Distributed generation (DG) is increasingly employed in modern utility grids to address the growing complexity and size of consumer energy demands. The obstacles associated with DG integration are related to the additive effect the DG has on the short circuit current characteristics of power systems during short circuit conditions. This thesis proposes a novel mitigation technique for synchronous machine based DG integration effects on existing radial fuse-recloser protection infrastructure. The mitigation method provides a comparative analysis of the utilization of resistive (R), inductive (L) and resonant (LC) type superconducting fault current limiters (FCLs) for prevention of excessive fault current contribution from DG sources. Within the frame of reference of this thesis is an interrogation into the effects of synchronous machine based DG sources, in conjunction with mitigation capabilities of FCL integration in the context of fuse-recloser coordination, recloser sensitivity and recloser directionality behavior during radial distribution short circuit conditions. For validation purposes, the proposed methods are demonstrated on a suburban test benchmark using the PSCAD/EMTDC program.

This work presents a novel recloser-fuse coordination protection for distributed generation systems based on the use of RMS current comparators. In real-time, these comparators are responsible for analyzing current magnitude in upstream and downstream network directions; identify faults; and assess the recloser-fuse coordination status based on critical margins identified by the protection system. Once a miscoordination is detected, some distributed generation units are strategically disconnected from the distribution network by gate turn-off thyristors. As a result of this action, short-circuit current is reduced to a satisfactory level, restoring the coordination between recloser and fuses in the grid. The proposed protection system has been implemented in a 12.47-kV grid and simulations have been carried out in ATP/EMTP. The main contributions in this work are the results obtained mainly throughout testing fault circumstances and operational conditions. Besides, this work proposes a protection methodology in the perspective of a national standardized regulation. Significantly, the approach contributes to the adequacy and modernization of distribution systems with considerable tendency of distributed generation insertion. / Neste trabalho, apresenta-se um sistema de proteção que preserva a coordenação e a seletividade entre religadores e elos fusíveis de sistemas de distribuição na presença de geração distribuída. A ideia principal desse sistema concentra-se no uso de comparadores de corrente RMS. Em tempo real, esses comparadores são responsáveis por analisar as correntes supridas pela geração distribuída, identificar faltas e constatar a perda da coordenação e da seletividade entre religadores e elos fusíveis do sistema elétrico de distribuição. Uma vez detectado o problema, somente os geradores causadores são automaticamente desconectados temporariamente através de tiristores comutáveis pelo gatilho. Aplica-se esse sistema em uma rede elétrica de distribuição desenvolvida no ATP/EMTP. Os resultados obtidos são analisados e discutidos através de um estudo de caso. Além disso, a partir dos resultados, desenvolve-se uma metodologia de proteção de modo a colaborar com a padronização e normatização dos procedimentos de acesso à rede elétrica nacional. Dessa maneira, propõem-se mudanças nos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST). Significativamente, o sistema e a metodologia de proteção propostos contribuem na adequação dos atuais sistemas de distribuição com forte tendência de inserção de geração distribuída.

A microgrid is a local energy grid that could be disconnected from the larger grid and operate autonomously. This particular segment of the power industry is growing due to its reliability during times of emergency and crisis. Among these benefits are improved efficiency, lower operating costs, renewable generation sources, and improved resiliency of the regional electric grid. Communities can better prepare for unprecedented weather like wildfires, hurricanes, and other natural disasters. Regions that produce renewable energy can export their surplus through high voltage transmission lines to balance power supply and demand needs. This Underground High-Voltage Transmission Network project aims to design a blueprint for an underground high voltage transmission network that connects the Cal Poly Solar Farm to campus via an underground network. This Solar Farm produces 4.5MW and provides a quarter of Cal Poly’s power demand, making it essential to everyday operations on campus. The safety of the communities living around these areas is a top priority. The project develops methods to examine network resiliency and analyze load growth or demography trends. These methods include: using GIS to properly locate any existing underground infrastructure and utilizing CYMCAP software to size cable. We use ETAP software to run load flow analysis and device coordination simulation.

O trabalho apresenta uma metodologia aplicável à coordenação de dispositivos de proteção contra surtos em sistemas de corrente alternada de baixa tensão. Esta tem como base a adequação dos níveis de isolamento e imunidade dos equipamentos elétricos e eletrônicos e de energia absorvida pelos dispositivos de proteção. A principal motivação está relacionada aos critérios de segurança e confiabilidade requeridos por instalações nucleares, em que a coordenação da proteção contra surtos assume um importante papel. Uma metodologia interativa é implementada visando otimizar o processo de análise e especificação dos dispositivos de proteção, considerando a adoção de métodos analíticos e numéricos. Modelos de equipamentos elétricos e eletrônicos, quando submetidos a surtos de tensão e corrente, além dos dispositivos de proteção contra surtos, são implementados no simulador de transitórios eletromagnéticos - ATP. Destacam-se nestes estudos, as análises de configurações e arranjos do sistema elétrico, assim como seus parâmetros, a influência destes na configuração ou arranjo ótimo dos dispositivos de proteção, além do atendimento aos requisitos das normas aplicáveis. / The work presents a methodology regarding to low-voltage surge protective device coordination. This is based on adequacy of the isolation and immunity level of electrical and electronic equipment and the energy absorbed by the protective devices. The main motivation is related to the required nuclear plant reliability and safety criteria, in whose the surge protection coordination can assume an important role. An interactive methodology is carried out to optimize the analysis and the protection device specification, considering the adoption of analytical and numerical methods. Electrical and electronic equipment models, when submitted to voltage and current surges, in addition to surge protective devices, are implemented in the electromagnetic transient simulator - ATP. In these studies, the analysis of electrical system configurations and arrangements, as well as their parameters, and their influence on the configuration or optimum protective device arrangement, besides compliance with the requirements of applicable standards are highlighted.

O trabalho apresenta uma metodologia aplicável à coordenação de dispositivos de proteção contra surtos em sistemas de corrente alternada de baixa tensão. Esta tem como base a adequação dos níveis de isolamento e imunidade dos equipamentos elétricos e eletrônicos e de energia absorvida pelos dispositivos de proteção. A principal motivação está relacionada aos critérios de segurança e confiabilidade requeridos por instalações nucleares, em que a coordenação da proteção contra surtos assume um importante papel. Uma metodologia interativa é implementada visando otimizar o processo de análise e especificação dos dispositivos de proteção, considerando a adoção de métodos analíticos e numéricos. Modelos de equipamentos elétricos e eletrônicos, quando submetidos a surtos de tensão e corrente, além dos dispositivos de proteção contra surtos, são implementados no simulador de transitórios eletromagnéticos - ATP. Destacam-se nestes estudos, as análises de configurações e arranjos do sistema elétrico, assim como seus parâmetros, a influência destes na configuração ou arranjo ótimo dos dispositivos de proteção, além do atendimento aos requisitos das normas aplicáveis. / The work presents a methodology regarding to low-voltage surge protective device coordination. This is based on adequacy of the isolation and immunity level of electrical and electronic equipment and the energy absorbed by the protective devices. The main motivation is related to the required nuclear plant reliability and safety criteria, in whose the surge protection coordination can assume an important role. An interactive methodology is carried out to optimize the analysis and the protection device specification, considering the adoption of analytical and numerical methods. Electrical and electronic equipment models, when submitted to voltage and current surges, in addition to surge protective devices, are implemented in the electromagnetic transient simulator - ATP. In these studies, the analysis of electrical system configurations and arrangements, as well as their parameters, and their influence on the configuration or optimum protective device arrangement, besides compliance with the requirements of applicable standards are highlighted.

The new regulations of the electricity sector have requested from the power utilities great performance efficiency on their distribution systems, requiring more rigorous quality and continuity energy levels. In Brazil, the privatization of the power utility companies has been allowing the adoption of new planning and operation policies, that necessarily consider the system reliability and its economic constraints. Regarding this the companies are looking for objectively estimate all the necessary system investments in order to achieve safe and economic continuity for its consumers. At planning level, there are several alternatives, such as complex systems of larger flexibility, new feeders allowing several possibilities of load transfer, isolating permanent faults confining outages to smaller sections of line, remote operated maneuver and protection equipment and supervised substations featuring devices to help fault location. However, these alternatives normally mean large sums of investment which results are not always easy to measure, due to the difficulty of identifying its benefits from those produced by other accomplished actions. At operational level, it is possible to achieve results on medium and short term through the efficient dimension of emergency dispatching crews, maneuver and maintenance plans, contingency studies, protection devices readjustment, strategic use of protection and maneuvers devices and so forth. The power utility companies have planning areas that define the best practices through its professionals' experiences associated to computing tools. Traditionally, these tools help the professionals with power flow and short circuit simulation, losses calculation, protection coordinating diagrams, etc. Some tools and methods capable to proceed reliability simulations through several criteria have been proposed recently. For example, through continuity indicators such as SAIDI and SAIFI, through network topology and equipment alternatives, as developed by Violin and Martinez [2004], through the number of customers or non-supplied energy helping the decision of inserting or removing equipment, as demonstrated by Abaide [2005], or even through reduction of interrupted customers number by the network reconfiguration due to contingency events as described by Bernardon [2007]. However during the studies of these alternatives many simplifications are usually assumed, mostly on the protection devices models. Due to that, they are considered as completely stable and it is just verified the overload operation possibility. The unsuitable protection devices interruptions caused by coordination problems are totally unconsidered. This thesis aims at presenting the algorithms developed to help determining the best distribution resources alternatives in order to increase the network reliability according to basic continuity criteria and the dynamic relationship among protection and maneuver devices. The developed computing tool can also automatically determine all the protection devices adjustments along the distribution network in order to achieve the best technical and economical application. To check the efficiency of the proposed methods, real case studies are presented with data from power utility companies. / As novas regulamentações do setor elétrico têm solicitado das concessionárias de distribuição de energia elétrica uma maior eficiência no desempenho de seus sistemas, exigindo níveis de qualidade e de continuidade de energia cada vez mais rigorosos. No que se refere ao Brasil, a privatização das empresas distribuidoras está conduzindo à incorporação de novas políticas de planejamento e operação, que necessariamente levam em consideração a confiabilidade do sistema e suas restrições econômicas. Desta forma as empresas estão buscando responder objetivamente o quanto é necessário investir em seus sistemas visando uma continuidade segura e econômica para seus consumidores. Em nível de planejamento existem diversas alternativas, tais como sistemas cada vez mais complexos e de maior flexibilidade, novos alimentadores que permitem diversas possibilidades de transferência de carga, seccionamento de trechos defeituosos, equipamentos de manobra e proteção telecomandados e subestações supervisionadas dotadas de dispositivos de auxílio à localização de falhas. Entretanto, essas alternativas geralmente implicam em investimentos de grande magnitude e nem sempre de fácil mensuração dos resultados, pois os benefícios acabam agregando-se a outras ações realizadas. Já em nível operacional, é possível almejar resultados em médio e curto prazos, através do dimensionamento eficiente das equipes de emergência, planos de manobra e manutenção, estudos de contingência, reajuste dos dispositivos de proteção e utilização estratégica de dispositivos de proteção e manobra entre outros. As empresas distribuidoras de energia possuem áreas de planejamento e operação, as quais definem as melhores práticas através da experiência dos profissionais associadas à utilização de ferramentas computacionais. Tradicionalmente, essas ferramentas auxiliam os profissionais através da realização de simulações de fluxo de potência, curto-circuito, cálculos de perda, cordenogramas de proteção, entre outros. Mais recentemente, surgiram algumas propostas de ferramentas e métodos capazes de realizar simulações de confiabilidade, sendo através dos indicadores de continuidade tais como DIC, FIC, DEC e FEC mediante alternativas de topologia e equipamentos da rede, conforme desenvolvido por Violin e Martinez [2004], do número de consumidores ou energia não fornecida mediante a inserção ou remoção de equipamentos, demonstrado por Abaide [2005], ou até mesmo reduzindo o número de consumidores interrompidos através da reconfiguração emergencial de rede descrita por Bernardon [2007]. Mas, normalmente, simplificações são assumidas na elaboração destas alternativas, principalmente ao que se refere aos dispositivos de proteção, sendo considerados completamente estáveis, verificando-se apenas a possibilidade da operação por sobrecarga e desconsiderando interrupções indevidas mediante a descoordenação dos dispositivos de proteção. Esta tese visa apresentar os algoritmos desenvolvidos aliados a uma ferramenta computacional, a qual possibilita determinar as melhores alternativas de distribuição de recursos visando o aumento da confiabilidade das redes de distribuição, segundo os critérios básicos de continuidade incluindo o relacionamento dinâmico entre dispositivos de proteção e manobra. A ferramenta desenvolvida também é capaz de determinar automaticamente os ajustes de todos os dispositivos de proteção tradicionalmente utilizados nas redes de distribuição de energia de modo a obter a melhor aplicação técnica e econômica. Como resultados, são apresentados estudos de casos com dados reais das concessionárias de energia elétrica, com o objetivo de comprovar a eficiência dos métodos propostos.

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.

Um sistema elétrico de potência agrega toda a estrutura pela qual a energia elétrica percorre, desde a sua geração até o seu consumo final. Nas últimas décadas observou-se um significativo aumento da demanda e, consequentemente, um aumento das interligações entre sistemas, tornando assim a operação e o controle destes extremamente complexos. Com o fim de obter a desejada operação destes sistemas, inúmeros estudos na área de Proteção de Sistemas Elétricos são realizados, pois é sabido que a interrupção desses serviços causam transtornos que podem assumir proporções desastrosas. Em sistemas elétricos malhados, nos quais as correntes de curto-circuito podem ser bidirecionais e podem ter intensidades diferentes devido a alterações topológicas nos mesmos, coordenar relés de sobrecorrente pode ser uma tarefa muito trabalhosa caso não haja nenhuma ferramenta de apoio. Neste contexto, este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia eficiente que determine os ajustes otimizados dos relés de sobrecorrente direcionais instalados em sistemas elétricos malhados de forma a garantir a rapidez na eliminação da falta, bem como a coordenação e seletividade, considerando as várias intensidades das correntes de curto-circuito. Seguindo essa linha de raciocínio, observou-se que o uso de técnicas metaheurísticas para lidar com o problema da coordenação de relés é capaz de alcançar resultados significativos. No presente projeto, dentre os algoritmos inteligentes estudados, optou-se por pesquisar a aplicação do Algoritmo Enxame de Partículas Evolutivo (Evolutionary Particle Swarm Optimization) por este apresentar como características as vantagens tanto do Algoritmo Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization) quanto as dos Algoritmos Genéticos, possuindo assim grande potencial para solução destes tipos de problemas. / An electric power system aggregates all the structure in which the electric energy travels, from its generation to the final user. In the last decades it has been observed a significative increase of the demand and, consequently, an increment of the number of interconnections between systems, making the operation and control of them extremely complex. Aiming to obtain a good operation of this kind of systems, a lot of effort in the research area of power system protection has been spent, because it is known that the interruption of this service causes disorders that may assume disastrous proportions. In meshed power systems, in which the shortcircuit currents might be bidirectional and might have different magnitudes due to topological changes on them, to coordinate overcurrent relays may be a really hard task if you do not have a support tool. Look in this context, this work aims the development of and efficient methodology thats determine the optimal parameters of the directional overcurrent relays in a meshed electric power system ensuring the quickness in the fault elimination, as well as the coordination and selectivity of the protection system, considering the various intensities of the short-circuit currents. Maintaining this line, it has been noticed that the use of metaheuristics to deal with the problem of relay coordination is capable of achieving promissory results. In the present research, among the studied intelligent algorithms, it was chosen to use in it the Evolutionary Particle Swarm Optimization, due to its features thats is the advantages of the Particle Swarm Optimization as well as the Genetic Algorithms ones, hence it has great potential do solve theses kind of problems.

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.

Um sistema elétrico de potência agrega toda a estrutura pela qual a energia elétrica percorre, desde a sua geração até o seu consumo final. Nas últimas décadas observou-se um significativo aumento da demanda e, consequentemente, um aumento das interligações entre sistemas, tornando assim a operação e o controle destes extremamente complexos. Com o fim de obter a desejada operação destes sistemas, inúmeros estudos na área de Proteção de Sistemas Elétricos são realizados, pois é sabido que a interrupção desses serviços causam transtornos que podem assumir proporções desastrosas. Em sistemas elétricos malhados, nos quais as correntes de curto-circuito podem ser bidirecionais e podem ter intensidades diferentes devido a alterações topológicas nos mesmos, coordenar relés de sobrecorrente pode ser uma tarefa muito trabalhosa caso não haja nenhuma ferramenta de apoio. Neste contexto, este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia eficiente que determine os ajustes otimizados dos relés de sobrecorrente direcionais instalados em sistemas elétricos malhados de forma a garantir a rapidez na eliminação da falta, bem como a coordenação e seletividade, considerando as várias intensidades das correntes de curto-circuito. Seguindo essa linha de raciocínio, observou-se que o uso de técnicas metaheurísticas para lidar com o problema da coordenação de relés é capaz de alcançar resultados significativos. No presente projeto, dentre os algoritmos inteligentes estudados, optou-se por pesquisar a aplicação do Algoritmo Enxame de Partículas Evolutivo (Evolutionary Particle Swarm Optimization) por este apresentar como características as vantagens tanto do Algoritmo Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization) quanto as dos Algoritmos Genéticos, possuindo assim grande potencial para solução destes tipos de problemas. / An electric power system aggregates all the structure in which the electric energy travels, from its generation to the final user. In the last decades it has been observed a significative increase of the demand and, consequently, an increment of the number of interconnections between systems, making the operation and control of them extremely complex. Aiming to obtain a good operation of this kind of systems, a lot of effort in the research area of power system protection has been spent, because it is known that the interruption of this service causes disorders that may assume disastrous proportions. In meshed power systems, in which the shortcircuit currents might be bidirectional and might have different magnitudes due to topological changes on them, to coordinate overcurrent relays may be a really hard task if you do not have a support tool. Look in this context, this work aims the development of and efficient methodology thats determine the optimal parameters of the directional overcurrent relays in a meshed electric power system ensuring the quickness in the fault elimination, as well as the coordination and selectivity of the protection system, considering the various intensities of the short-circuit currents. Maintaining this line, it has been noticed that the use of metaheuristics to deal with the problem of relay coordination is capable of achieving promissory results. In the present research, among the studied intelligent algorithms, it was chosen to use in it the Evolutionary Particle Swarm Optimization, due to its features thats is the advantages of the Particle Swarm Optimization as well as the Genetic Algorithms ones, hence it has great potential do solve theses kind of problems.