O presente trabalho visa apresentar um modelo alternativo e completo de proteção para linhas de transmissão utilizando-se de Redes Neurais Artificiais (RNAs). Pela aplicação, busca-se um modelo que venha a realizar a detecção do defeito, a classificação quanto ao tipo de falta ocorrida e a localização da mesma no que diz respeito à verificação das zonas de proteção em um menor tempo se comparado com as propostas convencionais. As grandezas analisadas referem-se a valores amostrados de tensões e correntes do sistema elétrico, cujos valores foram obtidos através de simulações computacionais utilizando o software Alternative Transientes Program (ATP). O desenvolvimento do trabalho está dividido em módulos, que dizem respeito à implementação das arquiteturas para a detecção, classificação e a localização da falta. Ressalta-se que o objetivo de treinar os módulos foi o de se obter arquiteturas de RNAs fixas (software NeuralWorks), as quais representam todo o conhecimento armazenado do sistema de proteção. Com estas arquiteturas fixas, através de um algoritmo computacional apropriado e implementado na linguagem de programação \"C\", pode-se então obter as respostas sobre todas as prováveis condições de operação do sistema de transmissão. Os resultados alcançados pela aplicação deste modelo alternativo de proteção ilustram que o desempenho global das arquiteturas de RNAs é altamente satisfatório e condizente para uma possível aplicação prática. Deve ser enfatizado que o esquema proposto se mostra altamente preciso, com alta velocidade de atuação, apresentando características bastante desejáveis para um sistema de proteção moderno. Deve ser mencionado que esta pesquisa foi desenvolvida em cooperação com o Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Bath/Inglaterra. / This work presents an alternative Artificial Neural Network (ANN) approach to simulate a complete scheme for a transmission line protection. From this application, we intend to obtain a complete model to detect the fault, to classify the fault type occurred and to locate it on the protection zones as quickly as possible when compared to conventional approaches. The voltage and current sampled values from the electric power system are analyzed and they are generated by computational simulation using the Alternative Transients Program (ATP) software. In order to perform the simulation, the study was subdivided into different neural network modules for fault detection, fault classification as well as fault location. It should be pointed out that the modules training objective was to obtain the appropriate fixed ANNs architectures (software NeuralWorks), which represent all stored knowledge from the protection system operation. With these fixed architectures, by an appropriate computational algorithm implemented in a C code language, all expected correct responses described above for different operation conditions can be obtained. The results obtained by application of this alternative protection approach, show that the global performance of the ANNs architecture was highly satisfactory and suitable to a practical application. It should be emphasized that the scheme proposed is highly precise with high speed of response, showing desirable characteristics to a modern protection system. It should be mentioned that this research was developed in cooperation with the Department of Electronic and Electrical Engineering - University of Bath/England.

A ocorrência de faltas em sistemas elétricos de distribuição de energia é algo indesejável, porém, inerente ao mesmo devido a sua topologia normalmente aérea. Entre essas faltas, destacam-se as de alta impedância devido às características de corrente de baixa magnitude que surgem quando de sua ocorrência. No presente trabalho, um método baseado em três módulos é apresentado para a detecção e localização de faltas de alta impedância (FAI). No Módulo 1, é realizado um monitoramento contínuo dos sinais de corrente de forma a detectar a ocorrência de uma descontinuidade que pode estar vinculada a ocorrência de uma FAI. Caso haja essa detecção, o Módulo 2 é ativado de forma a analisar se o evento é realmente uma FAI. Por último, depois de detectada a FAI, o Módulo 3 é inicializado e a localização da falta, estimada. Para possibilitar a análise do método proposto e validar os resultados obtidos, um sistema de distribuição real, em conjunto com todas as etapas do sistema de aquisição de dados, foi modelado no software ATP/EMTP. Essa modelagem foi validada a partir de dados reais obtidos quando da ocorrência em campo de um curto-circuito bifásico. Vale ressaltar que um estudo de caso referente à importância da detecção e localização de um evento relacionado a uma FAI em uma concessionária de energia foi também analisado no início do trabalho de forma a mostrar o possível impacto da localização de FAIs nos indicadores de qualidade de serviço na mesma. Pelos resultados observados, a abordagem como um todo se mostra promissora e passível de aplicação no sistema real simulado e avaliado. / The occurrence of faults in overhead distribution networks is undesirable but common based on its topology. Among these events, High Impedance Faults (HIF) is one of the most important due to the fact that it has a small magnitude current. In this dissertation, a modular three-phase method is presented to enable HIF´s detection and location in a distribution system. In the Module 1, the phase currents are monitored in order to detect a discontinuity that can be associated with a HIF´s occurrence. If the Module 1 detected a discontinuity, the Module 2 is initiated and it analyses if the event can be classified as a HIF. Finally, if the Module 2 returns the event as a HIF, the Module 3 is initiated and the possible location of the HIF is estimated. To enable analysis of the proposed method and to validate the results, a real-based distribution system and the acquisition system of a digital relay were modeled in ATP/EMTP software. In order to validate the model, a simulated twophase fault were compared with the data obtained in a real event occurred in the analyzed distribution system. In order to present the importance of detecting and locating a HIF to a distribution utility, a case study was developed in the beginning of its work. Its importance is based on the improvement of the service quality indicators. Based on the results, the proposed method seems to be promising and applicable in a real distribution system.

A computação em nuvem tem sido vislumbrada como a principal tecnologia capaz de integrar e gerenciar os diversos sistemas envolvidos em uma Smart Grid. Nesse sentido, esta pesquisa tem por objetivo desenvolver uma infraestrutura de computação em nuvem capaz de armazenar e manipular dados em sistemas de distribuição. Analisando a infraestrutura das principais aplicações que utilizam computação em nuvem nesse contexto, foi proposta uma arquitetura com serviços essenciais, que pode ser estendida, para abrigar serviços e aplicações voltadas aos sistemas de distribuição inteligentes. A partir dessa proposta, uma infraestrutura de computação em nuvem foi implementada, utilizando ferramentas open source. Essa infraestrutura permitiu o desenvolvimento de uma nova aplicação para auxílio à localização de faltas, utilizando mineração de dados sobre os dados provenientes de smart meters, que é capaz de reduzir o problema da múltipla estimação nos sistemas de distribuição radial, auxiliando na definição do ramal faltoso. Para isso, uma versão otimizada da ferramenta de mineração de dados DAMICORE (Data Mining of Code Repositories) foi implementada estendendo os serviços básicos da arquitetura proposta. A aplicação desenvolvida foi avaliada utilizando centenas de simulações de falta sujeitas ao problema da múltipla estimação, aplicadas ao longo de um alimentador de testes, sendo capaz de reduzir mais de 80% das extensões de falta susceptíveis ao problema da múltipla estimação. Os resultados apresentados mostraram que a arquitetura proposta e a infraestrutura de computação em nuvem desenvolvida são capazes de suportar novas aplicações para os sistemas de distribuição inteligentes contribuindo para o desenvolvimento das smart grids e para a difusão da computação em nuvem nesse contexto. Como contribuição adicional, a aplicação em nuvem desenvolvida permitirá reduzir a múltipla estimação na localização de faltas em sistemas de distribuição. / Cloud computing has been envisioned as the main technology capable to integrate and manage many systems on a Smart Grid. Thus, this research aims to develop a cloud computing infrastructure to store and manipulate smart distribution system data. By analyzing the infrastructure of the main applications using cloud computing for smart distribution systems, an extensible architecture with essential services was proposed to host smart distribution systems services and applications. Based on this proposition, a cloud computing platform was developed using open source tools. A new application to reduce multiple estimation for fault location in radial distribution systems using datamining techniques over smart meter data was implemented using this infrastructure. An optimized version of the datamining tool known as DAMICORE (Data Mining of Code Repositories) was implemented as an extension to the proposed architecture basic services. The new cloud application was tested using hundreds of fault simulations through a test feeder, being able to reduce the line extensions with multiple estimation by more than 80% in the simulated fault cases. The results show that the proposed cloud computing architecture and infrastructure enable new smart distribution systems applications, contributing to the development of smart grids and diffusion of cloud computing in this context. As an additional contribution, the cloud application developed will help to reduce the multiple estimation for fault locations in distribution systems.

Este trabalho de pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de diagnóstico automático de falhas do tipo curto-circuito de baixa impedância em circuitos alimentadores de média tensão de sistemas reticulados de distribuição de energia elétrica tipo spot network. O diagnóstico compreende a identificação do tipo de curto-circuito ocorrido e a sua localização. A metodologia está baseada no treinamento e uso de Redes Neurais Artificiais (RNAs). Os parâmetros para treinamento das RNAs são obtidos a partir de padrões de comportamento elétrico de curtos circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos à terra, obtidos por simulação de um circuito de distribuição real localizado na cidade de Brasília. Para obtenção do comportamento elétrico do circuito de distribuição foi utilizado o aplicativo de simulação ATP (Alternative Transient Program); para estruturação, treinamento e testes das RNAs da metodologia de diagnóstico foi utilizado o software Matlab (aplicativo de RNA). Os principais resultados dos testes das RNAs da metodologia são apresentados. Tais resultados demonstram a viabilidade científica e tecnológica de se aplicar a metodologia desenvolvida como ferramenta de diagnóstico em tempo real de auxílio dos departamentos de engenharia de operação e manutenção de concessionárias elétricas. Este trabalho também apresenta as principais possibilidades de continuidade desta pesquisa científica e tecnológica baseada em redes neurais artificiais na área de diagnóstico automático de sistemas reticulados. / This work presents the development of an automatic failure diagnostic methodology for low impedance short circuit in mid voltage feeders of distribution spot networks systems. The developed methodology has the feature to identify the type of short circuit and its location. An Artificial Neural Network technique was employed. The parameters used to train the Artificial Neural Networks are obtained based upon patterns in simulations of real cases for short circuit behavior in mono-phase, bi-phase and tri-phase to ground configuration. The input data for the simulation was based on a real distribution circuit belonging to the Power Utility CEB located in Brasília-Brazil. The simulation program ATP (Alternative Transient Program) was used to obtain the electric behavior of the circuit in the distribution network. As for the Artificial Neural Network simulation, trainings and tests Matlab was employed. As a main contribution the results of this work shows the technical feasibility to apply such methodology as a important real time diagnostic tool to support the system operation and maintenance departments of power utilities that uses spot network topologies. Furthermore, it is presented the possibilities to continue this research related to automatic diagnostics for network distribution systems based on Artificial Neural Networks technique.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.

Submitted by Sandro Camargo (sandro.camargo@unipampa.edu.br) on 2015-05-09T19:03:09Z No. of bitstreams: 1 107110001.pdf: 3453553 bytes, checksum: fb266cf11dce80833ef41b2adb20cd21 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-09T19:03:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 107110001.pdf: 3453553 bytes, checksum: fb266cf11dce80833ef41b2adb20cd21 (MD5) Previous issue date: 2012-10-19 / As distribuidoras de energia elétrica devem estar preparadas para restabelecer o fornecimento de forma ágil, sempre respeitando os critérios de segurança e os índices de continuidade e qualidade compatíveis com o estabelecido na legislação vigente. A possibilidade de localizar defeitos remotamente acelera o processo de restabelecimento. Apesar dos próprios relés e religadores microprocessados fornecerem uma indicação com base na impedância de curto-circuito, ela não é precisa para sistemas de distribuição, uma vez que as redes apresentam várias bifurcações (ramais) protegidas por elementos fusíveis e diferentes bitolas de condutores. Entretanto, atualmente há vários métodos como revelam as pesquisas, que tentam estabelecer maior precisão dos dados e resultados ali envolvidos, buscando criar uma inovação e satisfação às empresas do setor elétrico. Assim, a proposta deste projeto é desenvolver uma metodologia diferencial para localização de faltas em redes de distribuição a partir de estudos da rede combinados com a monitoração remota de dispositivos de proteção (relés e religadores microprocessados). Estas variáveis de entrada: corrente de carga (corrente pré-falta), corrente de curto-circuito, corrente pós-falta; serão obtidas em tempo real pelo SCADA no momento da ocorrência de uma falta na rede. As medidas obtidas serão comparadas e classificadas por Mapas Auto-Organizáveis ou SOM (Self-Organizing Map) de acordo com os padrões de dados simulados pelos estudos da rede. A partir do método proposto será possível estimar o local do defeito ocorrido na rede elétrica por meio do mapa que melhor se identifica com os dados medidos. Essa pesquisa foi aplicada no estudo de caso de uma concessionária da região central gaúcha, a qual alcançou resultados bastante satisfatórios, obtidos a partir de dados reais. / The power utilities must be prepared to restore the supply in an agile way constantly respecting the safety criteria and indexes of continuity and quality consistent with the current legislation. The ability to remotely locate defects accelerates this healing process. Despite own microprocessor relays and reclosers provide an indication based on the short circuit impedance, it is not applicable to distribution systems, since the networks present various bifurcations (branch lines) protected by fuse elements and different wire gauges. However, today there are several methods such as surveys show, trying to establish more precisely the data and results here involved, seeking to create an innovation and satisfaction to the electric companies. Thus, the aim of this project is to develop a methodology for distinct fault location in distribution feeders. It will combine network studies with remote monitoring of protective devices (microprocessor relays and reclosers). These input variables: load current (pre-fault current), short circuit current, post-fault current; will be obtained in real time by SCADA when a fault occurs in the network. These measures will be compared and ranked by Self- Organizing Maps (SOM) according to the patterns obtained by simulation studies of the network. With this method, it will be possible to assess the location of the defect occurring in the power grid, identifying the best map that resembles with the measured data. This research was applied in a power utility in the South of Brazil as case study, which achieved satisfactory results obtained from real data.

This thesis is a combination of the development of numerical models regarding transient simulation of transmission lines and their advantages associated with fault location methods. The transmission line models presented in this work are in time-domain, which is a new approach considering traditional methods as being the phasor and traveling wave techniques. The use of phasors for this purpose has some technical difficulties: the presence of a damped DC component, greater influence of the fault impedance and metrological equipment layout. This work deals with single-phase AC and mono polar DC transmission lines. The proposed transmission line model has three main differentials compared to the traditional Bergeron model: full distribution of linear resistance; full distribution of leakage conductance; and just one recurrence of historical values. The first point is critical for evaluation of the exponential component of transient short circuit currents. The second point refers to the inclusion of the corona effect in the transmission line modeling. The single recurrence indicated in the third topic is given by the complete resolution of the telegrapher\'s equations, so there is no need of serial composition to improve waveform accuracy. The principle of fault location method is calculating the absolute difference between fault voltages seen by the transmission line ends. This technique guarantees a lower influence of the fault impedance and its electrical parameters. / Esta dissertação é uma combinação do desenvolvimento de modelos numéricos para simulação de transitórios eletromagnéticos em linhas de transmissão e suas benesses associadas à localização de faltas. Os modelos de linha de transmissão aqui apresentados estão no domínio do tempo, o que descaracteriza a abordagem tradicional de localização de faltas como técnicas fasoriais e ondas viajantes. A utilização de fasores para esse propósito admite algumas dificuldades técnicas: presença da componente DC amortecida, maior influência da impedância de falta e disposição dos equipamentos metrológicos. Abordam-se linhas de transmissão de sistemas alternado monofásico e contínuo monopolar. A modelagem proposta possui três principais diferenciais frente ao modelo de Bergeron: plena distribuição da resistência linear; plena distribuição da condutância transversal; e apenas uma recorrência a valores históricos. O primeiro ponto é fundamental para avaliação da componente exponencialmente amortecida das correntes transitórias de curto circuito. O segundo ponto se refere à inclusão do efeito corona no modelamento. A recorrência unitária apontada no terceiro tópico apresenta a vantagem de não ser necessária a composição em série do modelo para aprimorar a qualidade das formas de onda. O princípio de localização de faltas se dá pelo cálculo da diferença absoluta entre as tensões instantâneas de falta vistas pelos terminais da linha. Essa técnica garante uma menor influência de impedância de falta e dos parâmetros elétricos.

O trabalho proposto tem por objetivo avaliar a viabilidade de localização de falhas elétricas, por meio da análise de assinaturas magnéticas resultantes do sistema elétrico. Assim, diversos algoritmos - descritos na literatura científica atual e aplicáveis ao processamento de sinais conduzidos - foram analisados com o objetivo de verificar a possibilidade de complementar as metodologias já desenvolvidas para a detecção e classificação de falhas, de uma maneira não invasiva e via análise de assinaturas magnéticas resultantes. Diferentemente do processo de monitoração tradicional, cujos sensores precisam estar fisicamente conectados aos circuitos analisados, propõe-se estudar a viabilidade da análise dos sinais provenientes da assinatura magnética dos distúrbios para localizar falhas. Ressalta-se, assim, a característica não invasiva desse processo. A avaliação da metodologia proposta foi realizada através da escolha de casos de sensibilidade, cujos resultados teóricos e provenientes de simulações foram utilizados na análise de sua viabilidade. / The proposed study aims to evaluate the feasibility of determinig the fault location in electrical systems, by analyzing the resulting magnetic signatures. Thus, several algorithms - described in the current scientific literature and for the processing of conducted signals - will be analyzed in order to verify the possibility of complementing the methodologies already developed for fault detection and classification, a non-invasive way and by analysis magnetic signatures resulting. Differently from traditional monitoring process, in which the sensors need to be physically connected to the analyzed circuits. It should be noted, the characteristic of this methodology as a non-invasive procedure. The evaluation of the proposed methodology will be carried out through the choice of sensitivity cases, which theoretical results obtained from simulations will be used to analyze its viability.

Este trabalho tem por objetivo localizar faltas em sistemas de distribuição de energia elétrica utilizando apenas dados de tensão pós-falta. Não são utilizados dados de corrente pois sua medição não é um requisito mínimo dos medidores inteligentes. Os dados coletados são fornecidos a um sistema fuzzy multicamadas. A seleção dos dados de entrada para o treinamento do sistema inteligente é uma característica exclusiva deste trabalho, por ser continuação da metodologia desenvolvida durante o mestrado do autor desta tese. O cenário estudado é um alimentador de um sistema de distribuição real, com 1600 barras e 505 transformadores. Para efeito de comparação de resultados, a distância da falta é obtida de duas formas: pela composição das estimações das impedâncias de sequência zero e positiva e pela estimação direta da distância. Os resultados se mostram satisfatórios, com erros condizentes aos que são encontrados na literatura, sendo que a estimação direta da distância da falta mostrou resultados ligeiramente melhores. / This work aims to locate faults in electrical energy distribution systems using only post-fault voltage data. Current data is not used because their measurement is not a minimum requirement of smart meters. The collected data is applied to a multilayer fuzzy inference system. The way voltage data is selected to train the fuzzy system is an exclusive feature of this work, since it is a continuation of the methodology developed during the master\'s dissertation of this thesis author. The scenario studied is a feeder of an actual distribution system, with 1600 buses and 505 transformers. For the purpose of results comparison, the distance of the fault is obtained in two ways: by the composition of the zero and positive sequence impedances estimations and by the direct estimation of the distance. The results are satisfactory, with errors that are consistent with those found in the literature, while the direct estimation of the fault distance presented slightly better results.

University of Macau / Faculty of Science and Technology / Department of Electrical and Electronics Engineering