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.

Proteger as linhas de transmissão é uma das tarefas mais importantes dentro dos sistemas elétricos de potência. Faltas em linhas de transmissão devem ser localizadas precisamente e extintas o mais rápido possível. Para tal, o esquema de proteção de linhas utiliza valores amostrados de correntes e tensões para a execução das tarefas de detecção, classificação e localização da falta. Neste esquema, grandezas trifásicas de corrente (IA, IB, IC) e tensão (VA, VB, VC) compõem as entradas do sistema. Após a detecção e classificação da falta, o relé efetua o cálculo da impedância aparente para a verificação da zona de proteção na qual a falta se insere (localização). Dentro deste contexto, a rápida detecção e a correta classificação da falta são passos fundamentais para a lógica de controle de um relé. Para a utilização de sistemas de proteção com alta velocidade de operação, o conjunto detector + classificador deve realizar uma decisão precisa do tipo de falta envolvida em menos de 10 ms após a ocorrência desta. Alguns métodos convencionais têm lidado com este problema, porém os tempos para estimação do tipo de falta são algumas vezes excessivamente longos. Este trabalho apresenta um novo sistema que provê uma rápida e confiável detecção e classificação de faltas através das medidas de valores de correntes trifásicas. O novo método utiliza-se da teoria de Redes Neurais Artificiais, baseada em dois diferentes tipos de redes (MLP e RBF), para a tarefa de detecção e classificação de faltas nos níveis de tempo requeridos para um moderno sistema de proteção. Um estudo comparativo em relação ao desempenho das redes mencionadas também foi realizado. Os testes efetuados para as redes dos tipos MLP e RBF mostraram que o sistema proposto foi capaz de detectar e classificar corretamente 100% dos casos estudados. Deve ainda ser ressaltado, que na maior parte dos casos (93% para a rede MLP e 84% para a rede RBF), o processo de detecção e classificação foi completado com no máximo 5 amostras de pós-falta (5ms). Isto demonstra a rapidez na tarefa de detecção e classificação embutida no método proposto, principalmente levando-se em consideração os tempos apresentados pelos métodos convencionais. / Transmission line protection is one of the major tasks for a power system. Transmission line faults must be located accurately and isolated as fast as possible. In order to perform this task, the power system protection system uses the three-phase currents (IA, IB, IC) and voltages (VA, VB, VC) to detect, classify and locate the fault. After detecting and classifying the fault, the relay calculates the apparent impedance to verify in which protection zone the fault is located. Taking this into account, precise and fast detection and classification methods are fundamental steps for the relay control algorithm. The combination detection + classification must carry out the correct response in less than 10 ms after the fault for a high-speed protection system. Some conventional methods have treated this problem but the time for a correct classification is sometimes excessively long. This work presents a fast and reliable new system for fault detection and classification using the three-phase current measurements. This new system is based on Artificial Neural Networks (RBF and MLP) for the detection and classification tasks. A comparative study involving both types of neural networks was done. Tests showed that the proposed system was able to correctly detect and classify 100% of the studied cases where the majority (93% of the cases for MLP net and 84% for RBF net) of them was done in up to 5 post-fault samples (5 ms). The afore-mentioned demonstrates the high speed of the new method for the detection and classification tasks when compared to the conventional ones.

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 traz a aplicação da transformada wavelet (TW) para analisar os transitórios de alta freqüência em um sistema de transmissão causados por uma falta sustentada, com o objetivo de se determinar a precisa localização da mesma. A TW, ferramenta matemática empregada neste trabalho, é uma transformação linear muito parecida com a transformada de Fourier, com uma importante diferença: ela permite a localização no tempo de diferentes componentes de freqüência de um dado sinal. Esta localização permite a detecção no tempo da ocorrência de distúrbios abruptos, tais como os transitórios ocasionados por situações de faltas. Os sinais de ondas viajantes geradas pela ocorrência da falta aparecem como distúrbios superpostos aos sinais de freqüência fundamental que são registrados pelos relés. Processando-se estes sinais pelo emprego da TW, esta pode revelar o tempo de propagação dos sinais analisados entre o ponto de ocorrência do distúrbio e a localização física do relé. Conseqüentemente, dispondo-se do intervalo de tempo entre as ondas sobre uma dada linha de transmissão, a distância do ponto de falta pode então ser facilmente determinada, sendo esta a filosofia adotada neste trabalho. O problema delineado é abordado através da implementação prática de um algoritmo computacional. Nesta implementação, o usuário pode escolher a técnica de localização a ser empregada, utilizando-se de dados registrados em um ou em ambos os terminais da linha, conforme a sua necessidade e/ou disponibilidade dos recursos necessários. Com o objetivo de testar e validar a aplicabilidade do algoritmo de localização de faltas, utilizou-se de dados de sinais faltosos obtidos através de simulações do software ATP (Altenative Transients Program), levando-se em conta vários tipos de falta em diferentes localizações ao longo da linha, com diferentes ângulos de incidência, resistências de falta, freqüência de amostragem do sinal, etc. Também foi verificada a influência do acoplamento mútuo em caso de circuitos duplos de transmissão. Os resultados alcançados pelo algoritmo são promissores e demonstram uma ótima precisão e aplicabilidade do método proposto. / This work presents a wavelet transform (WT) application to analyze the high frequency transients in a transmission line caused by a fault, with the purpose of determining its accurate location. The WT is very similar to Fourier Transform (FT), with an important difference: it allows the time determination of different frequency components of a signal. This skill allows the detection of the time of the disturbance occurrence, such as fault transients. The traveling waves generated by the fault occurrence appear as superimposed disturbances on the power frequency signals recorded by the relay. By processing these signals using the WT, the propagation time between the fault point and the relay location can be determined. Consequently, the distance of the fault point can be easily calculated. The delineated problem is boarded through the practical implementation of a computational algorithm. In this implementation, the user can choose the location technique to be employee, using data registered in one or both the terminals of the line, according to the necessity and/or availability of the data. In order to evaluate the applicability of the proposed scheme, the simulation of the transmission line in a faulty condition was utilized. This work makes use of a digital simulator of a faulted EHV (Extra High Voltage) transmission lines known as Alternative Transients Program (ATP). A typical transmission line from CESP (Companhia Energética de São Paulo) were utilized. The simulated data obtained was very close to that found in practice. This study takes into account single phase to ground faults, phase-to-phase faults, phase-phase to ground and three phase faults. The data set was composed of various fault situations considering different fault locations, fault resistances and fault inception angles. The influence of the sampled rate used was also verified as well as the mutual coupling in case of double transmission circuits. The test results reached for the algorithm are promising and demonstrate a highly satisfactory degree of accuracy and applicability of the proposed method.

O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para a proteção de retaguarda de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) de grande área, através de um Sistema de Medição Fasorial Sincronizado (SMFS). A metodologia é baseada no contínuo monitoramento e na proteção de um SEP de grande área voltada para linhas de transmissão. Pelo algoritmo de proteção de retaguarda implementado, fundamentado na filosofia de proteção diferencial que se baseia na detecção da inversão do fluxo de potência, detecta-se a linha de transmissão faltosa mediante os dados de tensão e corrente remotamente adquiridos pelo SMFS. As simulações sobre o SEP compreenderam todas as possibilidades de curtos-circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos, sem e com o envolvimento da terra, variando-se o ângulo de incidência e resistência da falta dentro de uma faixa de valores encontrada em situações reais. Os resultados encontrados na pesquisa mostram a eficiência da metodologia proposta, alcançando as prescrições primárias de um sistema de proteção (velocidade, confiabilidade, seletividade e sensibilidade). Neste contexto, concluiu-se que é factível a aplicação da metodologia proposta na proteção de retaguarda de um SEP caracterizado por uma grande área de cobertura, vindo a atender aos propósitos de um sistema de proteção digital, desde que esteja disponível uma confiável e veloz infraestrutura de comunicação para o tráfego dos dados necessários. / The present work aims to develop a methodology for large area Electric Power System (EPS) backup protection, through a Synchronized Phasor Measurement System (SPMS). The methodology is based on continuous monitoring and on the large area EPS protection focused on transmission lines. Through backup protection algorithm implemented, grounded on the differential protection philosophy, which is based on power flow inversion detection, detects the faulty transmission line through the remotely acquired voltage and current data by SPMS. The simulations in SEP discussed all the possibilities of single phase, two phase and three phase short-circuits, with and without the involvement of the ground, varying the fault incidence angle and resistance within a range of values commonly presented in real situation. The results found in this research show the efficiency of the proposed methodology, achieving the protection system primary requirements (speed, reliability, selectivity and sensitivity). In this context, it is concluded that it is feasible the proposed methodology application on the EPS backup protection characterized by a large coverage area, fulfilling the purposes of a digital protection system, since be available a reliable and fast communication infrastructure for the needed data traffic.

Neste trabalho é analisado o espalhamento eletromagnético causado por microfitas excitadas por ondas planas. Inicialmente é apresentado o procedimento para o cálculo, no domínio espectral, dos campos eletromagnéticos em estruturas com múltiplas camadas isotrópicas, tendo como fontes densidades superficiais de correntes elétrica e magnética localizadas nas interfaces entre as referidas camadas. Funções de Green espectrais são estabelecidas para duas estruturas de particular interesse prático. Expressões assintóticas para os campos distantes também são determinadas. Modos de propagação em guias planares com múltiplas camadas dielétricas são analisados detalhadamente, baseado no fato das soluções para as ondas no domínio espectral serem formalmente equivalentes às do domínio espacial. Esta abordagem permite estabelecer uma conexão direta com a solução espectral. O método dos momentos é empregado na solução das equações integrais para a determinação da densidade de corrente induzida no espalhador por uma onda plana elipticamente polarizada. Funções de base adequadas são introduzidas para permitir a realização das integrações numéricas de forma eficiente. Analiticamente o esforço exigido pelo emprego do método é grande. Do ponto de vista computacional e numérico o esforço é igualmente considerável e requer cuidados na sua implementação por causa da complexidade e das peculiaridades de convergência de integrais. Parte do trabalho é dedicada à discussão desse aspecto da técnica.Campos espalhados por dipolos impressos e elementos retangulares, calculados com os programas desenvolvidos, estão em boa concordância com as simulações realizadas com o programa comercial IE3DTM.

Neste trabalho é estabelecido um modelo para análise dos campos eletromagnéticos irradiados por uma abertura eletromagnética localizada no plano de terra de uma microfita. Neste modelo, a antena é tratada como um problema de contorno e as equações de ondas para os campos eletromagnéticos, no vácuo e no substrato de microficha, são resolvidas no domínio de Fourier. Inicialmente são determinados os campos eletromagnéticos irradiados pela estrutura em questão, na hipótese da microfita de alimentação ser sustentada por um substrato chiral. Expressões assintóticas para os campos distantes irradiados pela antena, isto é, campos na região de Fraunhofer, são obtidas com o auxílio do método da fase estacionária. Em seguida, considerando a versatilidade dessa estrutura, são analisadas as características de irradiação de um dipolo elétrico curto impresso sobre o substrato chiral de uma fenda eletromagnética (dipolo magnético curto) coberta por uma camada chiral. São discutidos os efeitos da chiralidade sobre as diretividades dessas antenas e sobre os diagramas de irradiação, com destaque para os fenômenos relacionados com a rotação desses diagramas. Para o caso particular em que a fita de alimentação é sustentada por substrato achiral, são determinadas as expressões para os campos eletromagnéticos e respectivas funções de Green espectrais. A partir dessas, são estabelecidas as equações integrais cujas incógnitas são a densidade de corrente elétrica sobre a fita e a componente tangencial do campo elétrico ao longo da abertura. As soluções dessas equações são estruturadas com o auxílio do método dos momentos. Impedâncis de entradas de antenas de microfita retangulares e de fitas condutoras são apresentadas como resultado do programa ANTIB, implementado em FORTRAN 77. Um protótipo de uma fenda eletromagnética alimentada por uma microfita foi construído e ensaiado. Os resultados obtidos estão em boa concordância com os previstos pelo programa ENSEMBLE (marca registrada).

Detecção de linhas de alta tensão em ambientes complexos é uma das tarefas mais desafiadoras em inspeções que utilizam Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Este trabalho foca em dar uma solução para este desafio, através do desenvolvimento de um algoritmo de controle de voo de precisão, que guie o VANT de maneira autônoma sobre as linhas de alta tensão. O algoritmo proposto é baseado em quatro etapas: Captura da Imagem, Filtragem da Imagem, Detecção das Linhas e Controle de Voo. Inicialmente a imagem é redimensionada para um tamanho em que as linhas fiquem em maior evidência, depois uma sequência de filtros é aplicada na imagem para reduzir ruído e evidenciar ainda mais as linhas. Depois deste pré-tratamento, um filtro de duas dimensões com formato similar ao de uma linha de alta tensão é usado para extrair os pixels pertencentes as bordas destas linhas. Após a aplicação do filtro de duas dimensões, a Transformada de Hough é aplicada na imagem resultante para detectar os segmentos de reta. Por fim, todos os dados obtidos no processamento da imagem são utilizados para guiar o VANT de maneira autônoma pelas linhas de transmissão. O algoritmo proposto apresenta um eficiente sistema de detecção de linhas de alta tensão, para auxiliar o controle de voo autônomo de um VANT, apresentando resultados convincentes. / Power lines detection in complex environments is one of the most important and challenging tasks in Unmanned Aerial Vehicles (UAV)-based inspections. This work focuses on tackling this challenge by developing a control algorithm to support fine grain UAV control to autonomously guide the aerial platform over the power lines. The proposed algorithm is based on four stages: Image Capturing, Image Filtering, Line Detection and Flight Control. Firstly, the image is cropped to a size that fits all the power lines, then a sequence of filters is applied in the image to reduce noise and highlight these lines. After all the image's pretreatment, a 2D filter with similar shape of a power transmission line is used to extract pixels that belongs to the line's edges. Then, the Hough Transform method detects the line segments in the edges result image. Lastly all the obtained data is used to autonomously guide a UAV over the power transmission lines. The proposed algorithm presents an efficient power transmission lines detecting system to support the autonomous UAV guidance, which presents convincing results.

A proteção diferencial é o esquema preferido para proteção de equipamentos e linhas de transmissão. A proteção diferencial exige que informações de todos terminais de zona sob proteção sejam usados para calcular a corrente diferencial. Se esta corrente excede um determinado limite significa que uma falta pode existir na zona protegida. Tais cálculos devem ser executados em cada terminal, consequentemente deve existir um rápido canal de comunicação entre todos os terminais de linha. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do algoritmo de uma proteção diferencial digital de linhas de transmissão com compensação em série. O algoritmo proposto foi implementado em Matlab e foi testado com os mais diferentes tipos de faltas simuladas no programa ATP (Alternative Transients Program). Os resultados comprovam o correto funcionamento do algoritmo. O uso de tecnologias atuais de sincronização por GPS (Global Positioning System) e transmissão de dados em banda larga, resolvem antigos problemas da implementação de proteções diferenciais em linhas de transmissão. / The differential protection is the preferred scheme to protect equipment and transmission lines. The differential protection needs information from all terminals of a protected zone to be used to calculate the differential current. If the current exceeds the threshold level, it means that a fault may exist in the protected zone. These computations must be made on each terminal, consequently a fast communication channel connecting all terminals must exist. This work presents the development of a digital differential protection algorithm for series compensated transmission lines. The algorithm was implemented in Matlab and it was tested with the most different variety of faults simulated with ATP (Alternative Transients Program) software. The results proved the correct operation of the algorithm. The use of modern technologies of synchronization such as GPS (Global Positioning System) and data transmission by wide band solved old problems presented by the implementation of differential protection in transmission lines.

O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para a proteção de retaguarda de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) de grande área, através de um Sistema de Medição Fasorial Sincronizado (SMFS). A metodologia é baseada no contínuo monitoramento e na proteção de um SEP de grande área voltada para linhas de transmissão. Pelo algoritmo de proteção de retaguarda implementado, fundamentado na filosofia de proteção diferencial que se baseia na detecção da inversão do fluxo de potência, detecta-se a linha de transmissão faltosa mediante os dados de tensão e corrente remotamente adquiridos pelo SMFS. As simulações sobre o SEP compreenderam todas as possibilidades de curtos-circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos, sem e com o envolvimento da terra, variando-se o ângulo de incidência e resistência da falta dentro de uma faixa de valores encontrada em situações reais. Os resultados encontrados na pesquisa mostram a eficiência da metodologia proposta, alcançando as prescrições primárias de um sistema de proteção (velocidade, confiabilidade, seletividade e sensibilidade). Neste contexto, concluiu-se que é factível a aplicação da metodologia proposta na proteção de retaguarda de um SEP caracterizado por uma grande área de cobertura, vindo a atender aos propósitos de um sistema de proteção digital, desde que esteja disponível uma confiável e veloz infraestrutura de comunicação para o tráfego dos dados necessários. / The present work aims to develop a methodology for large area Electric Power System (EPS) backup protection, through a Synchronized Phasor Measurement System (SPMS). The methodology is based on continuous monitoring and on the large area EPS protection focused on transmission lines. Through backup protection algorithm implemented, grounded on the differential protection philosophy, which is based on power flow inversion detection, detects the faulty transmission line through the remotely acquired voltage and current data by SPMS. The simulations in SEP discussed all the possibilities of single phase, two phase and three phase short-circuits, with and without the involvement of the ground, varying the fault incidence angle and resistance within a range of values commonly presented in real situation. The results found in this research show the efficiency of the proposed methodology, achieving the protection system primary requirements (speed, reliability, selectivity and sensitivity). In this context, it is concluded that it is feasible the proposed methodology application on the EPS backup protection characterized by a large coverage area, fulfilling the purposes of a digital protection system, since be available a reliable and fast communication infrastructure for the needed data traffic.