Este trabalho apresenta uma metodologia computacional para coordenação automática de dispositivos de proteção contra sobrecorrente em sistemas elétricos industriais radiais, tendo como principais vantagens a exatidão nos cálculos dos ajustes e a proposição automática de soluções para eventuais problemas de coordenação, sempre que possível. A metodologia é utilizada tanto para proteção individual contra sobrecorrente dos equipamentos quanto para coordenação dos dispositivos de proteção do sistema. É feito um estudo detalhado dos requisitos de proteção de sobrecorrente dos equipamentos empregados em sistemas elétricos industriais, como motor, cabo e transformador, bem como dos dispositivos mais utilizados, fusível e disjuntor de baixa tensão, com ênfase para a proteção por meio de relés digitais de sobrecorrente. O método é usado para o desenvolvimento de uma ferramenta computacional. Há uma exposição dos algoritmos utilizados para busca e cálculo dos ajustes dos dispositivos de cada equipamento. Por fim é realizado um teste da ferramenta com dois exemplos de sistemas elétricos industriais, mostrando que o mesmo apresenta bom desempenho quanto à exatidão no cálculo dos ajustes e na redução do tempo despendido em estudos de coordenação da proteção e seletividade. / This work presents a computational methodology for automatic overcurrent coordination of protection devices in radial industrial electrical systems, which main advantages are the accuracy in the devices\' settings calculation and the automatic proposition of solutions to coordination problems, whenever it is possible. The methodology is used both for equipment individual overcurrent protection and for protection devices coordination. A detailed study of the overcurrent protection requirements of the equipments used in industrial electrical systems, such as motor, cable and transformer is carried out, as well as of the most used protection devices, fuses and low voltage circuit breaker, with emphasis on the protection by means of overcurrent digital relays. The method is used to develop a computational tool. There is an explanation of the search and settings calculation algorithms applied to the devices of each equipment. Finally, two examples of industrial electrical systems are used to assess the performance of the proposed methodology. It is shown that it presents good performance on the accuracy in the calculation of the devices settings and on amount of time spent on protection coordination and selectivity studies.

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.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.

Submitted by Maria Aparecida (cidazen@gmail.com) on 2017-08-24T15:00:02Z No. of bitstreams: 1 Ronnie.pdf: 3320281 bytes, checksum: 56be4f928c1366ece428d2ae6caf9627 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-24T15:00:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ronnie.pdf: 3320281 bytes, checksum: 56be4f928c1366ece428d2ae6caf9627 (MD5) Previous issue date: 2012-08-31 / This work aims to monitor and analyze the data from the instrumentation system of a substation as a way to identify false alarms, which can result in a decision by the mistaken maintenance and operation. This project was conceived because of the need for a research and development project which is called Maintenance Management Center (MMC) whose overall objective is to assist in the maintenance of their equipment operational intervention. Data is extracted from the automation system that has digital relay protection function and measurement of the electric grid, passing through a sequence of data processing to achieve the results that will serve for the detection and diagnosis of faults. We applied methods based on quantitative model by transforming the data system of continuous variables (SVC) and qualitative data by transforming the system of discrete event (SDE) applying analytical redundancy techniques and neural networks respectively, thus aiming a simplified model for detection and diagnosis fault (DDF). The model has been designed taking into account the characteristics DDF due to its stages, thereby providing a good system failure recovery. Know filter if certain event is real or a false alarm is not an easy task, but this system will have to meet this purpose. Technological resources are used fairly consolidated in the industrial process for the integration of the solution, because the time factor and information processing are critical in the results generated by the system recovery. Another key point of this trial was to have developed a system based on experiential knowledge, because it has higher robustness in results. / Este trabalho tem como objetivo monitorar e analisar os dados provenientes do sistema de instrumentação de uma subestação como forma de identificar falsos alarmes, que pode acarretar em uma tomada de decisão equivocada por parte da manutenção e operação. Este projeto foi concebido devido à necessidade de um projeto de pesquisa e desenvolvimento que se intitula Centro de Gestão da Manutenção (CGM) cujo objetivo global é auxiliar a manutenção na intervenção operacional de seus equipamentos. Os dados são extraídos do sistema de automação provenientes dos reles digitais que tem função de proteção e medição da rede elétrica, passando por um sequencia de transformação dos dados até chegar aos resultados, que servirá para detecção e diagnostico de falhas. Foram aplicados métodos baseados no modelo quantitativo através da transformação dos dados do sistema de variáveis contínuas (SVC) e qualitativo através da transformação dos dados do sistema de eventos discretos (SED) aplicando técnicas de redundância analítica e redes neurais respectivamente, objetivando assim um modelo simplificado para detecção e diagnóstico da falha (DDF). O modelo foi concebido levando em consideração as características DDF decorrente de suas etapas, propiciando assim um bom sistema de recuperação de falha. Saber filtrar se determinado evento é real ou um falso alarme não é uma tarefa fácil, porém este sistema terá que atender este propósito. Foram utilizados recursos tecnológicos bastante consolidados no processo industrial para garantir a integração da solução, pois o fator tempo e o processamento da informação são decisivos nos resultados gerados pelo sistema de recuperação. Outro ponto fundamental neste trabalho foi ter desenvolvido um sistema baseado no conhecimento experimental, pois se tem maior robustez nos resultados.

Com o objetivo de orientar e agilizar a busca do local de curto circuitos em redes primárias aéreas de distribuição de energia, esta pesquisa propõe uma metodologia para localização de áreas com maior probabilidade de ser sede do defeito, utilizando variáveis Heurísticas. A metodologia Heurística se aplica em problemas que envolvem variáveis com incertezas, que podem ser avaliadas por meio de recursos empíricos e na experiência de especialistas. Dentre as variáveis influentes no cálculo de curto circuito, foram consideradas como mais relevantes: a resistência de defeito, a tensão pré falta, a impedância do sistema equivalente a montante da subestação e a impedância da rede. A metodologia proposta se fundamenta no conhecimento das correntes e tensões oscilografadas no barramento da subestação por ocasião da ocorrência de um curto circuito e, por outro lado no pré-calculo de correntes de curto circuito heurísticas ao longo da rede. No âmbito da pesquisa foram realizados testes de campo para levantamento da variável heurística resistência de defeito, resumidos neste texto e documentados no CD - ROM em anexo. Foi desenvolvido um software que permitiu a efetiva aplicação da proposta desta pesquisa em vários alimentadores de uma Distribuidora, cujos resultados comprovaram a eficiência da metodologia. / With the aim of guiding and speeding up the search of a short circuits place in primary networks of energy distribution this research proposes a methodology for locating higher probability areas of fault, making use of Heuristic variables. The Heuristic methodology is applied in problems that involve variables with uncertainties, which can be evaluated with empirical tools and specialists experience. Among the influential variables in the short circuit calculation, as most relevant were considered: the faults resistance, the pre fault tension, the equivalent system impedance upstream of the substation and the electrical grid impedance. The proposed methodology relies on the knowledge of currents and tensions oscillografed in the substation bus in consequence of a short circuit and, in another way on the pre calculation of heuristic short circuit currents along the grid. In the research scope field tests were performed with the aim of collecting the fault resistance heuristic variable, resumed in this text and documented on the CD-ROM attached. A software that allowed the actual implementation of this researchs purpose in various feeders of a distributor has been developed, with results that confirmed the efficiency of this methodology.

Com o objetivo de orientar e agilizar a busca do local de curto circuitos em redes primárias aéreas de distribuição de energia, esta pesquisa propõe uma metodologia para localização de áreas com maior probabilidade de ser sede do defeito, utilizando variáveis Heurísticas. A metodologia Heurística se aplica em problemas que envolvem variáveis com incertezas, que podem ser avaliadas por meio de recursos empíricos e na experiência de especialistas. Dentre as variáveis influentes no cálculo de curto circuito, foram consideradas como mais relevantes: a resistência de defeito, a tensão pré falta, a impedância do sistema equivalente a montante da subestação e a impedância da rede. A metodologia proposta se fundamenta no conhecimento das correntes e tensões oscilografadas no barramento da subestação por ocasião da ocorrência de um curto circuito e, por outro lado no pré-calculo de correntes de curto circuito heurísticas ao longo da rede. No âmbito da pesquisa foram realizados testes de campo para levantamento da variável heurística resistência de defeito, resumidos neste texto e documentados no CD - ROM em anexo. Foi desenvolvido um software que permitiu a efetiva aplicação da proposta desta pesquisa em vários alimentadores de uma Distribuidora, cujos resultados comprovaram a eficiência da metodologia. / With the aim of guiding and speeding up the search of a short circuits place in primary networks of energy distribution this research proposes a methodology for locating higher probability areas of fault, making use of Heuristic variables. The Heuristic methodology is applied in problems that involve variables with uncertainties, which can be evaluated with empirical tools and specialists experience. Among the influential variables in the short circuit calculation, as most relevant were considered: the faults resistance, the pre fault tension, the equivalent system impedance upstream of the substation and the electrical grid impedance. The proposed methodology relies on the knowledge of currents and tensions oscillografed in the substation bus in consequence of a short circuit and, in another way on the pre calculation of heuristic short circuit currents along the grid. In the research scope field tests were performed with the aim of collecting the fault resistance heuristic variable, resumed in this text and documented on the CD-ROM attached. A software that allowed the actual implementation of this researchs purpose in various feeders of a distributor has been developed, with results that confirmed the efficiency of this methodology.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This dissertation presents the development of methodologies that aim to reduce the effect of distributed generation sources in the protection of electric power systems. First were analyzed problems associated with integration of Distributed Generation sources in electric power systems, focusing on the influence of these sources in protecting these systems. Considering the problem associated with increased short circuit current and its resulting influence on overcurrent, it's developed a methodology that aims to restore the coordination of such devices by inserting fault current limiters together with sources of GD installed. In a second step is developed a method for allocation of fault current limiters in distribution systems for which insertion of source GD does not cause a miscoordination between fuses and reclosers. This methodology uses genetic algorithms and aims to determine the installation location and sizing of limiters. Coordination between the fuses and also between these and reclosers is verified, and if necessary, it is suggested to replace equipment that was overloaded. The developed methodologies aimed at minimizing the cost of replacing equipment and limiters so that the limiters are allocated considering not only the optimal location and sizing, as well as the number of devices to be replaced. / Essa dissertação apresenta o desenvolvimento de metodologias que visam reduzir o efeito da inserção de fontes de Geração Distribuída na proteção de sistemas elétricos de potência. Primeiramente foram analisados problemas associados à inserção das fontes de Geração Distribuída em sistemas elétricos de potência, focando na influência dessas fontes na proteção desses sistemas. Considerando o problema associado ao aumento da corrente de curto-circuito e sua consequente influência nos relés de sobrecorrente, desenvolve-se uma metodologia que visa restaurar a coordenação desses dispositivos através da inserção de limitadores de corrente de falta juntamente com as fontes de GD instaladas. Em um segundo momento desenvolveu-se um método para a alocação dos limitadores de corrente de falta em sistemas de distribuição para que a inserção das fontes de GD não cause uma descoordenação entre elos-fusíveis e religadores. Essa metodologia faz uso de algoritmos genéticos e visa determinar o local de instalação e o dimensionamento dos limitadores. Verifica-se a coordenação entre os elos fusíveis e também entre elos e religador, e se necessário, sugere-se para substituição de equipamentos superados. As metodologias desenvolvidas têm como objetivo a minimização dos custos de limitadores e a substituição de equipamentos de forma que os limitadores são alocados considerando-se não só o local e dimensionamento ótimos, como também o número de dispositivos a serem substituídos.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Caneloi dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2017. / O Sistema Elétrico de Potência (SEP) possui como função básica fornecer energia elétrica aos consumidores, com qualidade adequada e no instante em que for solicitada. Os eventos de falta no SEP, podem resultar em problemas de qualidade e confiabilidade no fornecimento de energia, tornando necessária a correta detecção, classificação e localização destes eventos. Além da complexidade inerente a realização dessas tarefas, a inserção de Geração Distribuída (GD) no SEP traz novos desafios para as funções de proteção, devido à bidirecionalidade do fluxo de potência resultante. Dessa maneira, para contextualizar esse cenário, esta pesquisa apresenta alguns métodos propostos na literatura para a detecção, classificação e localização de faltas em SEPs, considerando ou não a presença da GD. Nesse sentido, como foco principal deste trabalho, propõe-se um sistema inteligente baseado em redes neurais artificiais (RNAs) para detecção, classificação e localização de faltas em SEPs. O esquema proposto utiliza os valores de tensão pós-falta nas barras do sistema para determinar as seguintes informações, em caso de falta: a) a linha transmissão (LT) com defeito; b) o tipo de defeito; c) a localização do defeito na LT previamente identificada. As RNAs do esquema proposto foram treinadas para os diferentes tipos de falta que podem ocorrer ao longo das LTs, considerando diversos valores de resistência de falta. A principal característica deste algoritmo é dispensar complexas formulações e análises de fluxo de potência para a detecção, classificação e localização de faltas nas LTs de um SEP, mesmo frente aos desafios trazidos pela inserção da GD. Para validar o esquema proposto foram utilizadas centenas de novos casos de falta, considerando diversas situações operativas em três diferentes SEPs (sistema base de 4 barras, IEEE de 9 barras e IEEE de 14 barras). Os resultados revelam que o esquema proposto é capaz de identificar corretamente o trecho de linha com defeito, classificar o tipo de falta que ocorreu, bem como apontar o local exato da falta, utilizando como entrada somente os valores de tensão medidos nas barras do sistema elétrico de potência / The basic function of the Electric Power System (EPS) is to provide high-quality power supply to consumers whenever demand occurs. However, fault events on the EPS can cause problems of quality and reliability in the power supply requiring schemes to correctly detect, classify and locate these events. In addition to the inherent complexity in performing these schemes, the penetration of Distributed Generation (DG) in the EPS brings new challenges to the protection functions due to the resulting bi-directional power flow capabilities. Thus, in order to contextualize this scenario, this research presents some methods proposed in the literature for the detection, classification and location of faults in the EPS, considering or not the presence of DG. In this sense, as the main focus of this work, it is proposed an intelligent system based on artificial neural networks (ANNs) to detect, classify and locate faults in the EPS. The proposed scheme uses the post-fault voltage values in the system buses to determine, in the event of a fault, the following information: a) the transmission line (TL) where the fault occurred; b) the type of fault; and c) the location point of the fault in the previously identified TL. The ANNs of the proposed scheme were trained for different types of fault that can occur along the TLs and considering several values of fault resistances. The main characteristic of this algorithm is to dispense with complex formulations and power flow analysis for detection, classification and location of faults in TLs of the EPS, even in the face of challenges brought by the presence of DG. To confirm the validity of the proposed scheme, hundreds of new fault cases were used considering several operating situations from three different EPSs (IEEE 4-bus system, IEEE 9-bus system and IEEE 14-bus system). The results show that the proposed scheme is able to properly identify the line segment with fault, to classify the type of fault that occurred, as well as to indicate the exact location point of the fault, using as input only the voltage values measured in the buses of the electric power system

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis proposes an Intelligent Alarm Processor for fault diagnosis in electrical power systems. The objective is to develop a methodology for automatic fault analysis using reported alarms from Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) to allow the use of diagnosis systems in large power systems. The proposal can be used in real-time decision support systems to assist control center‟s operators during the decision-making after unscheduled contingencies with relevant information to power system restoration. This work expects to contribute to the development of advanced alarm management logics that allow modifying the chronological sequence of reported alarms, event mapping and the generation of operating patterns of protection systems according to topology network. Still, mathematical programming models have been formulated as a parsimonious set covering problem to fault section estimation and identification of protective devices with improper operation. Among these models, it stands out the model that deals with integrated analysis of reported alarms, events and diagnosis that better explain the alarms. The proposed approach has been tested in different portions of the Southern Brazilian power system. The results show that alarm processing allows the practical implementation of intelligent diagnosis methods in existing supervisory systems. The proposed diagnosis methods show better performance and accurate solutions than other methods presented in literature. / Esta tese propõe um Processador Inteligente de Alarmes para diagnóstico de faltas em sistemas elétricos de potência. O objetivo é desenvolver uma metodologia para a análise automática de faltas a partir dos alarmes reportados no sistema de supervisão e aquisição de dados (SCADA) que possibilite o uso de métodos de diagnóstico em sistemas de potência de grande porte. Essa proposta pode ser empregada em sistemas de apoio à decisão em tempo real, que auxiliem operadores de centros de controle do sistema (COS) na tomada de decisão após desligamentos não programados, com informações pertinentes para o restabelecimento do sistema. O trabalho espera contribuir com o desenvolvimento de lógicas avançadas de gerenciamento de alarmes que possibilitem a reordenação cronológica dos alarmes reportados, o mapeamento dos eventos e a geração de padrões de funcionamento de sistemas de proteção de acordo à topologia da rede. Além disso, os modelos de programação matemática foram formulados como um problema de recobrimento de conjuntos parcimonioso, para estimação da seção em falta e identificação dos dispositivos de proteção com atuação indevida. Dentre esses modelos, destaca-se o modelo que analisa, de forma integrada, os alarmes reportados e determina os eventos e diagnósticos que melhor explicam os alarmes. A abordagem proposta foi testada em diferentes porções do sistema sul do sistema interligado nacional (SIN). Os resultados mostram que as rotinas desenvolvidas para o processamento de alarmes permite a implantação prática de métodos inteligentes de diagnóstico em sistemas supervisórios existentes. Os métodos propostos para diagnóstico de faltas mostraram desempenhos e precisão nos resultados superiores a outros métodos presentes na literatura.

Orientador: Fábio Bertequini Leão / Resumo: Este trabalho apresenta modelos de programação não linear e linear inteira binária como novos métodos para resolver o problema de diagnóstico de faltas em sistemas de transmissão de energia elétrica. Os modelos de otimização são desenvolvidos com base no conjunto de coberturas mínimas e possui como restrições as equações que descrevem a lógica e a filosofia de proteção empregadas por empresas de energia elétrica. As equações de restrições modelam a associação dos alarmes dos relés de proteção informados pelo sistema de supervisão e aquisição de dados (SCADA) com os estados esperados das funções dos relés de proteção. Os modelos de programação matemática realizam o diagnóstico de falta em uma única etapa, identificando a seção em falta através da análise dos estados dos disjuntores e das funções de proteção associadas a cada equipamento do sistema elétrico. O modelo proposto é um problema muito complexo de programação não linear inteira binária, portanto é reformulado como outro problema, em que algumas expressões são linearizadas, o que resulta em um modelo matemático de programação linear inteiro binário. A solução ótima obtida pelo modelo proposto é encontrada utilizando solvers comerciais de programação matemática. Os resultados obtidos mostram eficiência e robustez do modelo matemático. Na literatura, o problema de diagnóstico de falta é resolvido principalmente por técnicas heurísticas, portanto, o método proposto é inovador. / Doutor