Este trabalho apresenta um procedimento completo de simulação da proteção digital diferencial aplicada a transformadores de potência, visando o emprego deste à avaliação do comportamento de relés comercialmente disponíveis. Foi escolhido o software ATP (Alternative Transients Program) como ferramenta para a simulação de distintas situações sobre um sistema diferencial de proteção aplicado a um transformador de 25 MVA. Dentre as ocorrências evidenciadas, destacam-se: situações de faltas internas, faltas externas, situações de energização e energização com falta interna do transformador, condição de sobreexcitação e de saturação de TC (Transformador de Corrente). Cabe comentar que das simulações a real caracterização sobre o relé em teste, fez-se necessário todo um pré-processamento e análise da informação que será convenientemente abordada e justificada no trabalho apresentado, denotando-se um procedimento comum de teste a ser adotado a esta filosofia de proteção. A metodologia e esquema prático adotado trazem uma contribuição importante para a análise laboratorial de modelagens e simulações aplicadas a relés de proteção presentes no mercado e contribui de maneira substancial para os estudos teóricos de possíveis soluções para limitações eventualmente encontradas / This dissertation presents a complete procedure of simulation of digital differential protection applied to power transformers, focusing on its use to evaluate of the behavior of commercially available relays. Software ATP (Alternative Transients Program) was chosen as a tool for the simulation of distinct situations in a differential protection system applied to a 25 MVA three-phase transformer. Amongst the evidenced occurrences internal and external fault conditions, energization with or without internal fault of a three-phase transformer, overexcitation and CT (Current Transformer) saturation conditions were distinguished. It should be mentioned that from simulations to the characterization the real situations on the relay in test, a pre-processing and analysis of the information were necessary, and will be justified in the present study, denoting a common test procedure to be adopted to this philosophy of protection

[Truncated abstract] This thesis studies current sensing techniques that are designed to meet the requirements for the next generation of power converters. Power converters are often standardised, so that they can be replaced with a model from another manufacturer without an expensive system redesign. For this reason, the power converter market is highly competitive and relies on cutting-edge technology, which increases power conversion efficiency and power density. High power density and conversion efficiency reduce the system cost, and thus make the power converter more attractive to the customer. Current sensing is a vital task in power converters, where the current information is required for monitoring and control purposes. In order to achieve the above-mentioned goals, existing current sensing techniques have to be improved in terms of cost, power loss and size. Simultaneously, current information needs to be increasingly available in digital form to enable digital control, and to allow the digital transmission of the current information to a centralised monitoring and control unit. All this requires the output signal of a particular current sensing technique to be acquired by an analogue-to-digital converter, and thus the output voltage of the current sensor has to be sufficiently large. This thesis thoroughly reviews contemporary current sensing techniques and identifies suitable techniques that have the potential to meet the performance requirements of the next-generation of power converters. After the review chapter, three novel current sensing techniques are proposed and investigated: 1) The usefulness of the resistive voltage drop across a copper trace, which carries the current to be measured, to detect electrical current is evaluated. Simulations and experiments confirm that this inherently lossless technique can measure high currents at reasonable measurement bandwidth, good accuracy and low cost if the sense wires are connected properly. 2) Based on the mutual inductance theory found during the investigation of the copper trace current sense method, a modification of the well-known lossless inductor current sense method is proposed and analysed. This modification involves the use of a coupled sense winding that significantly improves the frequency response. Hence, it becomes possible to accurately monitor the output current of a power converter with the benefits of being lossless, exhibiting good sensitivity and having small size. 3) A transformer based DC current sense method is developed especially for digitally controlled power converters. This method provides high accuracy, large bandwidth, electrical isolation and very low thermal drift. Overall, it achieves better performance than many contemporary available Hall Effect sensors. At the same time, the cost of this current sensor is significantly lower than that of Hall Effect current sensors. A patent application has been submitted. .... The current sensing techniques have been studied by theory, hardware experiments and simulations. In addition, the suitability of the detection techniques for mass production has been considered in order to access the ability to provide systems at low-cost.

Este trabalho apresenta a proposta de um sistema completo de proteção diferencial de transformadores de potência, aplicando-se as técnicas de Redes Neurais Artificiais (RNAs). O esquema proposto busca a classificação do sistema de proteção como um problema de reconhecimento e reconstrução de padrões, representando um método alternativo aos algoritmos convencionais. Vários fatores como, por exemplo, as situações de energização do transformador e a saturação dos transformadores de corrente, podem causar uma má operação do dispositivo de proteção. Com o objetivo de melhoramento na proteção digital de transformadores de potência, desenvolveu-se um sistema de proteção diferencial, incluindo dispositivos com base em RNAs, em substituição à filtragem harmônica de sinais existente no algoritmo convencional. Em complementação, esquemas de reconstrução das ondas distorcidas provenientes da saturação dos TCs são também propostos e adicionados ao algoritmo final de proteção, sendo esses comparados ao algoritmo convencional de proteção diferencial de transformadores. Com a referida adição de ferramentas de inteligência artificial a um algoritmo completo de proteção diferencial de transformadores, obteve-se uma solução bastante precisa e eficiente, capaz de responder em um tempo reduzido, se comparada aos métodos convencionais. / This work proposes a complete differential protection system for power transformers, applying the Artificial Neural Network (ANN) theory. The proposed approach treat the classification of the protection system as a problem of pattern recognition and as an alternative method to the conventional algorithms. Several factors such as, for example, transformer energization and CT saturation can cause an inadequate operation of the protection relay. With the objective of improving the power transformer digital protection, a complete protection system was developed, including an ANN-based device in substitution to harmonic filters, in use in the conventional algorithm. Some approaches concerning the reconstruction of the distorted signals caused by the CTs saturation are also proposed. These routines are added to the final protection algorithm and they are compared to the conventional algorithm for power transformer protection. With the use of artificial intelligence tools in a complete power transformer protection algorithm, one intends to obtain a very precise, fast and efficient solution, if compared to the conventional methods.

The aim of this master’s thesis is to focus on analysis of a current transformer with feedback correction of measuring error, make an AC current sensor and verify its qualities experimentally. The measuring scale of this transformer is I = 0 to 100A, f = 50Hz.

Current transformers and current sensors are devices which are mostly used for current measurement in high voltage systems. These devices transform measured currents to range which are workable for measurement and protection devices. Theoretical part includes from third to seventh chapter. These chapters contain construction analysis and characteristic points for both device and problems of protecting the transformer with differential protection. Practical part includes from eighth to tenth chapter. This chapter consists results from laboratory measurement. Results are used for verification with theoretical part of the thesis. Conclusion of this thesis comparing properties and summarises results from laboratory measurement.

Vid ombyggnationer och utbyggnationer av elnät förändras dess karakteristik.Detta leder till att skyddsfunktioner kan behöva justeras för att passa elnätets nyakarakteristik. Justeringar kan medföra att selektiviteten mellan skydden försvinner.Selektivitet innebär att endast skyddet närmast felet bryter strömmen, så atten så liten del som möjligt av elnätet blir strömlöst. För att säkerställa att selektivitetråder mellan skydden utformas selektivplaner där selektiviteten visuellt kananalyseras och vid behov utförs justering av skydden. Rotebro mottagningsstation iSollentuna ägs och drivs av Sollentuna Energi & Miljö (SEOM). Stationen står införombyggnationer och selektivplanerna behöver därför ses över.Då problemställningen är att selektiviteten mellan skydden behöver kontrollerasblir målsättningen att skapa en selektivplan för Rotebro mottagningsstation. Dennabaseras på mottagningsstationens skyddsinställningar och det anslutna elnätetskarakteristik. Arbetet resulterade i att en modell av Rotebro mottagningsstationskapades i programmet PSS Sincal. Från denna genererades selektivplaner somvisar att små justeringar av skydden kan göras. Det utfördes även en generell analyssom visar att selektivplaner har stor betydelse för samhället. / In case of build out and rebuilding electricity grids, the electrical characteristicschange. This means that protection features may need to be adjusted to suit theelectrical grids’ new characteristics. Adjustments may lead to loss of selectivity betweenprotective relays. Selectivity means that only the protection device closest tothe fault break the current, so only the smallest possible part of the electrical gridgets disconnected. To assure selectivity, selective tripping schedule is created andprotective relays are adjusted if needed. Rotebro substation in Sollentuna is ownedand operated by Sollentuna Energi & Miljö (SEOM). The substation is facing rebuildingand its selective tripping schedule needs to be reviewed.Since the problem is that selectivity between the protective relays needs to bechecked the goal is to create a selective tripping schedule for Rotebro substation.This is based on the substation protective settings and the connected electricalgrids characteristics. The thesis resulted in a model of Rotebro substation createdin the computer program PSS Sincal. From this a selective tripping schedule weregenerated that shows that small adjustments of the protective relays can be made.A general analysis was also conducted which shows that a selective tripping scheduleis of great importance to the society.

[pt] A medição e classificação de descargas parciais constituem uma importante ferramenta de avaliação dos sistemas de isolamento utilizados em equipamentos de alta tensão. Após o pré-processamento dos dados, que captura, digitaliza e filtra o sinal de descargas parciais, geralmente eliminando os ruídos, existem basicamente duas etapas principais, que são a extração de características e a classificação de padrões. As descargas parciais contêm um conjunto de características discriminatórias únicas que lhes permitem ser reconhecidas. Assim, o primeiro procedimento no processo de classificação é definir quais delas podem ser utilizadas e qual o método de extração destas características. O fenômeno de descargas parciais tem uma natureza transitória e é caracterizado por correntes pulsantes com uma duração de vários nanossegundos até poucos microssegundos. Sua magnitude não é sempre proporcional ao dano causado, sendo que descargas de pequena magnitude podem levar rapidamente à evolução de um defeito. Por isso a necessidade de se entender bem este fenômeno e saber interpretar os dados. Além disso, equipamentos de alta tensão de grande porte, como motores e geradores, podem apresentar mais de uma fonte interna de descargas parciais, sendo importante separar os sinais dessas diferentes fontes antes de realizar a classificação. No caso de outros equipamentos de alta tensão de menor porte, como para-raios e transformadores de corrente de subestação, a simples detecção da presença de descargas parciais interna ao equipamento, independente do número de fontes, já é suficiente para indicar a retirada de operação destes equipamentos, dado seu baixo custo relativo e o elevado grau de importância destes para a confiabilidade do sistema onde estão inseridos. Para um diagnóstico completo e confíável de isolamentos de alta tensão, há a demanda por um sistema de análise capaz de promover com eficácia a detecção de descargas parciais internas aos equipamentos, a separação das diversas fontes de descargas parciais, no caso dos equipamentos de grande porte, bem como realizar a correta classificação do tipo de defeito, com base principalmente na análise das características discriminantes das diferentes fontes e na assinatura dos sinais para os diferentes defeitos. Este estudo contribui para o preenchimento desta lacuna, apresentando metodologias que se mostram robustas e precisas nos testes realizados, de modo que possam efetivamente orientar os especialistas em manutenção na tomada de decisões. Para fazer isso, são propostas novas variáveis capazes de extrair informações relevantes de sinais no tempo medidos em diversos tipos de isolamentos, sendo aplicadas aqui em dados obtidos em campo e em laboratório para avaliar sua eficácia na tarefa. Essas informações são tratadas utilizando técnicas de classificação de padrões e inteligência artificial para determinar de forma automática a presença de descargas parciais, o número de fontes diferentes e o tipo de defeito nos isolamentos de alta tensão utilizados no estudo. Outra contribuição do estudo é a criação de um banco de dados histórico, baseada em processamento de imagem, com padrões de mapas de descargas parciais conhecidos na literatura em máquinas rotativas, para serem utilizados na classificação de novos mapas medidos neste tipo de equipamento. / [en] Measurement and classification of partial discharges are an important tool for the evaluation of insulation systems used in high voltage equipments. After pre-processing of data, which captures, scans and filters the signal of partial discharges, generally eliminating noises, there are basically two main steps, which are the extraction of characteristics and the pattern classification. Partial discharges contain a set of unique discriminatory characteristics that allow them to be recognized. Thus, the first procedure in the classification process is to define which of them can be used and which is the method for extraction of those characteristics. The phenomenon of partial discharges has a transient nature and is characterized by pulsating currents with a duration of several nanoseconds up to a few microseconds. Its magnitude is not always proportional to the damage caused, and discharges of small magnitude can quickly lead to the evolution of a failure. Therefore the need to understand this phenomenon well and to know how to interpret the data. In addition, large high voltage equipments such as motors and generators may have more than one internal source of partial discharges, and it is important to separate the signals from those different sources prior to classification. In the case of smaller high voltage equipments, as surge arrester and substation current transformers, the simple detection of the presence of partial discharges inside the equipment, regardless of the number of sources, is sufficient to indicate the withdrawal of operation of the equipment, given their low relative cost and the high degree of importance of these to the reliability of the system where they are part of. For a complete and reliable diagnosis of high voltage insulations, there is a demand for an analysis system capable of effectively promoting the detection of the partial discharges internal to the equipments, the separation of the various sources of partial discharges in the case of large equipments, as well as to carry out the correct classification of the type of failure. The system should be based mainly on the analysis of the discriminating characteristics of the different sources and the signature of the signals for the different failure. This study contributes to fill this gap by presenting methodologies that are robust and accurate in the tests performed, so that they can effectively guide maintenance specialists in decision making. To do this, new variables are proposed to extract relevant information from time signals measured in various types of insulations, being applied here in field and laboratory data to evaluate their effectiveness in the task. This information is treated using standard classification techniques and artificial intelligence to automatically determine the presence of partial discharges, the number of different sources and the type of defect in the high voltage insulations used in the study. Another contribution of the study is the creation of a historical database, based on image processing, with partial discharge map patterns known in the literature on rotating machines, to be used in the classification of new maps measured in this type of equipment.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-04-12T19:44:42Z No. of bitstreams: 1 brunomontesanoschettino.pdf: 4192681 bytes, checksum: 0df0705f39a6ff58697ec7dc00759256 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-04-24T03:29:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 brunomontesanoschettino.pdf: 4192681 bytes, checksum: 0df0705f39a6ff58697ec7dc00759256 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-24T03:29:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 brunomontesanoschettino.pdf: 4192681 bytes, checksum: 0df0705f39a6ff58697ec7dc00759256 (MD5) Previous issue date: 2015-12-08 / Este trabalho propõe um método para detectar a saturação dos núcleos dos transformadores de corrente (TCs) utilizados na proteção de sistemas elétricos de potência (SEPs), além de promover a compensação de seus efeitos através da correção do sinal de corrente secundária distorcido pela saturação. Técnicas de processamento de sinais baseadas no filtro diferenciador de segunda ordem de Savitzky-Golay são utilizadas para localizar os pontos de transição entre partes do sinal de corrente distorcidas e não distorcidas pela saturação. Em seguida, um processo de estimação baseado no critério dos mínimos quadrados que utiliza exclusivamente amostras do sinal contidas nas regiões não distorcidas é efetuado, extraindo os parâmetros necessários à promoção da correção do sinal. As influências do ruído e dos desvios de frequência de operação do SEP foram analisadas, tendo sido desenvolvidos e incorporados meios adaptativos para mitigar seus efeitos. Os algoritmos desenvolvidos foram implementados em MATLAB e a avaliação de desempenho foi realizada utilizando sinais extraídos de simulações de falta ocorridas em um sistema modelado em um simulador digital em tempo real (RTDS). Os resultados indicaram que o método proposto atingiu desempenho satisfatório, independente dos parâmetros do TC e dentro de uma ampla gama de cenários da falta analisados. Além disso, o método mostrou-se robusto em relação ao ruído e eficiente na mitigação dos erros provocados pelos desvios de frequência. Ainda, os recursos técnicos e computacionais necessários para sua execução indicam que o método proposto é passível de implementação nos atuais dispositivos de proteção disponibilizados pela indústria. / This work proposes a method for detecting the saturation of the current-transformer cores used in the protection of electric power systems and promote the compensation for its effects by correcting the secondary current signal distorted due to the saturation. Signal processing techniques based on the second order differentiator Savitzky-Golay filter are used for locating the transition points between distorted and undistorted parts of the current signal. Then, an estimation process based on the least squares criteria that uses exclusively signal samples included in the undistorted regions is performed, extracting the parameters needed for the signal correction. The influences of the noise and the frequency offset were analysed, and adaptive means to mitigate their effects were developed and incorporated. The developed algorithms were implemented in MATLAB and performance evaluation was performed using the signals taken from fault simulations in a system modeled on a real time digital simulator (RTDS). The results indicated that the proposed method reaches a satisfactory performance, regardless of the CT parameters and within a wide range of analysed fault scenarios. Moreover, the method showed to be robust relative to the noise and effective in mitigating the errors due to the frequency offsets.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents innovative methods for detection and correction of the distorted portions of the secondary current waveforms, which occur due to the core saturation of current transformers (CTs). The detection technique is based on the analysis of the plans formed by the secondary current (i2) and their difference-functions (deln). The distance between consecutive points in these plans has a significant increase when saturation occurs, bucking the trend during the undistorted intervals, which are not corrupted by CT saturation. Additionally, the proposed correction of these signals is based on a technique of curve fitting by least squares, which uses the frequency signal estimated from the secondary current signals as a parameter of compensation. The aforementioned frequency signal is estimated using the Mathematical Morphology operators of dilation and erosion, which are used to estimate future values of the α and β signals obtained from the Clarke Transform. Computational simulations of short circuits were performed to obtain the secondary current signals distorted by CT saturation. The detection method was evaluated in terms of the ability to identify saturation intervals and its speed of response. Moreover, the correction technique was evaluated in terms of the compensation accuracy and its processing time. Calculations of transient error and the use of a full cycle Fourier filter were the basis for the qualitative analysis of the performance of the correction technique. The tests revealed that the combination of the proposed techniques ensures excellent accuracy during correction signals distorted by saturation, showing that the proposals constitute a robust tool for use in numerical relays, increasing the reliability of protection schemes in situations involving the saturation of TCs. / Este trabalho apresenta métodos inovadores para detecção e correção dos trechos distorcidos da forma de onda dos sinais da corrente secundária, que ocorrem em virtude da saturação do núcleo dos transformadores de corrente (TCs). A técnica de detecção é fundamentada na análise dos planos formados pela corrente secundária (i2) e suas funções-diferença (deln). A distância entre pontos consecutivos nesses planos tem um aumento significativo quando a saturação ocorre, contrariando a tendência durante os intervalos não distorcidos por saturação. Além disso, a proposta para correção desses sinais utiliza uma técnica de ajuste de curvas por Mínimos Quadrados, a qual emprega o sinal de frequência estimado a partir dos sinais da corrente secundária como parâmetro de compensação. O referido sinal de frequência é estimado por uma metodologia fundamentada em Morfologia Matemática, cujos operadores de dilatação e erosão são utilizados para estimação de valores futuros dos sinais α e β, obtidos a partir da Transformada de Clarke. Simulações computacionais de curtos-circuitos foram realizadas para a obtenção dos sinais da corrente secundária distorcida por saturação. O método de detecção foi avaliado em termos da capacidade de reconhecimento dos intervalos de saturação e velocidade de resposta. Ainda, a técnica de correção foi avaliada com relação à precisão da compensação e do tempo de processamento. Cálculos de erro transitório e a utilização de um filtro de Fourier de ciclo completo foram a base para a análise qualitativa do desempenho da técnica de correção. Os testes revelaram que a combinação entre as técnicas propostas garante excelente precisão durante a correção dos sinais distorcidos por saturação, mostrando que as propostas constituem uma ferramenta robusta para aplicação em relés numéricos, aumentando a confiabilidade dos esquemas de proteção em situações que envolvam a saturação dos TCs.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to evaluate the performance of some methods used to detect and correct the distorted portions of the secondary current signal waveform, which occur due to the core saturation of current transformers. Such methods are presented didactically divided among techniques existing in the specialized literature and new methodologies proposed. Involving various mathematical tools, methods of correction and detection were combined for the analyzed cases. Computer simulations of faults were made to obtain secondary current signals distorted by saturation, allowing the evaluation of these methodologies. The detection methods were evaluated in terms of the ability to identify saturation intervals and speed response. Moreover, the correction techniques were evaluated in terms of compensation accuracy and their processing time. Transient error calculations and the use of a full cycle Fourier filter were the basis for the qualitative analysis of the correction techniques performance. In each case analyzed, different performances were verified for the combinations tested. It was found that differences in detection time instants of the distorted portions provide different rates of error to the methodologies that are associated with saturation detectors. In this context, one of the techniques proposed for detection of distorted sections showed good precision, ensuring low errors for one of the associated correction methodologies in all the analyzed cases. Also, it was found that methods based on Least Squares have good accuracy for the correction of signals distorted by saturation. / Este trabalho visa avaliar o desempenho de alguns métodos para detecção e correção dos trechos distorcidos da forma de onda dos sinais de corrente secundária, que ocorrem em virtude da saturação do núcleo dos transformadores de corrente. Tais métodos são apresentados didaticamente, divididos entre técnicas existentes na literatura especializada e novas propostas. Envolvendo variadas ferramentas matemáticas, as metodologias de correção e detecção foram combinadas para análise de casos. Simulações computacionais de curtoscircuitos foram realizadas para a obtenção dos sinais da corrente secundária distorcida por saturação. Os métodos de detecção foram avaliados em termos da capacidade de reconhecimento dos intervalos de saturação e velocidade de resposta. Além disso, as técnicas de correção foram avaliadas em termos da precisão da compensação e do tempo de processamento. Cálculos de erro transitório e a utilização de um filtro de Fourier de ciclo completo foram a base para a análise qualitativa do desempenho das técnicas de correção. Em cada caso analisado, diferentes desempenhos foram verificados. Observou-se que diferenças nos instantes de detecção dos trechos distorcidos propiciam diferentes margens de erro às metodologias de correção, que são associadas aos detectores de saturação. Nesse contexto, uma das técnicas propostas para detecção dos trechos distorcidos apresentou boa precisão, garantindo que uma das metodologias de compensação, a qual foi associada, obtivesse erros relativamente baixos para todos os casos analisados. Também, verificou-se que as metodologias fundamentadas em Mínimos Quadrados possuem boa precisão durante a correção dos sinais distorcidos por saturação.