Este trabalho apresenta um esquema de proteção direcional para sistemas de transmissão, baseado na utilização de redes neurais artificiais, tentando solucionar as principais limitações dos esquemas então existentes. As redes neurais artificiais constituem uma nova ferramenta para a proteção, onde várias das limitações apresentadas pelos esquemas convencionais podem ser solucionadas. A escolha desta abordagem para a proteção das linhas de transmissão é uma decisão fundamentada principalmente na capacidade de generalização e abstração inerentes às redes neurais artificiais. Estas características, se bem exploradas, podem prover uma alta qualidade de resposta, aliada a uma elevada velocidade de decisão. Outro fator de interesse é que, dependendo de como se realizar o treinamento da rede, poderia gerar-se metodologias de proteção capaz de suportar com eficiência mudanças na configuração do sistema. Isto geraria possibilidade de diagnósticos de falta com adequada confiabilidade que por sua vez não dependeria da configuração do sistema em si. O esquema de proteção proposto, foi simulado utilizando os softwares Alternative Transients Program (ATP) e Stuttgart Neural Network Simulator (SNNS). Também programas em Fortran foram desenvolvidos (filtro digital, reamostragem, identificação do ponto de ocorrência de falta, etc.) de forma a se representar adequadamente as condições reais de funcionamento do esquema de proteção. Testes simulando as mais diversas condições de falta foram realizados, de forma a se verificar a eficiência do esquema proposto. Os resultados demonstraram a capacidade da metodologia proposta de analisar corretamente os padrões provenientes de situações faltosas mesmo quando não vistas na fase de treinamento. Desta forma configurou-se um alto grau de generalização e abstração do esquema. / This work presents a directional protection scheme for transmission systems, that uses artificial neural networks, and try to solve the main limitations of existing schemes. The artificial neural networks are a new tool for protection, were many of the limitations of conventional schemes can be solved. The choice of this approach for transmission fines protection is a decision based mainly on the capability of generalization and abstraction inherent to the artificial neural networks. These characteristics, if well explored, can provide a response of high quality, together with a high speed of decision. Another interesting Jactar is that, depending on how the learning on the artificial neural network is made, it can generate a protection methodology capable of supporting efficiently changes on the system configuration. This can generate reliable fault diagnostics, which is independent on network configuration. The proposed protection scheme was simulated using softwares like \"Alternative Transients Program\" (ATP) and \"Stuttgart Neural Network Simulator\" (SNNS). Other programs were written in Fortran (digital filter, resampling of data, fault poinf identification, etc.) in a way to correctly represent the real working conditions of the protection scheme. Tests simulating several fault conditions were made, in a way to verify the efficiency of the proposed scheme. The results demonstrate the capability of the proposed methodology of correctly analyzing the patterns generated from fault conditions even when not seen on the learning stage. In that way a high degree of generalization and abstraction of the scheme were configured.

Este trabalho apresenta uma análise e estudo comparativo de algumas técnicas de filtragem digital para obtenção dos componentes fundamentais (60 Hz) dos sinais de tensão e corrente de uma linha de transmissão de energia sob condição de curto-circuito. Este estudo é de importância fundamental para o desenvolvimento de algoritmos aplicados a proteção digital de sistemas elétricos de potência. As técnicas estudadas são baseadas na teoria da Transformada Discreta de Fourier, funções Walsh e na teoria do filtro de Kalman. Foram dados dois enfoques ao estudo: no primeiro, são analisadas as técnicas não recursivas, com a implementação dos filtros baseados na teoria de Fourier e funções Walsh e, no segundo são analisadas as técnicas recursivas, com a implementação dos filtros baseados na teoria do filtro de Kalman e novamente na teoria de Fourier. / This work introduces an analysis and a comparative study of some of the techniques for digital filtering of the voltage and current waveforms from faulted transmission lines. This study is of fundamental importance for the development of algorithms applied to digital protection of electric power systems. The techniques studied are based on the Discret Fourier Transform theory, the Walsh functions and the Kalman filter theory. Two aspects were emphasised in this study: Firstly, the non-recursive techniques were analysed, with the implementation of filters based on the Fourier theory and the Walsh functions. Secondly, recursive techniques were analysed, with the implementation of the filters based on the Kalman theory and once more on the Fourier theory.

Este trabalho apresenta uma análise e estudo comparativo de algumas técnicas de filtragem digital para obtenção dos componentes fundamentais (60 Hz) dos sinais de tensão e corrente de uma linha de transmissão de energia sob condição de curto-circuito. Este estudo é de importância fundamental para o desenvolvimento de algoritmos aplicados a proteção digital de sistemas elétricos de potência. As técnicas estudadas são baseadas na teoria da Transformada Discreta de Fourier, funções Walsh e na teoria do filtro de Kalman. Foram dados dois enfoques ao estudo: no primeiro, são analisadas as técnicas não recursivas, com a implementação dos filtros baseados na teoria de Fourier e funções Walsh e, no segundo são analisadas as técnicas recursivas, com a implementação dos filtros baseados na teoria do filtro de Kalman e novamente na teoria de Fourier. / This work introduces an analysis and a comparative study of some of the techniques for digital filtering of the voltage and current waveforms from faulted transmission lines. This study is of fundamental importance for the development of algorithms applied to digital protection of electric power systems. The techniques studied are based on the Discret Fourier Transform theory, the Walsh functions and the Kalman filter theory. Two aspects were emphasised in this study: Firstly, the non-recursive techniques were analysed, with the implementation of filters based on the Fourier theory and the Walsh functions. Secondly, recursive techniques were analysed, with the implementation of the filters based on the Kalman theory and once more on the Fourier theory.

Este trabalho apresenta um esquema de proteção direcional para sistemas de transmissão, baseado na utilização de redes neurais artificiais, tentando solucionar as principais limitações dos esquemas então existentes. As redes neurais artificiais constituem uma nova ferramenta para a proteção, onde várias das limitações apresentadas pelos esquemas convencionais podem ser solucionadas. A escolha desta abordagem para a proteção das linhas de transmissão é uma decisão fundamentada principalmente na capacidade de generalização e abstração inerentes às redes neurais artificiais. Estas características, se bem exploradas, podem prover uma alta qualidade de resposta, aliada a uma elevada velocidade de decisão. Outro fator de interesse é que, dependendo de como se realizar o treinamento da rede, poderia gerar-se metodologias de proteção capaz de suportar com eficiência mudanças na configuração do sistema. Isto geraria possibilidade de diagnósticos de falta com adequada confiabilidade que por sua vez não dependeria da configuração do sistema em si. O esquema de proteção proposto, foi simulado utilizando os softwares Alternative Transients Program (ATP) e Stuttgart Neural Network Simulator (SNNS). Também programas em Fortran foram desenvolvidos (filtro digital, reamostragem, identificação do ponto de ocorrência de falta, etc.) de forma a se representar adequadamente as condições reais de funcionamento do esquema de proteção. Testes simulando as mais diversas condições de falta foram realizados, de forma a se verificar a eficiência do esquema proposto. Os resultados demonstraram a capacidade da metodologia proposta de analisar corretamente os padrões provenientes de situações faltosas mesmo quando não vistas na fase de treinamento. Desta forma configurou-se um alto grau de generalização e abstração do esquema. / This work presents a directional protection scheme for transmission systems, that uses artificial neural networks, and try to solve the main limitations of existing schemes. The artificial neural networks are a new tool for protection, were many of the limitations of conventional schemes can be solved. The choice of this approach for transmission fines protection is a decision based mainly on the capability of generalization and abstraction inherent to the artificial neural networks. These characteristics, if well explored, can provide a response of high quality, together with a high speed of decision. Another interesting Jactar is that, depending on how the learning on the artificial neural network is made, it can generate a protection methodology capable of supporting efficiently changes on the system configuration. This can generate reliable fault diagnostics, which is independent on network configuration. The proposed protection scheme was simulated using softwares like \"Alternative Transients Program\" (ATP) and \"Stuttgart Neural Network Simulator\" (SNNS). Other programs were written in Fortran (digital filter, resampling of data, fault poinf identification, etc.) in a way to correctly represent the real working conditions of the protection scheme. Tests simulating several fault conditions were made, in a way to verify the efficiency of the proposed scheme. The results demonstrate the capability of the proposed methodology of correctly analyzing the patterns generated from fault conditions even when not seen on the learning stage. In that way a high degree of generalization and abstraction of the scheme were configured.

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de \"software\" para proteção digital das linhas de transmissão. Com esse propósito são implementados relés de distância com características quadrilaterais e adaptativas. Um \"software\" básico para este fim consiste de várias etapas como: detecção da falta, filtragem digital, classificação da falta, cálculo da impedância aparente e verificação das zonas de proteção. Na etapa de filtragem digital das ondas, é utilizada a Transformada Discreta de Fourier (TDF) para a extração dos componentes fundamentais de tensão e corrente. A característica quadrilateral mostra-se eficiente para determinadas condições de operação fixas do sistema, mas seu desempenho é comprometido quando ocorrem mudanças das mesmas. Para solucionar este problema, é introduzida a teoria de relés adaptativos onde a característica de abertura do relé digital muda com as alterações nas condições de operação do sistema, mantendo-se assim a eficiência da proteção. / The objective of this work is the development of a software for digital protection of transmission lines. For this purpose relays of distance with Quadrilateral and Adaptive characteristics are implemented. A basic software with this aim consists of several steps such as: detection of the fault, digital filtering of the faulted waves, classification of the fault, impedance calculation and verification of the protection zones. For the digital filtering purpose, the Fourier Discret Transform, is used in order to extract the fundamental phasors of voltages and currents. Quadrilateral characteristcs are shown to be effective under certain operation conditions of the system, but its performance is not so efficient when those conditions are changed. In order to solve these problems, the theory of adaptive relays was introduced whereby the characteristic of digital relay changes according to the alterations in the conditions of the system operation, and by these means the protection is kept efficient.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um algoritmo baseado na modelagem do sistema de transmissão por meio de equações diferenciais, formuladas através dos parâmetros resistência e indutância da linha de transmissão a ser protegida. Nesta abordagem não é necessário que a entrada do algoritmo seja puramente senoidal, admitindo-se a presença de harmônicos e componentes CC presentes na falta como parte da solução do problema. Utilizou-se o software ATP para a modelagem do sistema elétrico estudado e a obtenção do conjunto de dados para análise e testes, permitindo-se a representação detalhada da linha de transmissão por meio das características dos condutores e suas respectivas disposições geométricas nas torres de transmissão, além da modelagem das diversas manobras e defeitos que os afetam, buscando-se uma aproximação com uma situação real. Com relação ao uso direto das equações diferenciais para a tarefa de proteção das linhas, constatou-se que sua aplicação não produz uma estimativa aceitável para ser usada em relés digitais por possuírem convergência em tempos normalmente superiores a dois ciclos. Assim, foi feita uma filtragem das respostas do algoritmo, proporcionando-se um diagnóstico mais rápido das estimativas. Para isso foi usado um filtro de mediana de 5ª ordem para o cálculo da localização da falta. Para todos os tipos de falta testados, a estimativa da localização da falta com o uso do referido filtro mostrou-se altamente satisfatória para a finalidade de proteção, convergindo em menos de um ciclo e meio de pós-falta, após a filtragem das estimativas, imprimindo maior velocidade de resposta para os relés digitais. / The present work shows the development of an algorithm based on the modeling of the transmission system utilizing differential equations. The differential equation for the line is solved having its resistance and inductance as parameters. In this approach there is no need for the algorithm inputs to be pure sinusoidal, allowing the presence of harmonic and DC components in the line as a part of the solution to the problem. The software ATP was utilized for the modeling of the electric system under study as well as data collection for analysis and tests. This representation allowed a detailed representation of the transmission line through the characteristics of the conductors and its geometrical disposition in the transmission towers, as well as the simulation of faults that usually affect the electric system, reproducing a realistic situation. The direct use of differential equations do not give an acceptable estimation as far as digital relays are concerned because they have convergence times over two cycles. In this sense, a 5th order median filter was utilized, providing faster diagnosis for the fault location estimation. The estimation of the fault location has proved to be a coherent criteria for the algorithm. For the fault types tested, the estimation for the fault location utilizing line parameters has shown itself highly satisfactory for protection purposes. This work has shown that the algorithm oulputs converge in less than 1 and a half cycles afler the fault occurrence, presenting a much faster response for digital relays.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um algoritmo baseado na modelagem do sistema de transmissão por meio de equações diferenciais, formuladas através dos parâmetros resistência e indutância da linha de transmissão a ser protegida. Nesta abordagem não é necessário que a entrada do algoritmo seja puramente senoidal, admitindo-se a presença de harmônicos e componentes CC presentes na falta como parte da solução do problema. Utilizou-se o software ATP para a modelagem do sistema elétrico estudado e a obtenção do conjunto de dados para análise e testes, permitindo-se a representação detalhada da linha de transmissão por meio das características dos condutores e suas respectivas disposições geométricas nas torres de transmissão, além da modelagem das diversas manobras e defeitos que os afetam, buscando-se uma aproximação com uma situação real. Com relação ao uso direto das equações diferenciais para a tarefa de proteção das linhas, constatou-se que sua aplicação não produz uma estimativa aceitável para ser usada em relés digitais por possuírem convergência em tempos normalmente superiores a dois ciclos. Assim, foi feita uma filtragem das respostas do algoritmo, proporcionando-se um diagnóstico mais rápido das estimativas. Para isso foi usado um filtro de mediana de 5ª ordem para o cálculo da localização da falta. Para todos os tipos de falta testados, a estimativa da localização da falta com o uso do referido filtro mostrou-se altamente satisfatória para a finalidade de proteção, convergindo em menos de um ciclo e meio de pós-falta, após a filtragem das estimativas, imprimindo maior velocidade de resposta para os relés digitais. / The present work shows the development of an algorithm based on the modeling of the transmission system utilizing differential equations. The differential equation for the line is solved having its resistance and inductance as parameters. In this approach there is no need for the algorithm inputs to be pure sinusoidal, allowing the presence of harmonic and DC components in the line as a part of the solution to the problem. The software ATP was utilized for the modeling of the electric system under study as well as data collection for analysis and tests. This representation allowed a detailed representation of the transmission line through the characteristics of the conductors and its geometrical disposition in the transmission towers, as well as the simulation of faults that usually affect the electric system, reproducing a realistic situation. The direct use of differential equations do not give an acceptable estimation as far as digital relays are concerned because they have convergence times over two cycles. In this sense, a 5th order median filter was utilized, providing faster diagnosis for the fault location estimation. The estimation of the fault location has proved to be a coherent criteria for the algorithm. For the fault types tested, the estimation for the fault location utilizing line parameters has shown itself highly satisfactory for protection purposes. This work has shown that the algorithm oulputs converge in less than 1 and a half cycles afler the fault occurrence, presenting a much faster response for digital relays.

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de \"software\" para proteção digital das linhas de transmissão. Com esse propósito são implementados relés de distância com características quadrilaterais e adaptativas. Um \"software\" básico para este fim consiste de várias etapas como: detecção da falta, filtragem digital, classificação da falta, cálculo da impedância aparente e verificação das zonas de proteção. Na etapa de filtragem digital das ondas, é utilizada a Transformada Discreta de Fourier (TDF) para a extração dos componentes fundamentais de tensão e corrente. A característica quadrilateral mostra-se eficiente para determinadas condições de operação fixas do sistema, mas seu desempenho é comprometido quando ocorrem mudanças das mesmas. Para solucionar este problema, é introduzida a teoria de relés adaptativos onde a característica de abertura do relé digital muda com as alterações nas condições de operação do sistema, mantendo-se assim a eficiência da proteção. / The objective of this work is the development of a software for digital protection of transmission lines. For this purpose relays of distance with Quadrilateral and Adaptive characteristics are implemented. A basic software with this aim consists of several steps such as: detection of the fault, digital filtering of the faulted waves, classification of the fault, impedance calculation and verification of the protection zones. For the digital filtering purpose, the Fourier Discret Transform, is used in order to extract the fundamental phasors of voltages and currents. Quadrilateral characteristcs are shown to be effective under certain operation conditions of the system, but its performance is not so efficient when those conditions are changed. In order to solve these problems, the theory of adaptive relays was introduced whereby the characteristic of digital relay changes according to the alterations in the conditions of the system operation, and by these means the protection is kept efficient.

Neste trabalho, é apresentado e discutido um novo modelo para proteção de Linhas de Transmissão. O sistema proposto executa, individualmente, as etapas tradicionais da filosofia de proteção de distância: detecção, classificação e localização. Este modelo emprega Estatísticas de Ordem Superior (EOS) como ferramenta de extração de características, para posterior aplicação das Redes Neurais Artificiais (RNAs). As RNAs são responsáveis pelas tomadas de decisões do sistema, no sentido de identificar a ocorrência da falta e o tipo da mesma, além de localizar a falta no que tange às zonas de proteção consideradas. O processamento com tais estatísticas é responsável pela transformação dos dados para um domínio onde as diferentes faltas são evidenciadas através de agrupamentos de dados (padrões). O banco de dados disponível com sinais elétricos de LTs em condições de falta é utilizado para cálculo das estatísticas e o posterior treinamento supervisionado (e validação) das redes. A junção das etapas de proteção em um único modelo permitiu o desenvolvimento de um protótipo de relé, sendo executada uma bateria extensiva de testes, com as mais diversas condições de faltas possíveis. Apesar de operar apenas com sinais de corrente, o método proposto alcançou resultados que, em comparação com a técnica tradicional de proteção de distância, baseada na impedância aparente, aumenta consideravelmente o desempenho da proteção de LTs. Especialmente para as faltas monofásicas, de ocorrência mais comum, o desempenho obtido com o algoritmo proposto é largamente superior ao obtido com um relé de distância tradicional normalmente empregado em proteção de LTs, evidenciando a relevância da técnica empregada em aplicações de proteção. / A novel method of Transmission Lines (TLs) protection is presented and discussed in this work. The proposed algorithm performs the traditional steps of distance relaying, such as: fault detection, classification and location. The new method applies the Higher Order Statistics (HOS), also known as cumulants, as a tool for feature extraction in order to apply Artificial Neural Networks (ANN) for pattern classification. These networks are responsible for the processing of information, identifying a possible fault condition, the type of fault and, finally, its location in terms of fault zones considered for the problem. The application of HOS in a protection scheme is responsible for the transformation of electrical data, such as current signals, to a different domain where the different types of faults are highlighted by different classes of samples. The available database was obtained by simulating an Electric Power System and it is used for computing the statistics and training/validating the distinct neural networks of each step of the distance protection. A relay prototype is obtained by combining these steps in a synchronized operation. This prototype allowed the execution of extensive tests, simulating the operation of a protective system in real-time. Despite the use of currents signals only, the proposed method provided efficient protection for the EPS under study. In fact, comparing the results with a traditional method applied to distance protection, based on apparent impedance, an improvement of the protection performance was demonstrated. Especially for faults involving one phase and the ground, the most common in power systems, the results of the new methodology was significantly superior to that of the conventional relay. It can be concluded that the technique presents a high relevance for applications in transmission line protection.

Neste trabalho, é apresentado e discutido um novo modelo para proteção de Linhas de Transmissão. O sistema proposto executa, individualmente, as etapas tradicionais da filosofia de proteção de distância: detecção, classificação e localização. Este modelo emprega Estatísticas de Ordem Superior (EOS) como ferramenta de extração de características, para posterior aplicação das Redes Neurais Artificiais (RNAs). As RNAs são responsáveis pelas tomadas de decisões do sistema, no sentido de identificar a ocorrência da falta e o tipo da mesma, além de localizar a falta no que tange às zonas de proteção consideradas. O processamento com tais estatísticas é responsável pela transformação dos dados para um domínio onde as diferentes faltas são evidenciadas através de agrupamentos de dados (padrões). O banco de dados disponível com sinais elétricos de LTs em condições de falta é utilizado para cálculo das estatísticas e o posterior treinamento supervisionado (e validação) das redes. A junção das etapas de proteção em um único modelo permitiu o desenvolvimento de um protótipo de relé, sendo executada uma bateria extensiva de testes, com as mais diversas condições de faltas possíveis. Apesar de operar apenas com sinais de corrente, o método proposto alcançou resultados que, em comparação com a técnica tradicional de proteção de distância, baseada na impedância aparente, aumenta consideravelmente o desempenho da proteção de LTs. Especialmente para as faltas monofásicas, de ocorrência mais comum, o desempenho obtido com o algoritmo proposto é largamente superior ao obtido com um relé de distância tradicional normalmente empregado em proteção de LTs, evidenciando a relevância da técnica empregada em aplicações de proteção. / A novel method of Transmission Lines (TLs) protection is presented and discussed in this work. The proposed algorithm performs the traditional steps of distance relaying, such as: fault detection, classification and location. The new method applies the Higher Order Statistics (HOS), also known as cumulants, as a tool for feature extraction in order to apply Artificial Neural Networks (ANN) for pattern classification. These networks are responsible for the processing of information, identifying a possible fault condition, the type of fault and, finally, its location in terms of fault zones considered for the problem. The application of HOS in a protection scheme is responsible for the transformation of electrical data, such as current signals, to a different domain where the different types of faults are highlighted by different classes of samples. The available database was obtained by simulating an Electric Power System and it is used for computing the statistics and training/validating the distinct neural networks of each step of the distance protection. A relay prototype is obtained by combining these steps in a synchronized operation. This prototype allowed the execution of extensive tests, simulating the operation of a protective system in real-time. Despite the use of currents signals only, the proposed method provided efficient protection for the EPS under study. In fact, comparing the results with a traditional method applied to distance protection, based on apparent impedance, an improvement of the protection performance was demonstrated. Especially for faults involving one phase and the ground, the most common in power systems, the results of the new methodology was significantly superior to that of the conventional relay. It can be concluded that the technique presents a high relevance for applications in transmission line protection.