Assessment of Voltage Stability Utilizing the Index |D’| and Artificial Neural Networks Under Contingencies

Authors

DOI:

https://doi.org/10.18607/ES20251418663


Keywords:

Voltage Stability, Artificial Neural Networks, Voltage Stability Index

Abstract

Approaches using Artificial Neural Networks (ANNs) have aimed to enhance the accuracy and reliability of voltage stability index calculations to ensure the secure operation of Power Systems (PS), especially under conditions of imminent voltage collapse. Furthermore, complementary research has incorporated the dynamic modeling of transformers and renewable energy sources, while also leveraging real-time phasor measurements to enhance these methodologies. Despite significant advancements, there is still a need to improve the accuracy and computational efficiency of existing indices, particularly in multiple contingency scenarios. This paper proposes the use of the |D’| index, derived from the Power Flow Jacobian matrix, to enhance the precision of voltage stability assessment. The proposed method is evaluated through simulations considering three types of contingencies: stepwise increase in active and reactive power at loads, continuation power flow analysis, and transmission line outages. Performance tests of the |D’| index, using ANNs, demonstrate high accuracy and strong generalization, with low mean absolute errors and standard deviation values, enabling the efficient identification of the most critical buses in the system with low computational cost. The proposed method proved to be effective in reducing errors and variance during testing and validation, particularly under operating conditions close to voltage collapse, highlighting its robustness and efficiency in real-time stability analysis.

Author Biographies

  • Carlos Enrique Portugal Poma, Universidade Federal de Mato Grosso

    Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidad Nacional de Ingeniería – Lima, Peru (2002), mestrado em Engenharia de Eletricidade pela Universidade Federal do Maranhão – Brasil (2005) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – Brasil (2010). Atua na área de Dinâmica de Sistemas de Potência, com ênfase em estabilidade angular e de tensão, desenvolvendo métodos numéricos eficientes e robustos para a análise de redes elétricas. Tem experiência em desenvolvimento de programas computacionais de fluxo de carga, simulações no domínio do tempo para análise de estabilidade de curta e longa duração, além de modelagem de dispositivos de dinâmica rápida e lenta. Sua atuação também inclui o uso de técnicas de inteligência artificial, como redes neurais artificiais, lógica fuzzy e computação evolutiva, aplicadas à análise e operação de sistemas elétricos de potência.

  • João Vitor Fabris, Universidade Federal de Mato grosso

    Engenheiro Eletricista graduado pela Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT). Durante a graduação, participou de projetos de pesquisa voluntária na área de Telecomunicações e atuou como bolsista de extensão na Supervisão de Sistemas de Aplicações, vinculada à Secretaria de Comunicações e Multimeios da UFMT. Atualmente, cursa pós-graduação lato sensu em Engenharia de Segurança do Trabalho. Áreas de interesse incluem: Engenharia Elétrica, Engenharia de Segurança do Trabalho, Telecomunicações, Eletrônica, Tecnologia da Informação e Inteligência Artificial.

  • Fillipe Matos de Vasconcelos, Universidade Federal de Mato grosso

    Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará (2009). Desenvolveu atividades de pesquisa no Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas - GEDAE (2007-2008). Estagiou nas Centrais Elétricas do Norte do Brasil S.A. - ELETRONORTE (2008) e foi Trainee na Mineração Rio do Norte - MRN (2009) do grupo Vale. Possui mestrado (2012) e doutorado (2017) em Sistemas Elétricos de Potência na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP) da Universidade de São Paulo desenvolvidos no Laboratório de Análise de Sistemas de Energia Elétrica LASEE/USP (2010-2017). No doutorado obteve experiência internacional no programa de doutorado sanduíche (12 meses) na The University of Manchester, UK. Possui pós-doutorado (2019) no Departamento de Engenharia de Minas e de Petróleo da EPUSP. Atuou como professor (2017-2019 e 2021-2022) no Instituto Federal de São Paulo IFSP, no Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas (PEA) da Escola Politécnica/Universidade de São Paulo (2019-2021) e foi pesquisador do ENERQ/USP (2018-2021). Atuou como engenheiro de desenvolvimento de softwares e diretor técnico de uma Startup de digitalização do setor elétrico (2020-2022). Atualmente é professor na Universidade Federal do Mato Grosso (2022-atual). A sua área de atuação é Sistemas Elétricos de Potência, com experiência e interesse nas áreas de transmissão e distribuição de energia elétrica (i.e., planejamento, operação, manutenção e automação de redes elétricas), bem como pesquisa operacional (i.e., otimização linear, não-linear, não-linear inteira mista, machine learning, etc), energias renováveis (i.e., energia solar e energia eólica) e novas tecnologias (i.e., veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia)

  • Leandro Tolomeu Marques, Universidade Federal de Mato grosso

    É bacharel em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Mato Grosso (2011) e possui os títulos de Mestre e de Doutor em Ciências pela Universidade de São Paulo (USP) obtidos, respectivamente, em 2013 e 2018 em Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas Elétricos de Potência. Atualmente é professor adjunto na Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) e desenvolve atividades de ensino e pesquisa. Ministra ou já ministrou disciplinas nas áreas de circuitos elétricos, sistemas elétricos de potência, eletrônica e programação computacional. Como pesquisador, atua na área de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica e desenvolve métodos computacionais para operação destas redes, em especial para o tratamento dos problemas de restabelecimento de energia e de redução de perdas elétricas; atua também no desenvolvimento de algoritmos bio-inspirados e heurísticos para o tratamento de problemas de otimização multi-objetivos. É autor de diversos artigos publicados em congressos nacionais e internacionais e em periódicos internacionais relevantes, sendo dois deles premiados por sua qualidade e relevância. Tem participado dos principais eventos internacionais na área de sistemas elétricos de potência e atuado como revisor de vários congressos nacionais e internacionais e dos periódicos internacionais 'IET Generation, Transmission & Distribution' (Qualis A2) e 'IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics: Systems' (Qualis A1).

  • Nicolás Eusebio Cortez Ledesma, Universidade Federal de Mato grosso

    Possui graduação em Engenharia Eletrônica - Universidad Nacional de Ingeniería (1992), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho" (2012) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho" (2015). De 1996 a 2010, foi Professor Assistente na Universidade Nacional de San Cristóbal de Huamanga, Ayacucho, Perú. Atualmente é Professor Adjunto na Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia da Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá. Tem experiência na área de Engenharia Eletrônica, com ênfase em sistemas digitais, microprocessadores e arquitetura de computadores, atuando principalmente nos seguintes temas: aquisição de dados e processamento de sinais, instrumentação eletrônica, microcontroladores, transdutores piezelétricos, monitoramento de integridade estrutural (SHM), redes de sensores sem fio, monitoramento remoto, Internet das coisas (IoT).

Published

2025-05-04

How to Cite

Portugal Poma, C. E., Vitor Fabris, J. ., Matos de Vasconcelos, F. ., Tolomeu Marques, L., & Cortez Ledesma, N. E. . (2025). Assessment of Voltage Stability Utilizing the Index |D’| and Artificial Neural Networks Under Contingencies. E&S Engineering and Science, 14(1), 20-34. https://doi.org/10.18607/ES20251418663