used in the second step of selecting candidate solutions was based on a performance comparison directed by a hypervolume indicator. Results indicate the effectiveness of the approach, achieving well-distributed non-dominated solutions along the hyperplane and emphasizing the impact of different criteria to build elite sets on the solution of the problem, considering two and three objective functions.