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.

O objetivo de um sistema elétrico de potência é gerar energia elétrica e fornecer continuamente esta energia aos usuários finais dentro de padrões de qualidade aceitáveis. Neste contexto, diferentes aplicações usando algoritmos genéticos (AGs) para resolver problemas relacionados a sistemas elétricos de potência são apresentadas neste trabalho. A estimação de harmônicos, estudos relativos aos relés de freqüência e aplicações da proteção de distância são os assuntos investigados nesta tese. Para análise harmônica foram consideradas freqüências em sistemas de potência de até a vigésima quinta ordem, as quais foram estimadas pelos AGs e comparadas àquelas resultantes da análise quando da aplicação da Transformada Discreta de Fourier (TDF). Com respeito aos relés de freqüência, o objetivo foi estimar a amplitude, freqüência e ângulo de fase para diversas situações de formas de ondas utilizando uma nova estrutura que possa ser implementada dispondo em FPGAs (Field Programmable Gate Array). Finalmente, aplicados à proteção de distância, o principal propósito dos AGs foi identificar os fasores fundamentais da tensão e corrente e, então, calcular a impedância da linha medida pelo relé de distância associado. Cabe ressaltar que estes resultados também foram comparados ao método clássico da TDF. Todas as três abordagens foram formuladas como problemas de otimização, com objetivo de minimizar o erro estimado das variáveis envolvidas. Os resultados dessas aplicações mostram que o desempenho global dos Algoritmos Genéticos foi altamente satisfatório considerando-se as precisões das respostas encontradas. / The aim of electric power systems is to generate electricity and to deliver it continuously to the end-user in an acceptable standard. Therefore, different applications using genetic algorithms (GAs) to solve electric power system problems are presented in this work. Harmonic estimation, frequency relays and distance protection are the subjects investigated in this thesis. Concerning harmonic analysis, the ones up to the 25th order were considered in this work. They were estimated by GAs and compared to results obtained from the Discrete Fourier Transform (DFT) technique. Concerning frequency relays, the main objective was to estimate the amplitude, frequency and phase angle of waveforms using a new structure capable to be implemented in a FPGA (Field Programmable Gate Array). Finally, concerning distance protection, the main purpose was use the GAs to identify the fundamental voltage and current phasors and to calculate the line impedance seen by the distance relay. These results were also compared to those obtained from the classic DFT method. These three problems were formulated as an optimization problem, and the objective was to minimize the estimation error. The results from these applications show that the global performance of the genetic algorithms was highly satisfactory concerning the precision of the responses.

O objetivo de um sistema elétrico de potência é gerar energia elétrica e fornecer continuamente esta energia aos usuários finais dentro de padrões de qualidade aceitáveis. Neste contexto, diferentes aplicações usando algoritmos genéticos (AGs) para resolver problemas relacionados a sistemas elétricos de potência são apresentadas neste trabalho. A estimação de harmônicos, estudos relativos aos relés de freqüência e aplicações da proteção de distância são os assuntos investigados nesta tese. Para análise harmônica foram consideradas freqüências em sistemas de potência de até a vigésima quinta ordem, as quais foram estimadas pelos AGs e comparadas àquelas resultantes da análise quando da aplicação da Transformada Discreta de Fourier (TDF). Com respeito aos relés de freqüência, o objetivo foi estimar a amplitude, freqüência e ângulo de fase para diversas situações de formas de ondas utilizando uma nova estrutura que possa ser implementada dispondo em FPGAs (Field Programmable Gate Array). Finalmente, aplicados à proteção de distância, o principal propósito dos AGs foi identificar os fasores fundamentais da tensão e corrente e, então, calcular a impedância da linha medida pelo relé de distância associado. Cabe ressaltar que estes resultados também foram comparados ao método clássico da TDF. Todas as três abordagens foram formuladas como problemas de otimização, com objetivo de minimizar o erro estimado das variáveis envolvidas. Os resultados dessas aplicações mostram que o desempenho global dos Algoritmos Genéticos foi altamente satisfatório considerando-se as precisões das respostas encontradas. / The aim of electric power systems is to generate electricity and to deliver it continuously to the end-user in an acceptable standard. Therefore, different applications using genetic algorithms (GAs) to solve electric power system problems are presented in this work. Harmonic estimation, frequency relays and distance protection are the subjects investigated in this thesis. Concerning harmonic analysis, the ones up to the 25th order were considered in this work. They were estimated by GAs and compared to results obtained from the Discrete Fourier Transform (DFT) technique. Concerning frequency relays, the main objective was to estimate the amplitude, frequency and phase angle of waveforms using a new structure capable to be implemented in a FPGA (Field Programmable Gate Array). Finally, concerning distance protection, the main purpose was use the GAs to identify the fundamental voltage and current phasors and to calculate the line impedance seen by the distance relay. These results were also compared to those obtained from the classic DFT method. These three problems were formulated as an optimization problem, and the objective was to minimize the estimation error. The results from these applications show that the global performance of the genetic algorithms was highly satisfactory concerning the precision of the responses.

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.

O presente trabalho visa apresentar um modelo alternativo e completo de proteção para linhas de transmissão utilizando-se de Redes Neurais Artificiais (RNAs). Pela aplicação, busca-se um modelo que venha a realizar a detecção do defeito, a classificação quanto ao tipo de falta ocorrida e a localização da mesma no que diz respeito à verificação das zonas de proteção em um menor tempo se comparado com as propostas convencionais. As grandezas analisadas referem-se a valores amostrados de tensões e correntes do sistema elétrico, cujos valores foram obtidos através de simulações computacionais utilizando o software Alternative Transientes Program (ATP). O desenvolvimento do trabalho está dividido em módulos, que dizem respeito à implementação das arquiteturas para a detecção, classificação e a localização da falta. Ressalta-se que o objetivo de treinar os módulos foi o de se obter arquiteturas de RNAs fixas (software NeuralWorks), as quais representam todo o conhecimento armazenado do sistema de proteção. Com estas arquiteturas fixas, através de um algoritmo computacional apropriado e implementado na linguagem de programação \"C\", pode-se então obter as respostas sobre todas as prováveis condições de operação do sistema de transmissão. Os resultados alcançados pela aplicação deste modelo alternativo de proteção ilustram que o desempenho global das arquiteturas de RNAs é altamente satisfatório e condizente para uma possível aplicação prática. Deve ser enfatizado que o esquema proposto se mostra altamente preciso, com alta velocidade de atuação, apresentando características bastante desejáveis para um sistema de proteção moderno. Deve ser mencionado que esta pesquisa foi desenvolvida em cooperação com o Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Bath/Inglaterra. / This work presents an alternative Artificial Neural Network (ANN) approach to simulate a complete scheme for a transmission line protection. From this application, we intend to obtain a complete model to detect the fault, to classify the fault type occurred and to locate it on the protection zones as quickly as possible when compared to conventional approaches. The voltage and current sampled values from the electric power system are analyzed and they are generated by computational simulation using the Alternative Transients Program (ATP) software. In order to perform the simulation, the study was subdivided into different neural network modules for fault detection, fault classification as well as fault location. It should be pointed out that the modules training objective was to obtain the appropriate fixed ANNs architectures (software NeuralWorks), which represent all stored knowledge from the protection system operation. With these fixed architectures, by an appropriate computational algorithm implemented in a C code language, all expected correct responses described above for different operation conditions can be obtained. The results obtained by application of this alternative protection approach, show that the global performance of the ANNs architecture was highly satisfactory and suitable to a practical application. It should be emphasized that the scheme proposed is highly precise with high speed of response, showing desirable characteristics to a modern protection system. It should be mentioned that this research was developed in cooperation with the Department of Electronic and Electrical Engineering - University of Bath/England.

O presente trabalho visa apresentar um modelo alternativo e completo de proteção para linhas de transmissão utilizando-se de Redes Neurais Artificiais (RNAs). Pela aplicação, busca-se um modelo que venha a realizar a detecção do defeito, a classificação quanto ao tipo de falta ocorrida e a localização da mesma no que diz respeito à verificação das zonas de proteção em um menor tempo se comparado com as propostas convencionais. As grandezas analisadas referem-se a valores amostrados de tensões e correntes do sistema elétrico, cujos valores foram obtidos através de simulações computacionais utilizando o software Alternative Transientes Program (ATP). O desenvolvimento do trabalho está dividido em módulos, que dizem respeito à implementação das arquiteturas para a detecção, classificação e a localização da falta. Ressalta-se que o objetivo de treinar os módulos foi o de se obter arquiteturas de RNAs fixas (software NeuralWorks), as quais representam todo o conhecimento armazenado do sistema de proteção. Com estas arquiteturas fixas, através de um algoritmo computacional apropriado e implementado na linguagem de programação \"C\", pode-se então obter as respostas sobre todas as prováveis condições de operação do sistema de transmissão. Os resultados alcançados pela aplicação deste modelo alternativo de proteção ilustram que o desempenho global das arquiteturas de RNAs é altamente satisfatório e condizente para uma possível aplicação prática. Deve ser enfatizado que o esquema proposto se mostra altamente preciso, com alta velocidade de atuação, apresentando características bastante desejáveis para um sistema de proteção moderno. Deve ser mencionado que esta pesquisa foi desenvolvida em cooperação com o Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Bath/Inglaterra. / This work presents an alternative Artificial Neural Network (ANN) approach to simulate a complete scheme for a transmission line protection. From this application, we intend to obtain a complete model to detect the fault, to classify the fault type occurred and to locate it on the protection zones as quickly as possible when compared to conventional approaches. The voltage and current sampled values from the electric power system are analyzed and they are generated by computational simulation using the Alternative Transients Program (ATP) software. In order to perform the simulation, the study was subdivided into different neural network modules for fault detection, fault classification as well as fault location. It should be pointed out that the modules training objective was to obtain the appropriate fixed ANNs architectures (software NeuralWorks), which represent all stored knowledge from the protection system operation. With these fixed architectures, by an appropriate computational algorithm implemented in a C code language, all expected correct responses described above for different operation conditions can be obtained. The results obtained by application of this alternative protection approach, show that the global performance of the ANNs architecture was highly satisfactory and suitable to a practical application. It should be emphasized that the scheme proposed is highly precise with high speed of response, showing desirable characteristics to a modern protection system. It should be mentioned that this research was developed in cooperation with the Department of Electronic and Electrical Engineering - University of Bath/England.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-05-04T18:35:38Z No. of bitstreams: 1 CECÍLIA ALVES BURITI DA COSTA – DISSERTAÇÃO (PPGEE) 2016.pdf: 2848486 bytes, checksum: eb2cfb57825ecee909a3560f654a3038 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-04T18:35:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CECÍLIA ALVES BURITI DA COSTA – DISSERTAÇÃO (PPGEE) 2016.pdf: 2848486 bytes, checksum: eb2cfb57825ecee909a3560f654a3038 (MD5) Previous issue date: 2016-08-25 / Capes / Este trabalho apresenta o processo de modelagem de um relé de distância em um simulador digital em tempo real. O modelo inclui: i) as principais funcionalidades da arquitetura de um relé digital, incluindo filtro anti-aliasing e estimação fasorial; ii) as características de operação do tipo mho e quadrilateral, ambas com duas zonas de atuação; iii) a etapa de diagnóstico de falta, que informa as principais características do distúrbio. Para o diagnóstico da falta, foram avaliados métodos de detecção, classificação e localização por meio de simulação em massa de diferentes cenários de falta em uma linha de transmissão. Dos resultados obtidos, os melhores métodos de cada etapa foram escolhidos para compor o relé. Ao final, a atuação e o diagnóstico do relé modelado foram comparados com os resultados fornecidos pelo relé de distância disponível no próprio simulador e por um relé digital real. / This work presents the modeling process of a distance relay in a real-time digital simulator. The model contains: i) the main features of a digital relay architecture, including anti-aliasing filter and phasor estimation; ii) mho and quadrilateral operating characteristics, with two protection zones; iii) fault diagnosis, which informs the main features of the disturbance. For the fault diagnosis, detection, classification and location methods were evaluated using batch mode simulation of different fault scenarios in a transmission line. From the obtained results, the best methods were selected to be part of the modeled relay. At the end, the operation and diagnosis of the modeled relay were compared with the results presented by the distance relay model provided by the simulator manufacturer and by a digital relay.