Este trabalho tem como objetivo reunir, registrar, estudar e comparar as estratégias de controle utilizadas em inversores para fontes ininterruptas de energia, efetuado através de levantamento bibliográfico, englobando estratégias antigas (implementadas muitas vezes na forma analógica) e recentes (com implementação digital). É realizada comparação dos desempenhos, determinados analiticamente por modelamento e/ou por simulação computacional, entre algumas estratégias de controle. É apresentado um método para a implementação digital de um inversor monofásico para fontes ininterruptas de energia com transformador na saída. O método utilizado consiste de: Análise e modelagem dos controladores e planta, adotando-se critérios para o ajuste dos respectivos parâmetros; Simulação no modo de tempo contínuo; Roteiro da discretização para possibilitar implementação digital; Simulação em tempo discreto; Implementação em protótipo experimental. O controle é realizado com uma estratégia de múltiplas malhas, usando três malhas: uma malha interna de corrente usando controlador proporcional com compensação feedforward da perturbação da tensão de saída no controle da corrente e uma malha externa de tensão com um controlador proporcional + ressonante. Uma terceira malha de controle externa a malha de tensão é adicionada para prevenir a saturação do núcleo do transformador. O inversor é implementado através de um arranjo físico de baixa potência, possibilitando comparação dos resultados de simulação e experimentais. / This dissertation intends to collect, register, study and compare control strategies used in inverters for uninterrupted power supplies. Older control strategies, which use analogical control, as well as contemporary ones, which use digital control, were studied. A performance comparison between some strategies is made using analytical modeling and computational simulation. It is proposed a method for implementation of digital controller for a one-phase inverter with output transformer for uninterruptible power supplies applications. The method consists on: Analysis and modeling of plant and controllers, adopting criteria for parameters adjust; Continuous time computational simulation; Discretization guide for digital implementation; Discrete time computational simulation; Experimental prototype implementation. Control uses a multiloop approach, with three control loops: An internal current loop with proportional controller and feed-forward output voltage disturbance compensation, an external voltage loop using a proportional + resonant controller, and a third external loop to prevent the saturation of the output transformer. A low power experimental setup of the inverter is implemented, allowing comparison of simulated and experimental results.

Nos Sistemas de Automação de Subestação atuais são utilizados equipamentos digitais chamados IED (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes), incorporando as funções de proteção, automação e medição. Estes, para trocarem informações entre si, utilizam um canal de comunicação serial, sendo os dados transmitidos de forma digital por meio de vários protocolos, muitos deles proprietários, o que dificulta a integração entre eles. Neste cenário entra a norma IEC 61850 oferecendo um padrão a ser seguido entre os fabricantes de IED. Este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo da norma e a análise de sua aplicação no Sistema de Automação de Subestação. O estudo proposto da norma a analisará utilizando os principais conceitos estabelecidos por ela para atingir os objetivos propostos: interoperabilidade, liberdade de configuração e estabilidade a longo prazo. Como ensaio de aplicação da norma será apresentado um comparativo com um protocolo utilizado atualmente e a implementação de funções de proteção. No comparativo entre protocolos foi escolhido o DNP3, um dos mais utilizados atualmente no setor elétrico, com o objetivo de verificar as principais diferenças entre eles e vantagens de cada um. Para a implementação de funções de proteção foram escolhidos dois exemplos: a falha de disjuntor e o bloqueio reverso, implementadas da forma tradicional, por meio de sinais elétricos de comando transmitidos por cabos, e por meio dos serviços de mensagens prioritárias da IEC 61850, com o objetivo de analisar suas dinâmicas, seus tempos de atuação e o comportamento frente a eventuais defeitos. / In current Substation Automation System, digital equipaments called IED (Intelligent Electronic Devices) are used with protection, automation and measurement functions incorporated. These devices, to exchange information among them, use serial communication buses with information transmitted in digital form through many procotols, many of them proprietary, making their integration very hard. In this scene, IEC61850 standard appears offering a standard to be followed by IED manufacturers. This research presents a IEC 61850 standard study and an analysis of its application in Substation Automation System. The proposed study will analise the standard through the most important topics used by the standard to reach its main goals: interoperability, free configuration and long-term stability. In the application analysis, a comparative with a protocol used nowadays and a implementation of protection functions will be presented. In the comparative between protocols the chosen was DNP3, one of most used protocols in electric plants, with the purpose of verifying the main diferences and advantages of each one. Two examples of protection functions implementation were chosen: breaker failure and reverse blocking, implemented through traditional techniques, using wires and electrical signals, and through high performance IEC 61850 services, with the purpose of analising their dynamics, their actuation times and their behavior in eventual failures.

Este trabalho tem como objetivo reunir, registrar, estudar e comparar as estratégias de controle utilizadas em inversores para fontes ininterruptas de energia, efetuado através de levantamento bibliográfico, englobando estratégias antigas (implementadas muitas vezes na forma analógica) e recentes (com implementação digital). É realizada comparação dos desempenhos, determinados analiticamente por modelamento e/ou por simulação computacional, entre algumas estratégias de controle. É apresentado um método para a implementação digital de um inversor monofásico para fontes ininterruptas de energia com transformador na saída. O método utilizado consiste de: Análise e modelagem dos controladores e planta, adotando-se critérios para o ajuste dos respectivos parâmetros; Simulação no modo de tempo contínuo; Roteiro da discretização para possibilitar implementação digital; Simulação em tempo discreto; Implementação em protótipo experimental. O controle é realizado com uma estratégia de múltiplas malhas, usando três malhas: uma malha interna de corrente usando controlador proporcional com compensação feedforward da perturbação da tensão de saída no controle da corrente e uma malha externa de tensão com um controlador proporcional + ressonante. Uma terceira malha de controle externa a malha de tensão é adicionada para prevenir a saturação do núcleo do transformador. O inversor é implementado através de um arranjo físico de baixa potência, possibilitando comparação dos resultados de simulação e experimentais. / This dissertation intends to collect, register, study and compare control strategies used in inverters for uninterrupted power supplies. Older control strategies, which use analogical control, as well as contemporary ones, which use digital control, were studied. A performance comparison between some strategies is made using analytical modeling and computational simulation. It is proposed a method for implementation of digital controller for a one-phase inverter with output transformer for uninterruptible power supplies applications. The method consists on: Analysis and modeling of plant and controllers, adopting criteria for parameters adjust; Continuous time computational simulation; Discretization guide for digital implementation; Discrete time computational simulation; Experimental prototype implementation. Control uses a multiloop approach, with three control loops: An internal current loop with proportional controller and feed-forward output voltage disturbance compensation, an external voltage loop using a proportional + resonant controller, and a third external loop to prevent the saturation of the output transformer. A low power experimental setup of the inverter is implemented, allowing comparison of simulated and experimental results.

Nos Sistemas de Automação de Subestação atuais são utilizados equipamentos digitais chamados IED (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes), incorporando as funções de proteção, automação e medição. Estes, para trocarem informações entre si, utilizam um canal de comunicação serial, sendo os dados transmitidos de forma digital por meio de vários protocolos, muitos deles proprietários, o que dificulta a integração entre eles. Neste cenário entra a norma IEC 61850 oferecendo um padrão a ser seguido entre os fabricantes de IED. Este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo da norma e a análise de sua aplicação no Sistema de Automação de Subestação. O estudo proposto da norma a analisará utilizando os principais conceitos estabelecidos por ela para atingir os objetivos propostos: interoperabilidade, liberdade de configuração e estabilidade a longo prazo. Como ensaio de aplicação da norma será apresentado um comparativo com um protocolo utilizado atualmente e a implementação de funções de proteção. No comparativo entre protocolos foi escolhido o DNP3, um dos mais utilizados atualmente no setor elétrico, com o objetivo de verificar as principais diferenças entre eles e vantagens de cada um. Para a implementação de funções de proteção foram escolhidos dois exemplos: a falha de disjuntor e o bloqueio reverso, implementadas da forma tradicional, por meio de sinais elétricos de comando transmitidos por cabos, e por meio dos serviços de mensagens prioritárias da IEC 61850, com o objetivo de analisar suas dinâmicas, seus tempos de atuação e o comportamento frente a eventuais defeitos. / In current Substation Automation System, digital equipaments called IED (Intelligent Electronic Devices) are used with protection, automation and measurement functions incorporated. These devices, to exchange information among them, use serial communication buses with information transmitted in digital form through many procotols, many of them proprietary, making their integration very hard. In this scene, IEC61850 standard appears offering a standard to be followed by IED manufacturers. This research presents a IEC 61850 standard study and an analysis of its application in Substation Automation System. The proposed study will analise the standard through the most important topics used by the standard to reach its main goals: interoperability, free configuration and long-term stability. In the application analysis, a comparative with a protocol used nowadays and a implementation of protection functions will be presented. In the comparative between protocols the chosen was DNP3, one of most used protocols in electric plants, with the purpose of verifying the main diferences and advantages of each one. Two examples of protection functions implementation were chosen: breaker failure and reverse blocking, implemented through traditional techniques, using wires and electrical signals, and through high performance IEC 61850 services, with the purpose of analising their dynamics, their actuation times and their behavior in eventual failures.

É importante que as redes elétricas tenham altos índices de confiabilidade, de forma a se manter a agilidade e a manutenção ideais para um melhor funcionamento. Por outro lado, o crescimento inesperado da carga, falhas em equipamentos e uma parametrização inadequada das funções de proteção tornam a análise de eventos de proteção mais complexas e demoradas. Além disso, a quantidade de informações que pode ser obtida de relés digitais modernos tem crescido constantemente. Para que seja possível uma rápida tomada de decisão e manutenção, esse projeto de pesquisa teve como objetivo a implementação de um sistema completo de diagnóstico que é ativado automaticamente quando um evento de proteção ocorrer. As informações a serem analisadas são obtidas de uma base de dados e de relés de proteção, via protocolo de comunicação IEC 61850 e arquivos de oscilografia. O trabalho aborda o sistema Smart Grid completo incluindo: a aquisição de dados nos relés, detalhando o sistema de comunicação desenvolvido através de um software com um cliente IEC61850 e um servidor OPC e um software com um cliente OPC, que é ativado por eventos configurados para dispará-lo (por exemplo, atuação da proteção); o sistema de pré-tratamento de dados, onde os dados provenientes dos relés e equipamentos de proteção são filtrados, pré-processados e formatados; e o sistema de diagnóstico. Um banco de dados central mantém atualizados os dados de todas essas etapas. O sistema de diagnóstico utiliza algoritmos convencionais e técnicas de inteligência artificial, em particular, um sistema especialista. O sistema especialista foi desenvolvido para lidar com diferentes conjuntos de dados de entrada e com uma possível falta de dados, sempre garantindo a entrega de diagnósticos. Foram realizados testes e simulações para curtos-circuitos (trifásico, dupla-fase, dupla-fase-terra e fase-terra) em alimentadores, transformadores e barras de uma subestação. Esses testes incluíram diferentes estados do sistema de proteção (funcionamento correto e impróprio). O sistema se mostrou totalmente eficaz tanto no caso de disponibilidade completa quanto parcial de informações, sempre fornecendo um diagnóstico do curto-circuito e analisando o funcionamento das funções de proteção da subestação. Dessa forma, possibilita-se uma manutenção muito mais eficiente pelas concessionárias de energia, principalmente no que diz respeito à prevenção de defeitos em equipamentos, rápida resposta a problemas, e necessidade de reparametrização das funções de proteção. O sistema foi instalado com sucesso em uma subestação de distribuição da Companhia Paulista de Força e Luz. / It is important that electrical networks have high levels of reliability in order to maintain the ideal agility and maintenance for better functioning. On the other hand, the often unexpected load growth, failures of protectionrelated equipment and inadequate parameterization of protection functions make the analyses of protection events more complex and time-consuming. Besides, the amount of information that can be retrieved from modern digital relays is constantly increasing. In order to aid a quick decision-making and maintenance practices, this research project aimed to implement a complete diagnosis system that is automatically activated whenever a protection-related event occurs. Information to be analyzed is obtained from a database and from the protection relays, via IEC 61850 communication protocol and oscillography files. The full smart grid system is addressed, including: the data acquisition and communication system developed through a software with an IEC61850 client and an OPC server and another software with an OPC client, which is activated by set triggering events (e.g. protection tripping); the data pre-processing system, in which the data is filtered, preprocessed and formatted; and the diagnostic system. A central database maintains updated all the data. For the diagnostic system, conventional algorithms and artificial intelligence techniques are applied; particularly, an expert system is implemented. The expert system was designed to deal with different sets of input information and uses different techniques to deal with a possible lack of data, always ensuring the delivery of diagnoses. Tests and simulations were performed for short-circuits (three-phase, phase-to-phase, double-phase-to-ground and phase-to-ground) on feeders, transformers and bus bars of a substation. These tests included different states of the protection system (proper functioning and malfunctioning). The diagnostic system proved to be fully effective under both complete and partial availability of information, always providing the fault diagnosis and the analysis of the protection functions. In brief, the system enables a much more efficient maintenance to power distribution utilities, especially when preventing equipment malfunctioning, quick responses towards system problems and the need to re-define some protection functions are required. It was successfully installed in a distribution substation of Companhia Paulista de Força e Luz, a Brazilian power distribution utility.

É importante que as redes elétricas tenham altos índices de confiabilidade, de forma a se manter a agilidade e a manutenção ideais para um melhor funcionamento. Por outro lado, o crescimento inesperado da carga, falhas em equipamentos e uma parametrização inadequada das funções de proteção tornam a análise de eventos de proteção mais complexas e demoradas. Além disso, a quantidade de informações que pode ser obtida de relés digitais modernos tem crescido constantemente. Para que seja possível uma rápida tomada de decisão e manutenção, esse projeto de pesquisa teve como objetivo a implementação de um sistema completo de diagnóstico que é ativado automaticamente quando um evento de proteção ocorrer. As informações a serem analisadas são obtidas de uma base de dados e de relés de proteção, via protocolo de comunicação IEC 61850 e arquivos de oscilografia. O trabalho aborda o sistema Smart Grid completo incluindo: a aquisição de dados nos relés, detalhando o sistema de comunicação desenvolvido através de um software com um cliente IEC61850 e um servidor OPC e um software com um cliente OPC, que é ativado por eventos configurados para dispará-lo (por exemplo, atuação da proteção); o sistema de pré-tratamento de dados, onde os dados provenientes dos relés e equipamentos de proteção são filtrados, pré-processados e formatados; e o sistema de diagnóstico. Um banco de dados central mantém atualizados os dados de todas essas etapas. O sistema de diagnóstico utiliza algoritmos convencionais e técnicas de inteligência artificial, em particular, um sistema especialista. O sistema especialista foi desenvolvido para lidar com diferentes conjuntos de dados de entrada e com uma possível falta de dados, sempre garantindo a entrega de diagnósticos. Foram realizados testes e simulações para curtos-circuitos (trifásico, dupla-fase, dupla-fase-terra e fase-terra) em alimentadores, transformadores e barras de uma subestação. Esses testes incluíram diferentes estados do sistema de proteção (funcionamento correto e impróprio). O sistema se mostrou totalmente eficaz tanto no caso de disponibilidade completa quanto parcial de informações, sempre fornecendo um diagnóstico do curto-circuito e analisando o funcionamento das funções de proteção da subestação. Dessa forma, possibilita-se uma manutenção muito mais eficiente pelas concessionárias de energia, principalmente no que diz respeito à prevenção de defeitos em equipamentos, rápida resposta a problemas, e necessidade de reparametrização das funções de proteção. O sistema foi instalado com sucesso em uma subestação de distribuição da Companhia Paulista de Força e Luz. / It is important that electrical networks have high levels of reliability in order to maintain the ideal agility and maintenance for better functioning. On the other hand, the often unexpected load growth, failures of protectionrelated equipment and inadequate parameterization of protection functions make the analyses of protection events more complex and time-consuming. Besides, the amount of information that can be retrieved from modern digital relays is constantly increasing. In order to aid a quick decision-making and maintenance practices, this research project aimed to implement a complete diagnosis system that is automatically activated whenever a protection-related event occurs. Information to be analyzed is obtained from a database and from the protection relays, via IEC 61850 communication protocol and oscillography files. The full smart grid system is addressed, including: the data acquisition and communication system developed through a software with an IEC61850 client and an OPC server and another software with an OPC client, which is activated by set triggering events (e.g. protection tripping); the data pre-processing system, in which the data is filtered, preprocessed and formatted; and the diagnostic system. A central database maintains updated all the data. For the diagnostic system, conventional algorithms and artificial intelligence techniques are applied; particularly, an expert system is implemented. The expert system was designed to deal with different sets of input information and uses different techniques to deal with a possible lack of data, always ensuring the delivery of diagnoses. Tests and simulations were performed for short-circuits (three-phase, phase-to-phase, double-phase-to-ground and phase-to-ground) on feeders, transformers and bus bars of a substation. These tests included different states of the protection system (proper functioning and malfunctioning). The diagnostic system proved to be fully effective under both complete and partial availability of information, always providing the fault diagnosis and the analysis of the protection functions. In brief, the system enables a much more efficient maintenance to power distribution utilities, especially when preventing equipment malfunctioning, quick responses towards system problems and the need to re-define some protection functions are required. It was successfully installed in a distribution substation of Companhia Paulista de Força e Luz, a Brazilian power distribution utility.