Este trabalho apresenta um conjunto de métodos para a proteção e o monitoramento de transformadores de potência baseado em sistemas inteligentes e na aplicação das transformadas de Clarke e Wavelet. A abordagem inteligente utilizada permite analisar a condição operativa dos transformadores de potência e detectar a ocorrência de defeito interno, distinguindo-a de outras situações de operação, como, a energização, a energização solidária, a saturação dos transformadores de corrente e a sobreexcitação. As tomadas de decisão das técnicas desenvolvidas são realizadas pela lógica fuzzy após o pré-processamento dos sinais de entrada por meio de diversos métodos, os quais variam de acordo com o algoritmo que esta sendo executado. Os algoritmos propostos foram testados por meio de simulações realizadas através do software Alternative Transients Program (ATP). É importante salientar que nas simulações do ATP foram modelados diversos equipamentos que constituem o sistema elétrico de potência, incluindo um gerador síncrono com regulação de velocidade, linhas de transmissão com variação em frequência, transformadores de potência com suas respectivas curvas de saturação, transformadores de potencial e de corrente. Estas modelagens tiveram por objetivo gerar dados das distintas situações de operação para a verificação e análise da metodologia proposta. Os resultados da pesquisa mostram a aplicabilidade dos algoritmos propostos na proteção e no monitoramento dos transformadores de potência, mesmo nas condições mais adversas, como na ocorrência da saturação dos transformadores de corrente, uma vez que os sinais de entrada distorcidos pela saturação são corrigidos por uma rede neural artificial. Os resultados apresentados comparam as respostas obtidas pelas técnicas propostas em relação às saídas de um relé comercial, habilitado à proteção diferencial percentual. / This work presents a set of methods for protecting and monitoring power transformers based on intelligent systems and the application of Clarke and Wavelet transforms. The intelligent approach allowed us to analyze the operating condition of power transformers and it discriminates between an internal fault and different operating conditions, as energization, sympathetic inrush, saturation of current transformers and overexcitation. Decision making is performed by fuzzy logic after the preprocessing of the input signals through various methods, varying according to which algorithm is running. It is important to point out that in the simulations using ATP many different power system equipment had been modeled, including a synchronous generator with speed regulation, transmission lines with variation in frequency, power transformers with their saturation curves, potential transformers and current transformers. The objective of these tests was to generate data for distinct situations for the verification and the analysis of the proposed methodologies. The results of the research show the applicability of the algorithms considered in protection and monitoring of power transformers, even in adverse conditions, such as saturation of current transformers, since the input signals are distorted by CT saturation corrected by artificial neural network. The results are compared to the ones presented by a commercial percentage differential relay.

A proteção de sistemas de energia elétrica possui papel extremamente importante no aspecto de garantir o fornecimento de energia de maneira segura e confiável. Assim, a ação indevida ou a não atuação deste sistema de proteção pode causar danos materiais ou econômicos tanto para as concessionárias quanto para os consumidores de energia elétrica. Dessa forma, o sistema de proteção deve estar bem ajustado para que possa garantir suas funções, sendo sensível, seletivo, confiável e rápido. Para tanto, uma boa coordenação entre os relés de proteção deve ser estabelecida. No caso de um sistema de transmissão, o qual costuma ser um sistema malhado, a proteção é comumente realizada por relés de distância aliados a relés de sobrecorrente com unidade direcional, sendo que estes funcionam como elemento de retaguarda daqueles. O processo de ajuste desses relés é um trabalho muito difícil e demorado, que pode ainda estar sujeito a erros do engenheiro de proteção responsável pelo estudo. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia baseada na otimização por enxame de partículas que obtenha automaticamente os ajustes desses relés de forma a garantir a coordenação e seletividade entre eles, tornando assim o processo de ajuste mais rápido e preciso. Dessa forma, essa metodologia pode constituir uma ferramenta de auxílio muito favorável ao engenheiro de proteção. Além disso, como em todo problema de otimização, a função objetivo e as restrições foram definidas de maneira a retratar o problema de coordenação envolvendo tanto os relés de distância quanto os direcionais de sobrecorrente. A metodologia foi aplicada a dois sistemas, um fictício com 16 relés e um sistema de transmissão real com 44 relés, sendo que em ambos os casos ela apresentou resultados bastante satisfatórios proporcionando ajustes bem coordenados. / Electrical power systems protection has a very important role in the aspect of ensuring energy supply with safety and reliability. Thus, improper action or non-actuation of this protection system can cause materials and/or economics damages to electricity utilities as well as ordinary energy consumers. Therefore the protection system must be well adjusted so it can ensure its functions and thus being sensible, selective, reliable and fast. In order to achieve these characteristics, the protective relays must be well coordinated. In the case of meshed transmission systems, the protection is generally performed by distance relays as primary protection associated with directional overcurrent relays as backup protection. The process of adjusting these relays is very tough, slow and it can even be subject to the protection engineer mistakes. In this context, this work aims to develop a particle swarm optimization based methodology that can automatically obtain these relays adjusts so they can ensure relays coordination and selectivity, and then make this setting process faster and more precise. Thus, this methodology may provide a very favorable tool to aid the protection engineer. Moreover, as in any optimization problem, the objective function and the constraints were defined to represent the coordination problem involving both distance and directional overcurrent relays. The methodology was applied to two systems, a fictitious with 16 relays and a real transmission system with 44 relays, and in both cases it showed satisfactory results providing well-coordinated settings.

Submitted by JÉSSICA ANTONIO DELGADO null (jessica_dellgado@hotmail.com) on 2016-08-05T13:36:45Z No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO_FINAL0308.pdf: 4117025 bytes, checksum: 0bc23567e553d5dba25e546bbeba3e55 (MD5) / Rejected by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br), reason: Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo as orientações abaixo: A data de defesa informada na capa e folha de rosto do trabalho está diferente da data que consta na folha de aprovação. Corrija estas informações e realize uma nova submissão contendo o arquivo correto. Agradecemos a compreensão. on 2016-08-09T17:15:33Z (GMT) / Submitted by JÉSSICA ANTONIO DELGADO null (jessica_dellgado@hotmail.com) on 2016-08-09T20:16:39Z No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO_FINAL0908.pdf: 4117292 bytes, checksum: 2fa555b044c52407e59e19d3d51f664d (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-08-10T14:41:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 delgado_ja_me_bauru.pdf: 4117292 bytes, checksum: 2fa555b044c52407e59e19d3d51f664d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-10T14:41:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 delgado_ja_me_bauru.pdf: 4117292 bytes, checksum: 2fa555b044c52407e59e19d3d51f664d (MD5) Previous issue date: 2016-06-10 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho propõe uma abordagem que utiliza uma combinação de métodos baseados na função barreira logarítmica e barreira logarítmica modificada para a resolução do problema de Fluxo de Potência Ótimo Reativo. Na abordagem proposta as restrições de desigualdade são transformadas em igualdade introduzindo as variáveis de folga, as quais são tratadas pela função barreira logarítmica ou pela função barreira logarítmica modificada e as restrições de igualdade são tratadas pelos multiplicadores de Lagrange. Estes métodos são utilizados em duas etapas. Inicialmente aplica-se o método baseado na função barreira logarítmica até que um critério de transição seja satisfeita. Depois aplica-se o método baseado na função barreira logarítmica modificada até que a condição de convergência seja satisfeita. Testes numéricos utilizando os sistemas elétricos de 3 barras e IEEE 14, 30, 57 e 118 barras indicam que o método é eficiente na resolução do problema Fluxo de Potência Ótimo Reativo. Uma comparação dos resultados obtidos pela abordagem proposta com os dos métodos de barreira logarítmica e de barreira logarítmica modificada separadamente é realizada. / This work proposes an approach that uses a combination of methods based on loga-rithmic barrier function and modi˝ed logarithmic barrier function for the resolution of the reactive optimal power ˛ow problem. In this proposed approach the inequality cons-traints are transformed into equalities by adding the slack variables, which are handled by logarithmic barrier function or modified logarithmic barrier function, and the equality constraints are handled by means of Lagrange multipliers. These methods are used in two steps. Initially, the method based on the logarithmic barrier function is applied until the stop condition is satisfied. After the method based on modified logarithmic barrier function is used until the convergence condition is satisfied. Numerical tests carried out with the 3 bus, IEEE 14, 30, 57 and 118 bus electrical systems indicate that the proposed approach is efficient in the resolution of the reactive optimal power flow problem. The results obtained by the proposed approach were compared with the logarithmic barrier method and the logarithmic barrier method modified, separately.

Orientador: Fernando José Von Zuben / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-15T23:45:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_HamiltonMelo_M.pdf: 539116 bytes, checksum: 3ef220fd5b659d2f8f794d853924ae71 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: As concessionárias de energia elétrica deixam de faturar anualmente expressivos valores devido a perdas comerciais, as quais são originadas principalmente por fraudes cometidas por parte dos consumidores e por medidores defeituosos. A detecção automática dos pontos específicos onde ocorrem tais perdas é uma tarefa complexa, dada a grande quantidade de consumidores, a grande variedade de perfis de consumo de energia elétrica e o alto custo de cada inspeção. Este trabalho propõe o uso de técnicas de aprendizado de máquina para a incorporação de processamento inteligente na identificação das fontes de perdas comerciais, usando os dados reais fornecidos pela concessionária de energia elétrica AES Eletropaulo. Além da manipulação dos dados e análise de propostas alternativas presentes na literatura, quatro estratégias de classificação foram implementadas e comparadas, sendo que o algoritmo de indução C4.5 produziu os resultados mais consistentes em termos de especificidade e confiabilidade, tomadas como critérios de desempenho / Abstract: The electric power concessionaires miss along the year significant amount of revenue due to commercial losses, which are mainly caused by frauds produced by consumers and defective sensors. The automatic detection of the specific sites where the losses are located is a complex task, given the high number of consumers, the great variety of electric power consumption profiles, and the high cost of each inspection. This work proposes the use of machine learning techniques capable of incorporating intelligent processing in the identification of the sources of commercial losses, using real data provided by the electric power concessionaire AES Eletropaulo. Besides data manipulation and analysis of alternative proposals presented in the literature, four classification strategies have been implemented and compared. The C4.5 algorithm has produced the most consistent results in terms of specificity and confiability, taken as performance criteria / Mestrado / Engenharia de Computação / Mestre em Engenharia Elétrica

The Electrical Power Systems (EPS) are indispensable for a Nuclear Power Plant (NPP). The EPS are essential for plant start-up, normal operation, and emergency conditions. Electrical power systems are necessary not only for power generation, transmission, and distribution but also to supply reliable power for plant operation and control system during safe operation, Design Basis Conditions (DBC) and Design Extension Conditions (DEC). According to IAEA Specific Safety Guide SSG-34, EPS are essentially the support systems of many plant equipment. Electrical system, which supply power to plant systems important to nuclear safety, are essential to the safety of an NPP. In recent years, due to the digitization of Instrumentation and Control (I&C) systems, along with their enhanced accuracy, ease of implementing complex functions and flexibility, have been also exposed to sophisticated cyber threats. Despite physical separation and redundant electrical power supply sources, malicious cyber-attacks performed by insiders or outsiders might disrupt the power flow and result in an interruption in the normal operation of an NPP. Therefore, for the uninterrupted operation of a plant, it is crucial to contemplate cybersecurity in the EPS design and implementation. Considering multiple cyber threats, the main objectives of this research work are finding out security vulnerabilities in electrical power systems, simulating potential cyber-attacks and analyzing the impacts of these attacks on the electrical components to protect the electrical systems against these cyber-attacks. An EPS testbed at a small scale was set up, which included commercial I&C and electrical equipment significant for the cybersecurity analysis. The testbed equipment comprises of electrical protection relay (IEC 60255), controller, operating panel, engineering workstation computer, simulation model, etc. to monitor and control the power supply of one or more electrical equipment responsible for a regular operation in an NPP. Simulated cybersecurity attacks were performed using this testbed and the outcomes were examined in multiple iterations, after adding or changing security controls (cybersecurity countermeasures). Analyzing the cybersecurity and performing cyber-attacks on these systems are very advantageous for a real power plant to prepare and protect the plant equipment before any malicious attack happens. This research work conclusively presents cybersecurity analysis, including basic and sophisticated cyber-attack scenarios to understand and improve the cybersecurity posture of EPS in an NPP. The approach was completed by considering the process engineering systems (e.g. reactor core cooling systems) as attack targets and investigating the EPS specific security Defense-in-Depth (DiD) design together with the Nuclear Safety DiD concepts.:CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.1 Motivation 1.2 Technical Background 1.3 Objectives of the Ph.D. Project 1.4 State of the Art in Science and Technology CHAPTER 2 FUNDAMENTALS OF CYBERSECURITY AND ELECTRICAL CONTROL AND PROTECTION CONCEPTS 2.1 Electrical Power System 2.2 Electrical Protection System 2.3 Cyber-Physical System 2.4 Industrial Control System 2.5 Safety I&C and Operational I&C Systems 2.6 Safety Objective Oriented Top-Down Approach 2.7 Cybersecurity Concept 2.8 Threat Identification and Characterization in NPP 2.8.1 Design Basis Threat 2.8.2 Attacker Profile 2.8.1 Reported Real-Life NPP Cyber-Attack Examples 2.9 Security Levels 2.10 Summary CHAPTER 3 CYBER-PHYSICAL PROCESS MODELING 3.1 Introduction 3.2 Single Line Diagrams of Different Operational Modes 3.3 Design 3.4 Block Diagram of Simulink Model 3.5 Implementation of Simulink Blocks 3.5.1 Power Generation 3.5.2 Grid Feed 3.5.3 House Load (Feed Water Pump) 3.6 OPC UA Communication 3.7 Summary CHAPTER 4 CYBER THREAT SCENARIOS FOR EPS 4.1 Introduction 4.2 Cyber-Physical System for EPS 4.3 Cyber Threats and Threat Sources 4.3.1 Cyber Threats 4.3.2 Threat Sources 4.4 Cybersecurity Vulnerabilities 4.4.1 Vulnerabilities in EPS 4.4.2 Vulnerabilities in ICS 4.5 Attacker Modeling 4.6 Basic Cyber Threat Scenarios for EPS 4.6.1 Scenario-1: Physical Access to Electrical Cabinets 4.6.2 Scenario-2: Modification of Digital Protection Devices 4.7 Potential Advanced Cyber Threat Scenarios for EPS 4.7.1 Scenario-1: Alteration of a Set-point of the Protection Relay 4.7.2 Scenario-2: Injection of Malicious Packets 4.7.3 Scenario-3: False Trip Command 4.7.4 Scenario-4: Availability Attack on Protection Relay or SCADA System 4.7.5 Scenario-5: Permanent Damage to Physical Component 4.7.6 Scenario-6: Protocol-wise Attack on Operator Panel 4.8 Threat Scenario for Simulink model 4.9 Summary CHAPTER 5 EPS TESTBED DESCRIPTION 5.1 Introduction 5.2 Basic Industrial Automation Architecture 5.3 Need for Testbeds 5.4 Proposed EPS Testbed 5.4.1 Testbed Architecture 5.4.2 Testbed Implementation 5.5 EPS Physical Testbed Applications 5.5.1 Modeling and Simulation of Power System Faults 5.5.2 Modeling of Cyber-Attacks 5.6 Summary CHAPTER 6 EXPERIMENTAL AND IMPACT ANALYSIS OF CYBER THREAT SCENARIOS 6.1 Outline 6.2 Normal Operation and Control 6.3 Possibilities to Cause Failure in the Primary or Secondary Cooling Systems 6.4 Implementation of Cybersecurity Threat Scenarios 6.4.1 Alteration of a Relay Set-Point during Plant Start-Up Phase 6.4.2 Alteration of a Controller Set-Point during Normal Operation Phase 6.4.3 Availability Attack on Control and Protection System 6.4.4 Severe Damage to a Physical Component due to Overcurrent 6.5 Experimentally Assessed Cyber-attacks 6.6 Summary CHAPTER 7 SUMMARY AND OUTLOOK REFERENCES SCIENTIFIC PUBLICATIONS GLOSSARY

Orientador: Carlos Roberto Minussi / Resumo: Nesta pesquisa apresentam-se os principais conceitos gerais de estabilidade elétrica, assim como suas divisões e classificações, onde são desenvolvidas as condições de operação de um sistema elétrico de potência, que são relevantes nos estudos de estabilidade angular do rotor, tensão e frequência. Para os estudos de estabilidade da frequência e de tensão é preciso conhecer os equipamentos como os reguladores de tensão e frequência, em consequência é apresentada a modelagem matemática de vários componentes dinâmicos como o sistema de excitação, estabilizador do sistema de potência (PSS), sistema de regulação de velocidade, sistema de regulação de tensão (AVR), máquina síncrona, turbina a vapor e turbina hidráulica. É necessário a modelagem de eles para projetar seus respectivos controladores. Nesta pesquisa também se faz a introdução ao controlador Fuzzy e controlador PID convencional assim como os métodos de sintonia, depois projetamos um controlador que combine os dois controladores e tenha mais vantagens como o controlador híbrido PID-Fuzzy. Depois de desenvolver a modelagem do regulador de tensão e frequência, fazemos o projeto do controlador PID-Fuzzy, previamente projetado o controle PID. As simulações dos sistemas de regulação de tensão e frequência sem controlador, com controlador PID e com controlador PID-Fuzzy foram realizadas aplicando a ferramenta computacional de Matlab-Simulink no domínio do tempo contínuo e as respostas foram investigadas e discutidas. / Abstract: This research presents the main general concepts of electrical stability, as well as their divisions and classifications, where the operating conditions of an electrical power system are developed, which are relevant in the studies of angular stability of the rotor, voltage and frequency. For frequency and voltage stability studies it is necessary to know equipment such as voltage and frequency regulators, consequently the mathematical modeling of several components is presented as dynamic as the excitation system, power system stabilizer (PSS) , speed regulation system, voltage regulation system (AVR), synchronous machine, steam turbine and hydraulic turbine. We need the modeling of them to design their respective controllers. In this investigation we also do the introduction to the Fuzzy controller and conventional PID controller as well as the tuning methods then we designed a controller that combines the two controllers and has more advantages as the hybrid PID-Fuzzy controller. After developing the modeling of the voltage and frequency regulator, we design the PID-Fuzzy controller, previously designed the PID control. The simulations of the voltage and frequency regulation systems without controller, with PID controller and with PID-Fuzzy controller were performed applying the Matlab-Simulink computational tool in the continuous time domain and the answers were investigated and discussed. / Mestre