A instalação de geração distribuída nas redes de distribuição e de subtransmissão de energia elétrica tem apresentado significativo crescimento em âmbito mundial, impulsionada pelos benefícios que pode proporcionar aos sistemas elétricos, pela necessidade de diversificação da matriz energética dos países, pela desregulamentação do setor de energia elétrica em diversos países e pela necessidade de gerar energia elétrica de forma sustentável. No entanto, para que os geradores distribuídos possam de fato beneficiar a operação das redes elétricas, seus impactos técnicos devem ser cuidadosamente estudados, sobretudo em redes de distribuição, as quais foram inicialmente planejadas para operar com fluxo de potência unidirecional. Dentre esses impactos, destaca-se a elevação do nível de curto-circuito da rede, pois correntes de curto-circuito com valores elevados podem causar violação das capacidades dos equipamentos em suportar os esforços térmicos e dinâmicos e também provocar a perda da coordenação entre os dispositivos de proteção contra sobrecorrente. Neste contexto, este trabalho analisa a influência de geradores distribuídos baseados em inversores na corrente de curto-circuito trifásica em um sistema de distribuição de energia, e sobretudo, comprova que sua contribuição no valor da corrente de falta não supera o dobro de sua corrente nominal. Além disso, com base nesta comprovação, apresenta duas estratégias para inserção desse tipo de gerador nos cálculos de curto-circuito de um sistema de distribuição de energia elétrica. As duas estratégias apresentam resultados satisfatórios, utilizam conceitos básicos de circuitos elétricos, independem de dados minuciosos dos inversores e são validadas através de aplicações numéricas com resultados confrontados aos obtidos das simulações. / The installation of distributed generation in distribution and subtransmission systems has shown significant growth worldwide, driven by the benefits it can provide to electrical systems, the need to diversify the energy sources, deregulation of the electricity industry in several countries and the need to generate electricity in a sustainable manner. However, in order to evaluate if distributed generators benefit the operation of power networks, their technical impacts should be carefully studied, especially in distribution networks, which were originally designed to operate with unidirectional power flow. Among the aforementioned impacts, there is the increase of the short circuit level in the distribution network, since high short-circuit currents may exceed the capabilities of equipment to support the dynamic and thermal stresses and also cause loss of coordination between the overcurrent protection devices. Within this context, this thesis analyzes the influence of inverter based distributed generators on three-phase short circuit currents in a power distribution systems. Especially it confirms that the contribution to the fault current does not exceed twice its rated value. Furthermore, based on this issue, this work presents two strategies for the inclusion of this type of generator in short circuit calculations. Both strategies presented satisfactory results, use basic concepts of electrical circuits, they do not depend on detailed data from the inverters and the results are validated by using simulation results.

A instalação de geração distribuída nas redes de distribuição e de subtransmissão de energia elétrica tem apresentado significativo crescimento em âmbito mundial, impulsionada pelos benefícios que pode proporcionar aos sistemas elétricos, pela necessidade de diversificação da matriz energética dos países, pela desregulamentação do setor de energia elétrica em diversos países e pela necessidade de gerar energia elétrica de forma sustentável. No entanto, para que os geradores distribuídos possam de fato beneficiar a operação das redes elétricas, seus impactos técnicos devem ser cuidadosamente estudados, sobretudo em redes de distribuição, as quais foram inicialmente planejadas para operar com fluxo de potência unidirecional. Dentre esses impactos, destaca-se a elevação do nível de curto-circuito da rede, pois correntes de curto-circuito com valores elevados podem causar violação das capacidades dos equipamentos em suportar os esforços térmicos e dinâmicos e também provocar a perda da coordenação entre os dispositivos de proteção contra sobrecorrente. Neste contexto, este trabalho analisa a influência de geradores distribuídos baseados em inversores na corrente de curto-circuito trifásica em um sistema de distribuição de energia, e sobretudo, comprova que sua contribuição no valor da corrente de falta não supera o dobro de sua corrente nominal. Além disso, com base nesta comprovação, apresenta duas estratégias para inserção desse tipo de gerador nos cálculos de curto-circuito de um sistema de distribuição de energia elétrica. As duas estratégias apresentam resultados satisfatórios, utilizam conceitos básicos de circuitos elétricos, independem de dados minuciosos dos inversores e são validadas através de aplicações numéricas com resultados confrontados aos obtidos das simulações. / The installation of distributed generation in distribution and subtransmission systems has shown significant growth worldwide, driven by the benefits it can provide to electrical systems, the need to diversify the energy sources, deregulation of the electricity industry in several countries and the need to generate electricity in a sustainable manner. However, in order to evaluate if distributed generators benefit the operation of power networks, their technical impacts should be carefully studied, especially in distribution networks, which were originally designed to operate with unidirectional power flow. Among the aforementioned impacts, there is the increase of the short circuit level in the distribution network, since high short-circuit currents may exceed the capabilities of equipment to support the dynamic and thermal stresses and also cause loss of coordination between the overcurrent protection devices. Within this context, this thesis analyzes the influence of inverter based distributed generators on three-phase short circuit currents in a power distribution systems. Especially it confirms that the contribution to the fault current does not exceed twice its rated value. Furthermore, based on this issue, this work presents two strategies for the inclusion of this type of generator in short circuit calculations. Both strategies presented satisfactory results, use basic concepts of electrical circuits, they do not depend on detailed data from the inverters and the results are validated by using simulation results.

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Energia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Submitted by Gustavo Nascimento (gustavo.diniz@ufcg.edu.br) on 2018-02-06T14:28:39Z No. of bitstreams: 1 EDUARDO JORGE CALHEIROS JUNIOR - DISSERTACAO PPGEE 2014.pdf: 3431884 bytes, checksum: 5d6e954510b9e7405666b81ef4f13f30 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-06T14:28:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EDUARDO JORGE CALHEIROS JUNIOR - DISSERTACAO PPGEE 2014.pdf: 3431884 bytes, checksum: 5d6e954510b9e7405666b81ef4f13f30 (MD5) Previous issue date: 2014-06 / As análises de adequabilidade de equipamentos são indispensáveis para permitir que as empresas do setor elétrico conheçam as condições em que os mesmos operam, garantindo assim o desempenho dos ativos da empresa e sua disponibilidade no Sistema Interligado Nacional. Dentre os equipamentos analisados, destacam-se os transformadores de potência pelo seu alto custo e a sua importância para o sistema elétrico. Grande parte das falhas em transformadores de potência é de origem dielétrica, relacionadas com a danificação da isolação dos condutores devido às deformações mecânicas ocasionadas pelas altas correntes de curto-circuito passantes nos enrolamentos, reduzindo a vida útil do equipamento. A partir destas considerações, propôs-se avaliar os esforços eletromecânicos internos a alguns transformadores de potência presentes no sistema CHESF, por intermédio de simulações computacionais, quando da ocorrência de curto-circuito trifásico. A metodologia para as simulações consistiu em selecionar os transformadores a serem analisados e coletar as informações técnicas necessárias fornecidas pelos fabricantes. Posteriormente foram determinadas as condições sistêmicas às quais os transformadores estariam submetidos e obtidos os níveis de curto-circuito resultantes, para então efetuar as simulações propriamente ditas. Os resultados das simulações computacionais mostraram os esforços eletromecânicos estimados em quatro transformadores de potência em operação no sistema elétrico da CHESF, resultantes do efeito dinâmico da corrente de curto-circuito trifásico que percorrem os enrolamentos do transformador, considerando diferentes configurações sistêmicas. As conclusões das análises dos resultados indicaram possíveis casos de superações de limites admissíveis e revelou a importância dos aspectos construtivos dos transformadores na sua capacidade de suportar os esforços mecânicos causados por curtos-circuitos. / Analysis of suitability of equipment are indispensable for the electric sector companies meet the conditions in which they operate, thus ensuring the performance of the company's assets and its availability in the National Interconnected System (Sistema Interligado Nacional). The power transformers are included among the analyzed equipment due to its high cost and importance for the electrical system. Most faults in power transformers is of dielectric origin, related to insulation damage due to mechanical deformations, caused by the high short-circuit currents in the windings, reducing the life of the equipment. Then, it was proposed to evaluate the internal electromechanical efforts to some power transformers present in the CHESF system, through computer simulations, in the event of a three-phase short circuit. The methodology for the simulations consisted to select the transformers to parse and collect the necessary technical information provided by the manufacturers. Later, certain systemic conditions in which the transformers would be subjected were defined, it was obtained the resulting short circuit levels and then was performed the simulations themselves. The results of the computer simulations showed the electromechanical efforts estimated at four power transformers in operation in the CHESF electrical system, resulting from the dynamic effect of three-phase short-circuit current that run through the windings of the transformer, considering different systemic configurations. The conclusions of the analysis results indicated possible cases of overruns of permissible limits and reveal the importance of the transformers constructive aspects in their ability to withstand the mechanical stress caused by short circuits.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Esta dissertaÃÃo visa a detecÃÃo de falhas incipientes por curto-circuito entre espiras de um motor de induÃÃo trifÃsico do tipo gaiola de esquilo acionado por conversor de frequÃncia com modulaÃÃo por largura de pulso do tipo senoidal. Para detectar este tipo de falha, uma bancada de testes à utilizada para impor diferentes condiÃÃes de operaÃÃo ao motor, e cada amostra do conjunto de dados foi extraÃda das correntes de linha do conversor de frequÃncia supracitado. Para extraÃÃo de caracterÃsticas, a anÃlise da assinatura de corrente do motor foi utilizada. Para solucionar este problema, a detecÃÃo desta falha à tratada como um problema de classificaÃÃo, por isso, diferentes algoritmos supervisionados de aprendizado de mÃquina sÃo utilizados: MÃnimos Quadrados OrdinÃrios, Redes Perceptron Simples, Redes Perceptron Multicamadas, MÃquina de Aprendizado Extremo, MÃquina de Vetor de Suporte, MÃquina de Vetor de Suporte por MÃnimos Quadrados, MÃquina de Aprendizado MÃnimo, e Classificadores Gaussianos. Juntamente com a tÃcnica de opÃÃo de rejeiÃÃo, estes classificadores sÃo testados e os resultados destes sÃo comparados entre si e com outros trabalhos que fizeram uso mesmo banco de dados. Taxas de acerto mÃximo de 100% com os classificadores MÃquina de Vetor de Suporte e MÃquina de Vetor de Suporte por MÃnimos Quadrados sugerem que, em um futuro prÃximo, um sistema embarcado pode ser desenvolvido com estes algoritmos. / This dissertation aims at the detection of short-circuit incipient fault condition in a threephase squirrel-cage induction motor fed by a sinusoidal PWM inverter. In order to detect this fault, a test bench is used to impose different operation conditions to an induction motor, and each sample of the data set is taken from the line currents of the PWM inverter aforementioned. For feature extraction, the Motor Current Signature Analysis is used. The detection of this fault is treated as a classification problem, therefore different supervised algorithms of machine learning are used so as to solve it: Ordinary Least Squares, Singlelayer Perceptron, Multi-layer Perceptron, Extreme Learning Machine, Support-Vector Machine, Least-Squares Support-Vector Machine, the Minimal Learning Machine, and Gaussian Classifiers. Together with Reject Option technique, these classifiers are tested and the results are compared with other works that use the same data set. Maximum accuracy rates of 100% with Support-Vector Machine and Least-Squares Support-Vector Machine classifiers suggest that, in near future, an embedded system can be developed with these algorithms.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / This dissertation reports applications of artificial neural networks to detect stator winding interturn fault of three phase induction motor drived by frequency inverter. The artificial neural networks, like Simple and Multilayer Perceptron, served as off-line classifiers to short-circuit fault condition or healthy condition. In the training of Multilayer Perceptron, two different algorithms are used: the error back-propagation, which is a classic algorithm, and the extreme learning machine, as a relative new alternative for the classic back-propagation. The new one is more worthwhile because of its implementation easiness and higher speed of computation. The database used on the training and validation of the networks is created from an experimental setting, therefore it is composed by true data. The attributes used as failuresâ indicators are selected from certain frequencies of the spectrum, based on some theories of current signature analysis. In the second instance, the technique of principal components analysis is employed. The results obtained for the designed classifiers are shown, and some considerations are made on their use in real time embedded applications, which is the most important projection for future researches. / Este trabalho deriva da aplicaÃÃo de redes neurais artificiais para a detecÃÃo de curto-circuito entre espiras em motor de induÃÃo trifÃsico, acionado por inversor de frequÃncia. As redes neurais artificiais, do tipo Perceptron Simples e Multicamadas, sÃo usadas para detectar falhas de curto-circuito no bobinamento estatÃrico de motores de induÃÃo trifÃsicos de forma off-line. Para treinamento do Perceptron Multicamadas sÃo usados dois algoritmos distintos: o error back-propagation, que figura como o algoritmo clÃssico na literatura especializada, e o extreme learning machine, que à uma alternativa, relativamente recente, ao algoritmo clÃssico. Este algoritmo à uma opÃÃo atraente para o desenvolvimento rÃpido de classificadores. O banco de dados usado para treinamento e validaÃÃo das redes à obtido a partir de experimentaÃÃo laboratorial, portanto composto de dados reais. Os atributos utilizados para a detecÃÃo da falha sÃo componentes de frequÃncia do espectro harmÃnico da corrente estatÃrica do motor. O critÃrio de escolha destas componentes, a priori, à fundamentado em resultados de investigaÃÃes prÃvias da assinatura de corrente e, em segunda instÃncia, à aplicada a tÃcnica de anÃlise de componentes principais. SÃo apresentados os resultados obtidospelos classificadores projetados, e feitas algumas consideraÃÃes quanto à utilizaÃÃo destes em aplicaÃÃo embarcada e em tempo real, que à a principal projeÃÃo de futuros trabalhos a partir do atual.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-19T18:21:33Z No. of bitstreams: 1 jorgejaviergimenezledesma.pdf: 1333717 bytes, checksum: c7a67b49a38e446b2cbd5a0b04c85f70 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-20T12:30:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 jorgejaviergimenezledesma.pdf: 1333717 bytes, checksum: c7a67b49a38e446b2cbd5a0b04c85f70 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-20T12:30:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 jorgejaviergimenezledesma.pdf: 1333717 bytes, checksum: c7a67b49a38e446b2cbd5a0b04c85f70 (MD5) Previous issue date: 2012-04-12 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho propõe o desenvolvimento de modelos e métodos numéricos para a análise da seletividade e coordenação da proteção de sobrecorrente em sistemas de distribuição. A primeira etapa consiste na adaptação de um programa existente para cálculo de defeitos em coordenadas de fase, incorporando dois algoritmos para cálculo de defeitos. As metodologias de cálculo de defeito foram desenvolvidas utilizando as equações de injeção de correntes em coordenadas retangulares. Em seguida, foi desenvolvida e implementada uma formulação trifásica para análise da coordenação e seletividade dos dispositivos de proteção, com capacidade de detectar falhas e indicar limites de coordenação e seletividade dos dispositivos de proteção em sistemas de distribuição. Também foram desenvolvidos modelos matemáticos dos principais equipamentos de proteção e das funções de proteção encontrados em sistemas de distribuição. Foram modelados: fusíveis, disjuntores, relés, religadores, transformadores de corrente e de potencial, bem como as funções de proteção 50 e 51 com base nas normas ANSI e IEC. A metodologia proposta foi desenvolvida no ambiente MatLab® e com o intuito de avaliar sua eficiência foram analisados diversos sistemas testes. Os resultados obtidos dos estudos de cada sistema são apresentados sob forma de coordenogramas, tabelas dos tempos de atuação e gráficos comparativos de tempos. De forma complementar são apresentadas as principais filosofias e critérios utilizados na seleção e coordenação dos dispositivos de proteção. / This work proposes the development of models and numerical methods for the analysis of selectivity and coordination of overcurrent protection in distribution systems. The first step is to adapt an existing program for calculation of faults in phase coordinates, incorporating new algorithms for exact and approximate calculations of fault conditions. The methodologies for fault calculations were developed using the current injections equations in rectangular coordinates. It was then developed and implemented a three-phase formulation for analysis of coordination and selectivity of protection devices, capable of detecting faults and indicating limits of coordination and selectivity in distribution systems. The mathematical models of the main protective equipment and protective functions found in distribution systems were also developed. Fuses, circuit breakers, relays, reclosers, current and potential transformers as well as the protection relay functions 50 and 51 based on the ANSI and IEC standards were modeled. The proposed methodology was developed in MatLab ® and its efficiency was validated using several test systems. The results of studies of each system are presented in the form of Time Currents Curves, tables of operation times and graphs of comparative performance times. As a complement the main philosophies and criteria used in selection and coordination of protective devices are presented.

Este trabalho apresenta uma metodologia computacional para coordenação automática de dispositivos de proteção contra sobrecorrente em sistemas elétricos industriais radiais, tendo como principais vantagens a exatidão nos cálculos dos ajustes e a proposição automática de soluções para eventuais problemas de coordenação, sempre que possível. A metodologia é utilizada tanto para proteção individual contra sobrecorrente dos equipamentos quanto para coordenação dos dispositivos de proteção do sistema. É feito um estudo detalhado dos requisitos de proteção de sobrecorrente dos equipamentos empregados em sistemas elétricos industriais, como motor, cabo e transformador, bem como dos dispositivos mais utilizados, fusível e disjuntor de baixa tensão, com ênfase para a proteção por meio de relés digitais de sobrecorrente. O método é usado para o desenvolvimento de uma ferramenta computacional. Há uma exposição dos algoritmos utilizados para busca e cálculo dos ajustes dos dispositivos de cada equipamento. Por fim é realizado um teste da ferramenta com dois exemplos de sistemas elétricos industriais, mostrando que o mesmo apresenta bom desempenho quanto à exatidão no cálculo dos ajustes e na redução do tempo despendido em estudos de coordenação da proteção e seletividade. / This work presents a computational methodology for automatic overcurrent coordination of protection devices in radial industrial electrical systems, which main advantages are the accuracy in the devices\' settings calculation and the automatic proposition of solutions to coordination problems, whenever it is possible. The methodology is used both for equipment individual overcurrent protection and for protection devices coordination. A detailed study of the overcurrent protection requirements of the equipments used in industrial electrical systems, such as motor, cable and transformer is carried out, as well as of the most used protection devices, fuses and low voltage circuit breaker, with emphasis on the protection by means of overcurrent digital relays. The method is used to develop a computational tool. There is an explanation of the search and settings calculation algorithms applied to the devices of each equipment. Finally, two examples of industrial electrical systems are used to assess the performance of the proposed methodology. It is shown that it presents good performance on the accuracy in the calculation of the devices settings and on amount of time spent on protection coordination and selectivity studies.

Esta dissertação tem por propósito analisar os impactos da geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e sobre a proteção das redes de média tensão das concessionárias de distribuição de energia elétrica usando uma abordagem paramétrica. A principal motivação deste trabalho são os recentes incentivos regulatórios que estão fomentando a geração distribuída no Brasil. Contudo, as redes de distribuição convencionais foram projetadas para serem passivas e a introdução da geração poderá causar problemas de ordem técnica que ainda precisam ser resolvidos. Tais problemas foram pesquisados e aqueles relacionados com os impactos sobre as correntes de curto-circuito foram enfatizados. As normas técnicas das concessionárias também foram investigadas porque seus requisitos, como a ligação dos transformadores de acoplamento, influem nas correntes de curto-circuito. Para se calcular as correntes de curto-circuito, desenvolveu-se uma planilha eletrônica cujos resultados foram validados com programas comerciais de análise de redes elétricas. Esta ferramenta foi utilizada para demonstrar, através de exemplos, o impacto causado pela geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e, posteriormente, para realizar as análises paramétricas nas quais a influência de cada variável foi avaliada. A aplicação do método paramétrico permitiu o estudo de possíveis limites para a potência de um gerador distribuído em função dos impactos admissíveis, de seu ponto de conexão, de seus parâmetros elétricos e dos parâmetros elétricos da rede. / The purpose of this thesis is to analyse the impacts of distributed generation on short-circuit currents and protection of the distribution utilities medium voltage networks using a parametric approach. The new regulations that are promoting the distributed generation in Brazil are the main motivation for this work. However, the conventional distribution networks were designed to be passive; therefore the integration of generation may cause some technical problems yet to be solved. Such problems were researched and those related to the impacts on short-circuit currents were emphasized. The utilities technical standards were also explored as their requirements affect the short-circuit currents (e.g. the transformers connections). A spreadsheet was developed in order to calculated the short-circuit currents and it was validated comparing its results to those of a commercial network analysis software. This tool was used to expose the impacts of distributed generation on short-circuit currents through examples and also to carry out parametric analysis in which the influence of every variable was evaluated. The application of a parametric method made it possible to define the maximum installed capacity of a distributed generator as a function of the allowed limits to the impacts on the short-circuit currents, its point of coupling, its electrical parameters and the electrical parameters of the network.

A transmissão de energia em corrente contínua, a partir de conversores fonte de tensão, é oportuna ao progresso do sistema elétrico de potência e tem permitido vantajosas aplicações. Muito se dá, devido ao emprego na conexão de sistemas com frequências distintas, além da redução de perdas na transmissão, provida pelas características operacionais destes. VSCs também promovem o controle do fluxo de potência, possibilitando uma efetiva contextualização no âmbito das redes inteligentes. Diante deste cenário, este estudo pretende construir um perfil de corrente através do Cálculo de Curto-Circuito Probabilístico, que emprega a Simulação de Monte Carlo, para prover as informações ao desenvolvimento de projetos de equipamentos, ajustes da proteção e controle de sistemas de transmissão em corrente contínua. A Simulação de Monte Carlo requer muitas iterações, tendo um custo computacional elevado. Se forem executadas em programas comerciais, exige um tempo elevado para leitura dos sinais em arquivos. Devido a isso, um programa de código livre usando linguagem C++, foi desenvolvido para possibilitar acesso aos sinais de interesse ainda em memória, reduzindo desta forma o tempo computacional. Além disso, para melhorar a performance, foram usadas técnicas de processamento paralelo e de computação em nuvem. Desta forma, este estudo contribui com informações indispensáveis ao projeto de equipamentos de proteção dos sistemas de transmissão em corrente contínua de forma a cooperar com o desenvolvimento consistente desta tecnologia. / Transmitting electrical power in direct current using a VSC is suitable for the progress of these systems and has remarkable and advantageous applications. This happens in order to connect two systems with distinct frequencies. This type of line is also used in the reduction of losses in transmission over long distances, provided by their operating characteristics. These converters also promote the control of power flow between distinct generation units, making them effective in the context of Smart Grids. Based on this, the purpose of this research is to construct a profile of a current using a Probabilistic Short-Circuit Analysis by Monte Carlo Simulation to provide basic data to the optimum development of design equipment in protection and control. The Monte Carlo Simulation requires many iterations to find an optimal result. An open source program using C++ language was developed to describe all the system models variables in order to decrease the computation time, as it is time consuming to read signals stored on a disk using commercial software. Moreover, in order to lower computation costs, parallel process techniques and cloud computing were used. Therefore, this study contributes to the literature by providing essential information for designing equipment for Direct Current transmission protection systems.