Este trabalho apresenta o desenvolvimento e simulação de um Controlador Supervisório Inteligente para sistemas híbridos de energia de pequeno porte. O controlador utiliza técnicas de inteligência artificial, baseadas em redes neurais artificiais e lógica neuro-fuzzy, para realizar previsões de velocidade de vento e demanda de curto prazo, permitindo a tomada de decisões otimizadas de despacho para o sistema híbrido de energia. Os principais objetivos do controlador são: o atendimento à carga, a maximização na utilização da fonte renovável eólica e a redução da participação do gerador diesel, assim como são tomados procedimentos adequados para preservar a vida útil da bateria. Um modelo computacional foi criado para calcular o balanço energético de qualquer sistema híbrido a partir de séries de dados medidos de demanda e velocidade de vento. A avaliação do desempenho do controlador foi realizada comparando-se os resultados obtidos com dois outros algoritmos comumente usados para controle de sistemas híbridos. Também foi feita uma análise econômica simplificada usando a figura de mérito do custo de ciclo de vida (CCV) para destacar as vantagens do novo controlador supervisório inteligente para sistemas híbridos. / This work presents the development and simulation results of an Intelligent Supervisory Controller for hybrid power systems. The controller uses artificial intelligence techniques, based on artificial neural networks and neuro-fuzzy logic, to forecast both wind power and load, and to take optimal dispatch decisions for hybrid power systems. The main controller objectives are: supply the load, priorize wind power and minimize diesel contribution while following appropriate procedures to preserve batteries life. A simulation tool has been created to compute the energy balance of any hybrid system using measured load and wind speed time series. The performance analysis was carried out by comparing the simulation results against two other common hybrid systems\' control algorithms. Also, a simplified life cycle cost analysis (CCV) has been executed in order to point out the economic advantages of the new intelligent supervisory controller for hybrid power systems.

Orientador: Laurence Duarte Colvara / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre o controle de Sistema de Energia Elétrica (SEE) com vistas à melhoria da estabilidade transitória por meio da atuação de dispositivos FACTS, neste momento considerando os compensadores em derivação (SVC) e em série (TCSC). Propõe-se a inclusão, em dispositivos pré-existentes, a incorporação de um controle adicional visando atuação em face de transitórios eletromecânicos. A influência dos dispositivos sobre a capacidade de sincronização entre os pares de máquinas, avaliada por meio do fator de efeito é inserida na atuação dinâmica/transitória do sistema. A evolução da trajetória pós-falta do sistema é considerada em relação às fronteiras da chamada Região de Sincronização Positiva (RSP) e simulações foram realizadas usando os sistemas-teste Simétrico de duas áreas e New England para Lei de Controle proposta e conclui-se que esta é efetiva na melhoria da estabilidade transitória do Sistema de Energia Elétrica e, com aprimoramentos, poderá ser incluída em procedimentos de operação em tempo real. / Abstract: The power system transient stability control is approached by means of FACTS devices, and at this first step the SVC and TCSC devices are considered. A certain device acts upon each pair of machines by means of their synchronization capability which is affected by the corresponding transfer admittance as repeated by the FACTS device. This influence is taken into account by means of a parameter named Effect Factor. The boundaries of a region surrounding the stable equilibrium point named Positive Stability Region are used as reference for critical trajectories and the control action intend to reverse the tendency of the trajectory of leaving this region. In view of the shown tested cases the results are very promising since the proposed control has conduced to improvements in fault critical clearing times and so it has potential to be included in online operation procedures. / Doutor

O presente trabalho tem por objetivo a proposição de uma abordagem para gestão integrada da operação do sistema elétrico em tempo real pelo diagnóstico da interrupção e determinação de planos de atenuação dos efeitos pela definição da topologia do sistema, com propostas de cortes seletivos da carga em condições de esgotamento da capacidade de transferência. A metodologia proposta abrange sistemas elétricos de grande porte e de diferentes níveis de tensão, tais como sistemas de sub-transmissão e distribuição, simultaneamente e com geração distribuída. Como técnica de solução é aplicada a Busca Tabu para minimização do total de seções desconectadas (desenergizadas) e o número de manobras realizadas para atendimento em casos contingenciais, com atendimento de clientes prioritários e alívio de carga e geração distribuída. A codificação e estrutura de dados aplicados propiciam uma melhor eficiência computacional, favorecendo a aplicação em sistemas operacionais de tempo real. A modelagem proposta é avaliada em sistemas de testes adaptados da literatura, demonstrando a qualidade, robustez e eficiência computacional nos resultados obtidos da abordagem proposta. / The present work aims at proposing an automatic computational methodology to electrical systems operational management in real time via the interruption diagnosis and effect attenuation plan definition by means of system topology determination with load curtailment in load transference capacity exhaustion conditions. The proposed methodology tackles large electrical systems with different voltage levels, such as sub-transmission and distribution systems simultaneously with distributed generators. The Tabu Search is applied to minimize the out-of-service area and the number of switching operations during contingencies with priority customer, load curtailment and distributed generators. The software codification and data structure applied provide computational efficiency, favoring the application to electrical systems operation in real time and the proposed model is validated with test systems from the literature, ensuring the computational efficiency and quality of results.

Harmônicos e desequilíbrios podem causar uma série de problemas a equipamentos conectados a rede elétrica. Este trabalho propõe um método de extração em tempo real das componentes de seqüência positiva, negativa e/ou harmônicos que não requer transformações de coordenadas ou filtragem de sinais. O método proposto é verificado via simulação numérica e implementado experimentalmente em um DSP. Como exemplos de aplicação apresentam-se: a simulação de um Filtro Ativo de Potência utilizando-se um conversor do tipo fonte de tensão operando em PWM e um Relé de Seqüência Negativa. / Harmonics and unbalances cause several problems to equipments connected to AC mains. This work proposes a real time method to obtain the positive and negative sequence components and/or harmonics that requires no coordinate transformation neither signal filtering. Numerical simulation and experimental results are shown to validate the proposed method. As examples of application an Active Power Filter using a voltage source converter operating with PWM and an Negative Sequence Power Relay are presented.

Subestações blindadas são utilizadas por empresas de energia há mais de 50 anos. Muitas destas subestações estão em operação até os dias de hoje, sem qualquer modificação em seu projeto original, e ainda assim continuam operando sem apresentar problemas ou indícios de fadiga. Isto pode ser atribuído a sua qualidade construtiva em conjunto com o material isolante utilizado por este tipo de equipamento, o Hexafluoreto de Enxofre (SF6). Este gás possui todas as características desejáveis para manter adequadas as propriedades dielétricas da subestação, além de ser inerte e extremamente estável. O tempo de vida nominal de uma subestação blindada pode ser de 30 a 50 anos, dependendo de suas características ou recomendação do fabricante. A proximidade, ou até a ultrapassagem, do final do tempo de vida gera preocupação às empresas detentoras destes equipamentos antigos no que diz respeito a operação da subestação com segurança. Outro aspecto importante está relacionado a vazamentos de gás na atmosfera, pois o SF6 está entre os elementos mais danosos para o efeito estufa. Por estas razões este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema para monitoramento de vazamentos e também de parâmetros indicativos do gás SF6 em uma subestação blindada antiga. O objetivo principal foi de desenvolver um sistema com dados históricos para se realizar estudos a respeito do comportamento do gás. A subestação utilizada neste trabalho não possuía nenhum sistema de monitoramento online. Assim, foi desenvolvido um sistema de tempo real para coletar dados de densidade do gás e de ponto de orvalho nos compartimentos da subestação. O sistema de coleta de dados foi instalado em três bays de uma subestação. Foram instalados sensores para medir estas duas grandezas, e também, módulos de aquisição de dados de baixo custo que se comunicam por meio de protocolos padrão e abertos. A partir do sistema instalado, no longo prazo, se espera a redução de vazamentos de gás com a possibilidade de inspeções online. Pode ser atribuído como resultado do trabalho a redução de custos, pois os dados históricos com indicativos favoráveis permitem estender o tempo entre manutenções preventivas. Como resultado complementar deste trabalho, o monitoramento de perdas de gás se torna mais eficiente e rápido, colaborando, assim com as expectativas ambientais atuais. / Gas Insulated Substations (GIS) are used by energy companies for over 50 years. Many early substations have been in operation until the present day, without any modification in its original design, and still are operating without problems or indications of fatigue. This can be attributed to its constructive quality along with the insulating material used for this type of equipment, the gas sulfur hexafluoride (SF6). This gas has all the desirable features for maintaining the dielectric of the substation as well as being inert and extremely stable. The nominal lifetime of a GIS substation can be 30 to 50 years, depending on their characteristics or manufacturer\'s recommendation. The proximity, or even exceeding, the lifetime generates concern to companies holding these old equipment as regards the operation of the substation safely. Another important aspect is related to gas leakages into the atmosphere because SF6 is among the most damaging elements to the greenhouse effect. Therefore, this work presents the development of a system for monitoring leakage and also indicative parameters of SF6 gas at an old GIS. The main objective was to develop a system with historical data to conduct studies about the behavior of the gas. The substation used for this work had no online monitoring system. Thus, it was developed a real-time system for collecting data of gas density and dew point in the compartments of the substation. The data collection system was installed in three bays of the substation. Sensors were installed to measure these two quantities, and also low cost data acquisition modules which communicate via standard and open protocols. In long term, with the system, there should be a reduction of gas leakages with the possibility of online inspections of the gas. May be assigned as a result the reduction of costs, since the historical data with good indicative allows extending the time for preventative maintenance. As additional result of this work, it is expected that the monitoring of leakage become more efficient and faster, thus contributing to the current environmental expectations.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e simulação de um Controlador Supervisório Inteligente para sistemas híbridos de energia de pequeno porte. O controlador utiliza técnicas de inteligência artificial, baseadas em redes neurais artificiais e lógica neuro-fuzzy, para realizar previsões de velocidade de vento e demanda de curto prazo, permitindo a tomada de decisões otimizadas de despacho para o sistema híbrido de energia. Os principais objetivos do controlador são: o atendimento à carga, a maximização na utilização da fonte renovável eólica e a redução da participação do gerador diesel, assim como são tomados procedimentos adequados para preservar a vida útil da bateria. Um modelo computacional foi criado para calcular o balanço energético de qualquer sistema híbrido a partir de séries de dados medidos de demanda e velocidade de vento. A avaliação do desempenho do controlador foi realizada comparando-se os resultados obtidos com dois outros algoritmos comumente usados para controle de sistemas híbridos. Também foi feita uma análise econômica simplificada usando a figura de mérito do custo de ciclo de vida (CCV) para destacar as vantagens do novo controlador supervisório inteligente para sistemas híbridos. / This work presents the development and simulation results of an Intelligent Supervisory Controller for hybrid power systems. The controller uses artificial intelligence techniques, based on artificial neural networks and neuro-fuzzy logic, to forecast both wind power and load, and to take optimal dispatch decisions for hybrid power systems. The main controller objectives are: supply the load, priorize wind power and minimize diesel contribution while following appropriate procedures to preserve batteries life. A simulation tool has been created to compute the energy balance of any hybrid system using measured load and wind speed time series. The performance analysis was carried out by comparing the simulation results against two other common hybrid systems\' control algorithms. Also, a simplified life cycle cost analysis (CCV) has been executed in order to point out the economic advantages of the new intelligent supervisory controller for hybrid power systems.

Transformadores de potência são equipamentos essenciais no sistema elétrico de potência, alterando os níveis de tensão para interligar os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Neste trabalho são relacionados e descritos os principais modos de falha normalmente verificados em transformadores, associados ao levantamento estatístico que compõe um banco de dados elaborado a partir de perícias realizadas entre os anos de 2.000 e 2.008 para companhias seguradoras. É apresentada e desenvolvida uma análise de falhas verificadas em cerca de uma centena de transformadores com diferentes tipos de aplicação, classes de tensão e níveis de potência. O objetivo do estudo é contribuir com um melhor entendimento de causas de falhas e os tipos de transformadores mais suscetíveis a cada uma delas. / Power transformers are essential equipment in the electric system by changing the voltage levels in order to connect generation, transmission and distribution systems of electric energy. In this study are related and described the most common failure modes in transformers, associated with the statistical statement that makes up a database developed from expertise held between the years 2000 and 2008 for insurance companies. It is presented and developed an analysis of failures found in around a hundred transformers with different types of application, classes of voltage and power levels. The objective of the study is to contribute to a better understanding of the causes of failures and the transformers types most susceptible to each one.

A utilização crescente de equipamentos eletro-eletrônicos sensíveis a interferências e a adoção de novos critérios para avaliação da qualidade da energia fornecida têm resultado em um aumento do número de pesquisas desenvolvidas com o objetivo de se obter informações a respeito das características das sobretensões em redes de baixa tensão. Isto motivou a realização deste trabalho, que teve por objetivo analisar as sobretensões causadas por descargas atmosféricas próximas a redes secundárias. O estudo trata inicialmente das tensões transferidas para a rede de baixa tensão, via transformador, devido a tensões induzidas no primário. Para tal são utilizados resultados experimentais obtidos em modelo de linhas de distribuição em escala reduzida e também medições de tensões induzidas por descargas naturais em uma linha especialmente construída para estudo do fenômeno. Com o uso de um modelo de transformador de distribuição típico, de validade comprovada para avaliação de surtos transferidos, são analisadas as tensões transferidas para a rede secundária considerando-se diversas formas de onda no primário. Posteriormente são calculadas as tensões induzidas nas redes de baixa tensão por descargas incidentes em suas proximidades através do 'Extended Rusck Model' (ERM) – modelo de validade comprovada por meio de centenas de comparações entre tensões induzidas medidas e calculadas. O trabalho discute as influências, nas tensões induzidas, do modo de representação do transformador e das cargas conectadas ao secundário, valor da resistência de terra, amplitude e velocidade de propagação da corrente no canal, etc. A comparação entre as tensões induzidas em linhas convencionais e multiplexadas também é realizada. É analisado também o uso de dispositivos de proteção contra surtos na rede multiplexada tendo em vista a redução das amplitudes das tensões induzidas. Por fim são feitas comparações entre tensões induzidas e tensões transferidas via transformador à rede secundária considerando a mesma descarga atmosférica. / The growing use of electric and electronic equipment prone to electromagnetic interferences and the adoption of new criteria for evaluating the quality of the power supplied have increased the number of studies developed in order to obtain information regarding the characteristics of overvoltages on low-voltage networks. Such fact has motivated the development of this work, which aimed at analyzing overvoltages caused by lightning discharges near secondary networks. The study first covers voltages transferred to the low-voltage network through the transformer due to induced voltages on its primary terminals. In order to accomplish that, experimental results obtained on a reduced scale model are used, as well as measurements of natural lightning induced voltages on a line specially built to study the phenomena. The voltages transferred to the secondary network, considering several waveforms on the primary, are analyzed by using a typical distribution transformer model, proven valid for evaluating transferred surges. The study then presents the calculation of voltages induced on low-voltage networks by discharges on their vicinity through the 'Extended Rusck Model' (ERM) – a model that has been validated by hundreds of comparisons between measured and calculated induced voltages. This work discusses the influences on induced voltages of the manner of representing the transformer and the loads connected to the secondary, as well as grounding resistance, amplitude and stroke current propagation speed, etc. Comparisons between lightning induced voltages on open wire lines and on lines with twisted conductors are also made. The use of surge protective devices on lines with twisted conductors is analyzed, and the reduction of induced voltage amplitudes is investigated. Finally, induced voltages and voltages transferred to the secondary network through a transformer are compared, considering the same lightning discharge.

A área de pesquisa e prototipagem de soluções para Sistemas de Potência compartilha, com outras áreas da engenharia, vários problemas relacionados a software, principalmente, os seus custos e o seu tempo de desenvolvimento. Mais especificamente, nas aplicações com sistemas embarcados e dispositivos computacionais em tempo real, a presença de fatores como a complexidade dos algoritmos, os requisitos críticos de desempenho e as restrições impostas pelo hardware da aplicação, fazem com que o desenvolvimento do software evolua de forma muito lenta. Finalmente, quando um projeto está terminado, seu software já é obsoleto ou completamente incompatível para uso em novos projetos, com um hardware novo. Esse trabalho apresenta uma possível solução a esses problemas, por meio de um arcabouço de software para aplicações em tempo real. Através de uma metalinguagem de descrição de fluxos de dados baseada em blocos, e de ferramentas de compilação e interpretação, esse arcabouço permite abstrair o projeto, a implementação e os testes da aplicação, do desenvolvimento das demais partes do dispositivo, favorecendo um projeto sistemático em módulos, o futuro reuso de códigos, a fácil manutenção de algoritmos e a execução de testes cruzados, entre plataformas, com previsibilidade de resultados. O arcabouço foi elaborado e testado em um cenário de Sistemas de Potência, com a criação de um relé digital de proteção contra sobrecorrentes, com aquisição de dados via barramento de processo da norma IEC 61850. Entretanto, toda a metodologia desse trabalho pode ser aplicada a qualquer outra área correlata, mediante a extensão de sua metalinguagem. / The research and prototype area for Power System solutions share, among other engineering disciplines, several problems concerning software, mainly their developing time and costs. More specifically, in embedded system and real time computing devices applications, the presence of factors, such as the algorithm complexity, the critical performance requirements and other restrictions imposed by the application hardware, makes the software development to slowly evolve. Finally, when a project is over, its software is already obsolete or completely incompatible for use in other projects, with a new hardware. This work presents a possible solution to these problems, through a software framework for real time applications in Power Systems. Through a block based data stream description metalanguage, and compiling and interpreting tools, this framework allows the application design, implementation and testing procedures to be abstracted from the development of other device parts, permitting a systematic and modular project, the code reuse in the future, easy algorithm maintenance and the execution of cross-platforms tests with predictable results. The framework was created and tested in Power System scenarios, especially in the construction of a digital protection overcurrent relay, with data acquisition through the IEC 61850 process bus. However, the entire methodology of this study could be applied to any other related area, by extending its metalanguage with the appropriate building blocks.

Este trabalho apresenta a aplicação de Redes Neurais Artificiais (RNAs) como um classificador de padrões para as operações do relé de distância. As grandezas analisadas referem-se aos valores trifásicos de tensões e correntes do sistema elétrico, incluindo a seqüência zero. Para a obtenção dos valores amostrais da linha de transmissão em condição faltosa, valores estes utilizados como entradas para as arquiteturas de RNAs em seus processos de treinamento e teste, utilizou-se do software Alternative Transients Program - ATP. Para se observar o desempenho do relé de distância implementado, duas formas de análise dos valores trifásicos foram adotadas. Uma utilizando-se como entrada os cinco valores amostrados em meio ciclo pós-falta do sinal analisado e a segunda, pelo emprego da magnitude dos fatores de tensões e correntes, incluindo a seqüência zero. A função da rede neural implementada é de capturar o conhecimento da correta atuação do relé de distância, para posteriormente atuar com melhores resultados frente às situações de operações que por ventura venham a ocorrer. Para criar, treinar (obtenção dos pesos associados como saída) e testar as arquiteturas de RNAs, utilizou-se do software Stuttgard Neural Network Simulator (SNNS). Dos resultados encontrados comenta-se o desempenho do relé de distância implementado frente às duas abordagens anteriormente descritas. Do uso de RNAs como um classificador de padrões, observa-se uma melhora no desempenho do sistema de proteção, alcançando-se uma definição de 96% do comprimento da linha de transmissão como sendo a zona de proteção primária do relé de distância digital. / This work demonstrates the use of Artificial Neural Networks (ANNs) theory as a pattern classifier for a distance relay operation. The approach utilizes the magnitudes of the three phase voltage and current phasors (including the zero sequence) as inputs. The Alternative Transients Program (ATP) software is used to generate data for the transmission line in a faulted condition both for the training process and the tests. Two different types of ANN architecture, concerning the input data, are taken into account. The main objective was to analyse the relay performance considering each of them. One approach utilises the five post-fault samples as inputs. The other one employs the magnitudes of the three phase voltage and current phasors (including the zero sequence) as inputs. The implemented neural network should capture the knowledge for the correct relay operation facing the different network conditions. A comparison of how well the schemes performed is carried out. The Stuttgard Neural Network Simulator (SNNS) was used to create the ANN diagram, train it and obtain the weights as an output. An improvement concerning the use of ANNs for distance protection purposes is found. Through the use of ANN as a pattern classifier, a reach of 96% of the transmission line length as the relay primary protection zone was implemented in this work.