Fechar

@PhDThesis{Lacerda:2022:SyOsNe,
               author = "Lacerda, Juliana Cestari",
                title = "Synchronization in oscillator networks and applications in energy 
                         transmission networks",
               school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
                 year = "2022",
              address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
                month = "2021-11-17",
             keywords = "synchronization, power grids, Kuramoto models, 
                         sincroniza{\c{c}}{\~a}o, redes de transmiss{\~a}o de energia 
                         el{\'e}trica, modelos de Kuramoto.",
             abstract = "Synchronization is a process in which dynamic units coordinate 
                         some intrinsic property of the system. It is a universal behavior 
                         that takes place in many natural and artificial systems, such as 
                         electric power transmission networks, also called power grids. In 
                         order to study synchronization in systems of interacting dynamical 
                         units, it has been shown to be useful to describe the system as a 
                         complex network of interacting oscillators, where nodes represent 
                         the dynamical units and the connections between them express their 
                         interacting channels. Some of the most widely used models of phase 
                         oscillators to study synchronization in complex networks are the 
                         first and second order Kuramoto models. When a synchronized 
                         oscillator network is subjected to a perturbation, like a sudden 
                         change of a components frequency or the addition of a new edge in 
                         the networks topology, it can eventually lead the whole system out 
                         of the synchronous state. The impact that the topology and its 
                         changes have on the synchronization of a network is the object of 
                         intense studies as it has been shown that small changes on its 
                         structure may desynchronize the system. This doctoral thesis aims 
                         to study synchronization of dynamical systems whose components are 
                         described by the first and second order Kuramoto models, more 
                         specifically, the role that topology plays on the synchronization 
                         of these systems by taking distinct approaches. First, we focus on 
                         the synchronization of power transmission networks, which are, in 
                         a first approximation, well represented by the second order 
                         Kuramoto model. In order to be fully functional, the components of 
                         the power transmission network must present synchronization in 
                         their frequencies. Power grids are subject to local instabilities 
                         that can eventually lead to failures throughout the entire 
                         network, due to the loss of synchronization of its components, 
                         causing, for example, blackouts. An evolutionary optimization 
                         method used to generate topologies that favor the synchronization 
                         of power grids is presented, as well as the study of the stability 
                         of these networks. We also show that a simple change in the 
                         network topology can cause nonlocal failures and even destroy the 
                         synchronous state of the system. A more general approach in the 
                         study of synchronization in oscillator networks is also presented, 
                         in a way that nodes are represented by the first order Kuramoto 
                         model and the influence of cycles and heterogeneity between 
                         connections in the synchronization of the system is studied. We 
                         find an indication that a network topology with a reduced number 
                         of cycles and with a high number of connections between high and 
                         low degree nodes tends to favor synchronization. RESUMO: 
                         Sincroniza{\c{c}}{\~a}o {\'e} um processo no qual unidades 
                         din{\^a}micas coordenam alguma propriedade intr{\'{\i}}nseca do 
                         sistema. {\'E} um comportamento universal que ocorre em muitos 
                         sistemas naturais e artificiais, como nas redes de 
                         transmiss{\~a}o de energia el{\'e}trica, tamb{\'e}m chamadas de 
                         power grids. Para estudar a sincroniza{\c{c}}{\~a}o em sistemas 
                         din{\^a}micos, mostrou-se {\'u}til descrever o sistema como uma 
                         rede complexa de osciladores que interagem entre si, onde os 
                         n{\'o}s representam as unidades din{\^a}micas e as conex{\~o}es 
                         entre elas expressam seus canais de intera{\c{c}}{\~a}o. Alguns 
                         dos modelos de osciladores de fase mais utilizados para estudar a 
                         sincroniza{\c{c}}{\~a}o em redes complexas s{\~a}o os modelos 
                         de Kuramoto de primeira e segunda ordem. Quando uma rede de 
                         osciladores sincronizados {\'e} submetida a uma 
                         perturba{\c{c}}{\~a}o, como uma mudan{\c{c}}a repentina na 
                         frequ{\^e}ncia de um componente ou a adi{\c{c}}{\~a}o de uma 
                         nova aresta na topologia da rede, isso pode eventualmente levar 
                         todo o sistema para fora do estado s{\'{\i}}ncrono. O impacto 
                         que a topologia e suas mudan{\c{c}}as t{\^e}m na 
                         sincroniza{\c{c}}{\~a}o de uma rede {\'e} objeto de intensos 
                         estudos, pois tem sido demonstrado que pequenas mudan{\c{c}}as em 
                         sua estrutura podem dessincronizar o sistema. Esta tese de 
                         doutorado tem como objetivo estudar a sincroniza{\c{c}}{\~a}o de 
                         sistemas din{\^a}micos cujos componentes s{\~a}o descritos pelos 
                         modelos de Kuramoto de primeira e segunda ordem, mais 
                         especificamente, o papel que a topologia desempenha na 
                         sincroniza{\c{c}}{\~a}o desses sistemas por meio de abordagens 
                         distintas. Primeiramente, focamos na sincroniza{\c{c}}{\~a}o de 
                         redes de transmiss{\~a}o de energia, que s{\~a}o, em uma 
                         primeira aproxima{\c{c}}{\~a}o, bem representadas pelo modelo de 
                         Kuramoto de segunda ordem. Para serem totalmente funcionais, os 
                         componentes da rede de transmiss{\~a}o de energia devem 
                         apresentar sincroniza{\c{c}}{\~a}o em suas frequ{\^e}ncias. As 
                         redes de transmiss{\~a}o el{\'e}tricas est{\~a}o sujeitas a 
                         instabilidades locais que podem eventualmente levar a falhas em 
                         toda a rede, devido {\`a} perda de sincroniza{\c{c}}{\~a}o de 
                         seus componentes, causando, por exemplo, apag{\~o}es. {\'E} 
                         apresentado um m{\'e}todo de otimiza{\c{c}}{\~a}o evolutiva 
                         utilizado para gerar topologias que favore{\c{c}}am a 
                         sincroniza{\c{c}}{\~a}o de redes el{\'e}tricas, bem como o 
                         estudo da estabilidade dessas redes. Tamb{\'e}m mostramos que uma 
                         simples mudan{\c{c}}a na topologia da rede pode causar falhas 
                         n{\~a}o locais e at{\'e} mesmo destruir o estado 
                         s{\'{\i}}ncrono do sistema. Uma abordagem mais geral no estudo 
                         da sincroniza{\c{c}}{\~a}o em redes de osciladores tamb{\'e}m 
                         {\'e} apresentada, de forma que os n{\'o}s s{\~a}o descritos 
                         pelo modelo de Kuramoto de primeira ordem e a influ{\^e}ncia dos 
                         ciclos e da heterogeneidade entre as conex{\~o}es na 
                         sincroniza{\c{c}}{\~a}o do sistema {\'e} estudada. Encontramos 
                         uma indica{\c{c}}{\~a}o de que uma topologia de rede com um 
                         n{\'u}mero reduzido de ciclos e com um grande n{\'u}mero de 
                         conex{\~o}es entre n{\'o}s de alto e baixo grau tende a 
                         favorecer a sincroniza{\c{c}}{\~a}o.",
            committee = "Guimar{\~a}es, Lamartine Nogueira Frutuoso (presidente) and 
                         Macau, Elbert Einstein Nehrer (orientador) and Freitas, Celso 
                         Bernardo da Nobrega de (orientador) and Quiles, Marcos 
                         Gon{\c{c}}alves and Viana, Ricardo Luiz and Grzybowski, Jos{\'e} 
                         Mario Vicensi",
         englishtitle = "Sincroniza{\c{c}}{\~a}o em redes de osciladores e 
                         aplica{\c{c}}{\~o}es em redes de transmiss{\~a}o de energia",
             language = "en",
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