A Qualidade da energia elétrica é caracterizada pela disponibilidade da energia através de uma forma de onda senoidal pura, sem alterações na amplitude e freqüência. No entanto situações transitórias em sistemas de potência são comuns e estas podem provocar inúmeras interferências indesejáveis. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver um algoritmo para detectar, localizar no tempo e classificar diversos distúrbios que ocorrem no sistema elétrico através da aplicação da transformada wavelet (TW). Foi realizado um estudo teórico desde a origem até os recentes avanços sobre a TW. Para a detecção e localização no tempo foi utilizada apenas a TW. Com relação à classificação foram comparadas três ferramentas matemáticas: TW, TRF (Transformada Rápida de Fourier) e RNA (Redes Neurais Artificiais). Através do software ATP (Alternative Transients Program) foi modelado um sistema de distribuição, cujas características seguem um sistema real. Todos os distúrbios de tensão gerados e analisados puderam ser detectados e localizados no tempo através da técnica de análise multiresolução. Em relação à classificação, foi realizada uma comparação entre a TW, a TRF e RNA com resultados satisfatórios, destacando dentre elas a TRF e a RNA. Pode-se concluir que os resultados obtidos através do algoritmo mostraram-se eficientes tanto no aspecto da detecção, localização e classificação, assim como na estimação da amplitude do distúrbio e da duração do distúrbio. / A perfect power supply would be one that is always available, maintaining the supply voltage and frequency within certain limits, and supplying pure noise free sinusoidal waveform. Nevertheless, transient events are usual in power systems, resulting in several interferences. The purpose of this study is for detecting, locating in time and to classifying with wavelet transform (WT) several disturbances that occur on power systems. A WT theoretical revision, referring to the first mention in wavelet up to the recent research advances is presented. Only WT was used in order to detect and locate in time the power system disturbances. For classification, three mathematical tools were compared: WT, FFT (Fast Fourier Transform) and ANN (Artificial Neural Networks). A distribution System, with identical characteristics as the real distribution system, was performed with ATP software (Alternative Transients Program). The results showed that multiresolution analysis technique is able to detect and locate all the generated and analyzed voltage disturbances. For classification the results were similar for the WT, FFT and ANN, however FFT and ANN results presented a better performance. The results conclude that the WT algorithm is efficient at detecting, localizing and classifying power system disturbances, as well as, at estimating the amplitude and duration of the voltage disturbance.

Com o surgimento das novas tecnologias aplicadas aos equipamentos e arranjos geométricos das fontes renováveis de energia, o sistema de aterramento passou a operar com correntes de várias frequências, diferentes da componente fundamental. Estas correntes são provenientes das novas cargas não lineares conectadas e das condições de falta, tornando mais difícil a equipotencialização do sistema de aterramento, devido, principalmente, ao seu tamanho e sua geometria. Neste cenário, esta pesquisa tem como objetivo o estudo do comportamento de um sistema de aterramento operando na presença de correntes com distorção harmônica. Para a modelagem do sistema de aterramento teste, foi utilizada a teoria de linhas de transmissão, considerando parâmetros distribuídos, pela qual o condutor foi modelado em porções ao longo de seu comprimento. Para a modelagem e análise do sistema de aterramento foram utilizados o programa ATP (Alternative Transients Program) e uma ferramenta computacional comercial, com o intuito de validar os valores da resistência da malha de aterramento observados. Pelos resultados encontrados, têm-se argumentos para alertar os projetos futuros de sistemas de aterramento para a necessidade e uma melhor análise das situações operacionais passíveis de ocorrência no sistema elétrico que venham a apresentar uma composição harmônica diferente e não desprezível em relação ao componente fundamental. / With the rise of new technology applied to devices and geometric arrangements related to renewable energy sources, grounding systems have started to operate with currents of multiple frequencies, deviating from its fundamental component. These currents come from the connection of new nonlinear loads and fault conditions, which makes the equipotential bonding harder for the grounding system, mainly due to its size and geometry. In this scenario, this research aims to study the behavior of a grounding system operating in the presence of harmonically distorted currents. The transmission line theory was used to model the testing grounding system, based on distributed parameters, through which the conductor was modeled in increments along its length. For modeling and studying the grounding system, the ATP (Alternative Transients Program) and a commercial software tool were used in order to validate the resistance values observed in the grounding grid. Based on the results found, there are arguments to alert future grounding system projects about the need for a better assessment of operational scenarios likely to occur in the electrical system, which may display a different harmonic composition that is not negligible in relation to the fundamental component.

Os Sistemas de Armazenamento a Baterias (SAEB) têm demonstrado uma grande flexibilidade de aplicações em melhorias e resoluções de problemas em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEEs). Grandes variações no valor de tensão dentro de um período, seja diário ou semanal, são observados devido à predominante topologia radial dos SDEEs e o constante aumento da utilização de Geradores Distribuídos (GDs). Pelas características de operar como carga ou geração, os SAEBs podem ser utilizados para melhorar o perfil de tensão. No entanto, as restrições de operação desses dispositivos tornam dificultoso identificar bons momentos de atuação e barramentos de alocação para este propósito. Geralmente, essa atuação é tratada de uma forma dependente dos GDs, porém essa abordagem não permite que os SAEBs possam operar em momentos independentes a fim de melhorar o perfil de tensão do SDEE. Desta forma, neste trabalho é desenvolvida uma abordagem para o planejamento da alocação e atuação do SAEB, utilizando uma modificação no algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO) de forma que o SAEB possa atuar independente dos GDs e ser alocado em outras barras, com o objetivo de melhorar o perfil de tensão. As soluções são analisadas através de simulações de Monte Carlo para investigar o comportamento em diversas situações de curva de carga. Os resultados demonstram que a abordagem proposta busca encontrar boas alocações e atuações e que os parâmetros técnicos dos SAEBs, como capacidade de energia armazenada e potência nominal do inversor, influenciam diretamente nos resultados. / Battery Energy Storage Systems (BESS) have demonstrated great flexibility of applications in improvements and problem-solving in Electrical Distribution Systems (DSs). Significant variations in the nominal voltage value within a period, either daily or weekly, are observed due to the predominant radial topology of the DSs and the constant increase of the use of Distributed Generators (DGs). By the characteristics of operating as load or generation, SAEBs can be used to improve the voltage profile. However, the restrictions of these devices make it difficult to identify good operating moments and allocation buses for this purpose. Generally, this operation is treated in a way dependent on the DGs, but this strategy does not allow the BESS to operate at independent moments to improve the voltage profile of the SDEE. Thus, in this work an approach is developed for SAEBs allocation and operation planning, using a modification in the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm so that the SAEB can operate independently of the GDs and be allocated in other bars, with the objective to improve the voltage profile. The solutions are analyzed through Monte Carlo simulations to investigate the behavior in various load curve situations. The results demonstrate that the proposed approach seeks to find proper allocations and actions and that the technical parameters of SAEBs directly influence the results.

O tratamento de águas residuárias e efluentes industriais por irradiação com feixe de elétrons é uma técnica promissora, porém pouco difundida em território Brasileiro. O projeto e a construção de uma unidade móvel contendo um acelerador industrial de elétrons de 700 keV e 20 kW, pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), é inovador para demonstrar os efeitos e resultados positivos dessa tecnologia. O propósito é deslocar a unidade móvel às diversas empresas com interesse em tratamento dos resíduos líquidos, conectar-se ao sistema elétrico da mesma e iniciar o processo de tratamento por ionização, por meio da irradiação com feixe de elétrons. A conexão da unidade móvel ao sistema elétrico local pode representar um desafio, pela grande diversidade de tensões e distâncias envolvidas, e também pelas grandes injeções de conteúdo harmônico gerado pelo acelerador de elétron que podem afetar as cargas do sistema industrial, comumente sensíveis. Neste trabalho realizou-se uma análise do sistema de potência da unidade móvel, quanto à capacidade de interrupção, seletividade da proteção e níveis de curto-circuito adequados de forma a assegurar uma maior confiabilidade na operação. Ao final, projetou-se e construiu-se o painel elétrico de controle da unidade móvel de irradiação. Além disso, na obtenção de parâmetros operacionais à unidade móvel, realizaram-se simulações e medições no acelerador industrial de elétrons de 1,5 MeV e 37,5 kW, instalado no Laboratório de Fontes Intensas de Radiação, do Centro de Tecnologia das Radiações, as quais demonstraram a necessidade da inserção de um filtro para redução dos índices de distorção nos harmônicos dessa instalação radiativa fixa no IPEN. / The treatment of wastewater and industrial effluents by electron beam irradiation is a promising technique, however, not very widespread in Brazilian territory. The design and a construction of a mobile unit containing an electron beam accelerator of 700 KeV and 20kW, by the Nuclear and Energy Research Institute (IPEN) is innovative to demonstrate the effects and positive results of this technology. The aim is to move the mobile unit to several companies with interest in liquid waste treatment, and connect to the industry electrical system and start the ionization treatment process through electron beam. The mobile unit\'s connection to the local electrical system can be a challenge in behalf of the great diversity of voltages and distances involved, as well as the large injections of harmonic content generated by the electron beam accelerator that can affect sensitive loads in the industrial system. In this work, an analysis was made of the power system of the mobile unit, regarding interruption capacity, selectivity protection and adequate short circuit levels in order to assure a greater reliability in the operation. At the end, the control panel of the mobile unit, simulations and measurements were carried out at the 1.5 MeV and 37.5 kW electron beam accelerator, installed at the Intensive Radiation Technology Center, which demonstrated the necessity of applying of a filter to reduce the measured harmonic distortion.

Cette thèse s’intéresse au problème de la qualité de l’énergie électrique sous l’angle particulier des harmoniques, leurs sources, leurs effets et les solutions permettant de les réduire. Deux solutions sont principalement considérées, les convertisseurs à indice de pulsation élevé et les filtres actifs. Ce travail a été mené en faisant porter l’accent sur le réseau électrique thaïlandais. C’est ainsi qu’une présentation de l’évolution de la façon dont l’électricité est produite, transportée et distribuée en Thaïlande est effectuée avant de décrire les contraintes imposées sur les harmoniques. Les différents systèmes de liaison à courant continu haute tension (CCHT) actuellement installés dans le monde sont rappelés avant de décrire en détails les différents composants et le contrôle de la liaison 300-600 MW existant entre la Thaïlande et la Malaisie. Après avoir ensuite présenté les différentes solutions envisageables de réduction des harmoniques, un exemple de réalisation, l’une des premières en Thaïlande utilisant un contrôle numérique, est détaillé afin d’illustrer les avantages de ce type de solution. La thèse se termine sur la présentation d’une méthode originale de modélisation des convertisseurs à indice de pulsation élevé. Cette modélisation repose sur une solution analytique exacte du problème d’état qui est considéré sur le plus petit intervalle permettant, en utilisant des propriétés de symétrie, de reconstruire la période de fonctionnement du dispositif. Le modèle ainsi développé donne des informations sur le fonctionnement du système tant dans les domaines fréquentiel que temporel / The problem of quality of electrical energy is the main object of this thesis. This problem is considered especially from the point of view of harmonics, sources, effects and solutions to reduce them. Two main solutions are considered, multi-pulse converters and active filters. This work is developed with a particular emphasis on the Thai electrical network. Then, the production, transmission and distribution system of electricity in Thailand and the harmonics regulations are presented. The different types of HVDC interconnection systems which are installed in the world today are detailed before presenting the 300/600 MW Thailand-Malaysia HVDC interconnection. After presenting the different possible solutions to avoid harmonics, a realized example, one of the first one developed in Thailand with a numerical control, is detailed to show the advantages of such a solution. The thesis ends on the presentation of an original modelling method of multi-pulse converters. The model is based on an exact analytical solution of the state problem which is considered on the smallest interval, which can, by using property of symmetry, rebuild the whole period. The result model gives the full information on the operation of the whole device both in time and frequency domains

Les réseaux électriques industriels sont des micro-réseaux se trouvant au prolongement du réseau de distribution auquel ils se raccordent via un ou plusieurs transformateurs. Aujourd’hui dans ces micro-réseaux, on assiste à une croissance de l’utilisation de l’électronique de puissance pour les alimentations à découpage, les moteurs alimentés par des variateurs de vitesse, les ASI en amont des charges sensibles et les compensateurs d’énergie. Néanmoins, si certaines précautions ne sont pas prises, ces éléments risquent d’affecter fortement la stabilité du système particulièrement en mode de fonctionnement îloté où la puissance disponible est limitée. Dans cette thèse, différents facteurs contribuant au départ de l'instabilité sur un micro-réseau sont étudiés et des solutions pour repousser la limite de stabilité sont proposées. D’abord, les études de stabilité petit-signal sont utilisées pour connaître les paramètres affectant le plus la stabilité du système, et les études large-signal sont plutôt utilisées à des fins de quantification des perturbations que peut subir le système sans devenir instable. Ensuite, un stabilisateur indépendant sur le modèle du FACTS et un stabilisateur qui agit directement par les charges du micro-réseau ont été proposés. Plusieurs lois de stabilisation sont étudiées, basées soit sur les retours d'état petit-signal, soit sur des outils large-signal. Enfin, l'emplacement optimal des stabilisateurs sur un micro-réseau a été étudié. Un dernier point concerne le choix de l’intelligence centralisée ou répartie pour la stabilisation / Industrial power grids are micro-grids connected to the distribution grid via transformers. Recently in these micro-grids, there is a growth in the use of power electronic devices for switch mode power supplies, variable speed drives, UPS, critical loads and energy compensators. Nevertheless, if certain precautions are not taken, these devices may significantly affect the system stability especially in islanded operating mode where the available power is limited. In this work, main causes of instability in micro-grids are studied and solutions to improve the stability margins are proposed. First, small-signal stability analysis tools are applied to identify most sensitive components of the system. Then, large-signal tools are used to estimate the domain of attraction of the stable operating point leading to quantify allowable disturbances. Afterward, a dedicated stabilizer similar to FACTS and another stabilizer taking action directly on loads are proposed. Several stabilization laws are studied, based on either small-signal design tools, or on large-signal tools. Finally, the optimal placement of distributed stabilizers in a micro-grid was studied. A final point concerns the choice of centralized or decentralized computers for stabilization.

A utilização da energia eólica é ainda recente no setor elétrico e, por isso, apresenta inúmeros desafios na operação e integração dessa nova tecnologia com o sistema elétrico. Desta forma, este trabalho aborda o impacto da injeção de correntes harmônicas que as Centrais de Geração Eólica geram no Sistema Interligado Nacional. Inicialmente, aborda-se a fundamentação teórica e o conceito básico da energia eólica, principalmente em relação ao panorama desta fonte renovável no Brasil e no mundo e, de uma forma sucinta, aborda-se também sobre o aspecto tecnológico dos aerogeradores. Outro aspecto relevante deste trabalho, é o levantamento do estado da arte sobre os conceitos e cálculos das distorções harmônicas, bem como sobre o processo de integração das novas Centrais de Geração Eólica à rede básica. O principal resultado obtido neste trabalho, é o estudo de sensibilidade da distorção harmônica de tensão, no ponto de acoplamento da Central à rede básica de transmissão, frente à variação topológica da rede coletora da Central de Geração Eólica. Para tal estudo, foi modelada uma Central de Geração Eólica e aplicadas as metodologias estudadas no estado da arte. Os resultados obtidos do estudo de sensibilidade, é de grande interesse para os operadores da rede e transmissão de energia elétrica, bem como às geradoras de energia eólica. / The use of wind energy is still recent in the electric sector and, therefore, presents numerous challenges in the operation and integration of this new technology with the electric system. In this way, this work approaches the impact of the injection of harmonic currents generated by the Wind Generation Plants in the National Interconnected System. Initially, it addresses the theoretical basis and the basic concept of wind energy, mainly in relation to the panorama of this renewable source in Brazil and in the world and, briefly, it also addresses the technological aspect of wind turbines. Another relevant aspect of this work is the state of the art survey on the concepts and calculations of harmonic distortions, as well as on the integration process of the new Wind Generation Plants into the basic grid. The main result obtained in this work is the sensitivity study of the harmonic distortion of voltage at the coupling point of the Central to the basic transmission network, in front of the topological variation of the collecting network of the Wind Generation Plant. For such study, a Wind Generation Plant was modeled and the methodologies studied in the state of the art were applied. The results obtained from the sensitivity study, is of great interest to the network operators and transmission of electricity, as well as to wind power generators.

Esta dissertação apresenta uma metodologia baseada em Algoritmos Genéticos e Teoria dos Conjuntos Fuzzy que determina o número ótimo de medidores de Qualidade de Energia, bem como os pontos onde os mesmos devem ser instalados para monitorar Afundamentos e Elevações de Tensão em redes de transmissão de energia elétrica. A metodologia desenvolvida representa uma ferramenta para diversas áreas de uma empresa de energia elétrica, porque ela indica a melhor maneira para se alocar medidores de Qualidade de Energia, considerando as restrições econômicas a que as empresas estão sujeitas. Além disto, a metodologia também determina a melhor configuração para um sistema de medição para um sistema de potência, quando há barras que devem ser monitoradas e/ou o número de medidores disponíveis é menor que o mínimo necessário para atingir a completa Observabilidade. O trabalho desenvolvido também representa uma importante aplicação dos Algoritmos Genéticos em conjunto com a Teoria dos Conjuntos Fuzzy. Ele define aspectos a serem considerados no problema de monitoração de Qualidade de Energia Elétrica e sugere rapidamente a melhor forma de atender diferentes objetivos e restrições operacionais. A fim de validar o modelo proposto, nesta dissertação, três redes elétricas são avaliadas para determinar o número mínimo de medidores de Qualidade de Energia, bem como a localização onde esses equipamentos deveriam ser instalados. Os níveis de Redundância e de Observabilidade são apresentados, bem como as formulações usadas para atingir os resultados apresentados. / This dissertation presents a methodology based on Genetic Algorithms and Fuzzy Mathematical Programming to determine the optimum number of power quality monitors and the locations they should be installed to measure Voltage Sags and Swells in transmission power networks. The methodology developed represents a tool for planning power networks, because it indicates the best way to allocate the power quality monitors, considering economical constraints. Similar to this, the methodology also determines the best configuration for a monitoring system when there are important busses to monitor and the number of monitors available is lower than the minimal needed to accomplish completely Observability. The work presented here also represents an important Genetic Algorithms application. With fuzzy mathematical programming it easily allows the definition of aspects to be considered in the monitoring problem and quickly suggests the best way to attend different objectives and operational restrictions. In order to validate the developed model proposed in this dissertation three electric power networks are assessed to determine the minimum number of power quality monitors as well as the locations where these devices should be installed. The levels of Redundancy and Observability are presented as well as the formulations used to achieve the results.

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Nesta tese é apresentado o desenvolvimento inédito de um equipamento de medição de parâmetros de qualidade de energia elétrica embarcado em um dispositivo FPGA, incorporando funcionalidades que o caraterizam como medidor inteligente. Dessa forma, obteve-se uma plataforma capaz de realizar monitoramento e verificação, em tempo real, do comportamento de sistemas de energia elétrica quando estes operam em condições de desequilíbrio, desbalanços, assimetria nos ângulos de defasagem e presença de componentes harmônicas, impostas pelo comportamento das cargas e/ou pelas tensões de alimentação do sistema. Para isso, foram empregadas as metodologias de cálculos de potência definidas pelo padrão IEEE 1459-2010 e a Teoria da Potência Conservativa. Técnicas de processamento digital de sinais são aplicadas para a descrição dos módulos de sincronismo e janelamento, baseados na norma NBR-IEC-61000-4-30:2010, assim como filtros digitais e deslocadores de fase adaptativos para a extração das componentes fundamentais e componentes fundamentais de sequência positiva. Adicionalmente, são detalhados todos os estágios relacionados com o condicionamento e amostragem dos sinais elétricos, cálculos de potência, cálculo de harmônicos, interface de usuário, acesso aos dados e comando para desconexão/religamento de cargas remotas. Os resultados experimentais obtidos em um sistema trifásico a 4 fios, para diferentes cenários de operação, incluindo a presença de elementos de geração distribuída, evidenci... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this thesis, the development of a novel power quality equipment embedded in an FPGA device, incorporating smart-metering features, is presented. Thus, a platform capable of real-time monitoring and verification of power systems operating under sinusoidal, non-sinusoidal, balanced and / or unbalanced conditions, was obtained. For this purpose, power calculation methods defined by both the IEEE 1459-2010 standard and the Conservative Power Theory (CPT) are reviewed and implemented. Based on NBR-IEC-61000-4-30: 2010 standards, digital signal processing techniques for the synchronization and windowing tasks, as well as, adaptive digital filters and adaptive phase shifters for obtaining the extraction of fundamental components as well as the positive-sequence fundamental components, are applied. Likewise, the complete developed stages regarding conditioning and sampling of electrical signals, power calculations, harmonic component calculations, graphical user interface, remote data access, and disconnection/reconnection commands for remote loads, are detailed. The experimental results obtained from a three-phase 4-wire system, under several operations scenarios, including the presence of distributed generation (DG) elements, highlight the advantages of the implemented methodologies, when compared with commercial power quality analyzers, which use traditional definitions of power quantities. / Doutor

La reconnaissance des perturbations survenant sur les réseaux HTA est une problématique essentielle pour les clients industriels comme pour le gestionnaire du réseau. Ces travaux de thèse ont permis de développer un système d’identification automatique. Il s’appuie sur des méthodes de segmentation qui décomposent de manière précise et efficace les régimes transitoires et permanents des perturbations. Elles utilisent des filtres de types Kalman linéaire ou anti-harmoniques pour extraire les régimes transitoires. La prise en compte des variations harmoniques et de la présence de transitoires proches se fait à l’aide de seuils adaptatifs. Des méthodes de correction du retard a posteriori permettent d’améliorer la précision de la décomposition. Des indicateurs adaptés à la dynamique des régimes de fonctionnement analysés sont utilisés pour caractériser les perturbations. Peu sensibles aux erreurs de segmentation et aux perturbations harmoniques, ils permettent une description fiable des phases des perturbations. Deux types de systèmes de décision ont également été étudiés : des systèmes experts et des classifieurs SVM. Ces systèmes ont été mis au point à partir d’une large base de perturbations simulées. Leurs performances ont été évaluées sur une base de perturbations réelles : ils déterminent efficacement le type et la direction des perturbations observées (taux de reconnaissance moyen > 98%). / The recognition of disturbances affecting MV networks is essential to industrials and distribution system operators. The aim of this thesis work is to design a near real-time automatic system able to detect and identify disturbances from their waveforms. Segmentation methods split the disturbed waveforms into transient and steady-state intervals. They use Kalman filters or anti-harmonic filters to extract the transient intervals. Adaptive thresholding methods increase the detection capacity while a posterior delay compensation methods improve the accuracy of the decomposition. Indicators adapted to the disturbance dynamic are used to characterize its steady-state and transient phases. They are robust to segmentation inaccuracies as well as to steady-state disturbances such as harmonics. Two distinct decision systems are also studied: expert recognition systems and SVM classifiers. During the learning stage, a large simulated event database is used to train both systems. Their performances are evaluated on real events: the type and direction of the measured disturbances are determined with a recognition rate over 98%.