Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-26T13:23:08Z No. of bitstreams: 1 marianagenymoreira.pdf: 8374988 bytes, checksum: 38a7b2c61f3df104e6c9f034df1386ae (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-26T13:53:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marianagenymoreira.pdf: 8374988 bytes, checksum: 38a7b2c61f3df104e6c9f034df1386ae (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-26T13:53:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marianagenymoreira.pdf: 8374988 bytes, checksum: 38a7b2c61f3df104e6c9f034df1386ae (MD5) Previous issue date: 2016-05-31 / Nas últimas décadas a qualidade da energia elétrica disponibilizada na rede elétrica tornou-se foco. Este fato é justificado pela combinação dos aumentos da poluição dos sinais na rede e do número de dispositivos eletrônicos sensíveis às variações do sinal de alimentação, especialmente tendo em vista o novo cenário de redes inteligentes. Um dos desafios das redes inteligentes é a redução de eventos ou falhas devido à baixa qualidade de energia elétrica, principalmente envolvendo distúrbios harmônicos e inter-harmônicos, provocados pela utilização de cargas e sistemas eletrônicos. Os impactos e prejuízos causados por distúrbios harmônicos e inter-harmônicos são importantes o suficiente para torná-los foco de inúmeros estudos, posto que não há, até a presente data, um método de análise desses componentes eficiente o bastante para atuar no controle e proteção de sistemas de potência. Este trabalho busca contribuir para a melhoria da análise desses componentes de frequência e, nesse sentido, propõe um sistema de detecção, classificação e identificação de distúrbios de qualidade de energia, especialmente, harmônicos, sub-harmônicos e inter harmônicos, baseado em estatística de ordem superior. São contemplados ainda distúrbios de amplitude de curta duração: sags e swells. A estrutura proposta contempla ainda um contador de componentes inter-harmônicos e sub-harmônicos, capaz de apontar a existência e quantificar esses componentes mesmo quando combinados a outros distúrbios harmônicos. As metodologias propostas pelo trabalho exibem resultados bastante expressivos tanto em relação à eficiência das aplicações em qualidade de energia quanto em relação ao desempenho computacional. / The power quality available on the electrical power system became focus in the last decades. This fact is explained by the combination of signal pollutions increasing and the number of electronic devices sensitive to power signal variations, especially in the smart grids scenario. One of the challenges of smart grids is the reduction of events or failures due to the low power quality, mainly involving harmonics and inter-harmonics disturbances, caused by the use of fillers and electronic systems. Impacts and losses caused by these disturbances are of great concern in numerous studies, since there is not an efficient analysis method capable of dealing with this kind of disturbances. This thesis seeks to contribute in the sense of harmonics and inter-harmonics analysis by proposing a power quality disturbances detection, classification and identification system, based on higher order statistics. The proposed structure also includes a inter-harmonics and sub-harmonics components counter, able to point out the existence and to quantify these components even when they are combined with other harmonic disturbances. The proposed methodologies show suitable results both in terms of efficiency of investments in power quality as compared to the computational performance.

O trabalho ressalta a importância do tema Qualidade da Energia (QE) e apresenta alguns dos diversos distúrbios responsáveis pelo seu comprometimento. Tais distúrbios, quando presentes em um dado sistema elétrico, podem causar sérios danos tanto aos equipamentos de medição e controle pertencentes ao fornecedor de energia, como também aos equipamentos mais sensíveis pertencentes aos usuários deste sistema. Os fenômenos mais freqüentes no estudo da QE foram destacados, bem como suas definições. Conhecidos estes fenômenos, implementou-se um algoritmo computacional, utilizando como ferramenta a transformada rápida de Fourier janelada (Windowed Fast Fourier Transform - WFFT) - TRFJ, para identificar e classificar estas perturbações em um dado sistema elétrico de distribuição. Para que o resultado fosse o mais próximo possível de uma situação real, utilizou-se para análise, um sistema elétrico real de distribuição da CPFL (Companhia Paulista de Força e Luz). Sobre o referido sistema elétrico foram simulados casos de afundamentos, elevações e oscilações de tensão, criando assim, um banco de dados para, posteriormente, podermos testar e validar o algoritmo computacional implementado, na identificação destes fenômenos. Este algoritmo permite variarmos tanto o tamanho da janela, quanto a freqüência amostral do sinal. Neste estudo em particular, utilizamos tamanhos de janelas de 1 ciclo e 1/2 ciclo, e freqüência amostral do sinal, de 7,68 kHz (inicialmente utilizada para obtenção do banco de dados), e 0,769 kHz, aproximadamente. Como resultados, obtivemos que o tamanho da janela de dados para esta implementação, não apresentou diferenças significativas na análise, quando comparados com os dados iniciais. Entretanto, observa-se um comportamento contrário com a variação da taxa amostral, ou seja, quanto menor a freqüência amostral empregada, maior a perda de informações importantes em relação ao sinal inicial. / The present work at lines the importance of Power Quality (PQ) and it presents some of the many disturbances related to it and its implications. Such disturbances, as presented in an electrical system, can cause serious damages in the measurements, in the control of power utility equipments, as well as in sensitive equipments. The most frequent phenomena in the study of PQ had been emphasized, as well as its definitions. Once these phenomena are known, a computational algorithm was implemented, using the Windowed Fast Fourier Transform - WFFT as a tool to identify and classify these disturbances, considering electrical distribution system. In order to have the best situation for the test, a real electrical distribution system from CPFL (Companhia Paulista de Força e Luz) utility was simulated. Some cases of voltage sag, voltage swell and oscillatory transient were simulated, creating a data base to test and validate the computational algorithm implemented. This algorithm allows changing the window length as the sample rate. For the proposed study, 1 cycle and 1/2 cycle as window length was analyzed with sample rate of 7,68 kHz (initially used for obtaining the data base), and 0,769 kHz. It was observed that the window length studied did not influence significantly the proposed analysis concerning PQ. However, concerning the sample rate, it was observed a deterioration of the analysis with the 0,769 kHz rate.

Esta pesquisa teve como objetivo o desenvolvimento de um algoritmo computacional capaz de diagnosticar as condições operativas de transformadores de potência. As variáveis tomadas como base para classificar as condições apresentadas se referem às usualmente empregadas pela lógica de proteção diferencial, ou seja, a corrente diferencial e o conteúdo harmônico presente nos sinais em análise. Além disto, foi também verificada a relação entre alguns dos fenômenos associados à falta de qualidade da energia elétrica originados pelos consumidores conectados no secundário e refletidos ao primário do transformador. O algoritmo desenvolvido utilizou-se da Transformada Wavelet e de técnicas de inteligência artificial (Lógica Fuzzy e Redes Neurais Artificiais), com o objetivo de inferir sobre os relacionamentos supracitados. Todos os testes para validação da metodologia proposta foram realizados dispondo de um sistema elétrico simulado no software ATP (Alternative Transients Program). Os resultados encontrados denotam que, frente às condições analisadas, correntes diferenciais e conteúdo harmônico indesejado podem vir a surgir, fazendo com que a lógica implementada venha a diagnosticar erroneamente a condição de operação enfrentada. Os resultados avaliam ainda a propagação destas condições do secundário para o primário do transformador em análise. / This research aimed to develop an algorithm able to diagnose the operating conditions of power transformers. The variables considered to classify the presented conditions were the normally used by differential protection logic, i.e., the differential current and the harmonic content in the signals in analysis. Moreover, the relationship between some phenomena associated to a poor power quality originated from consumers connected to the secondary and reflect to the primary side of the transformer was also verified. In order to infer the relationships above mentioned, the developed algorithm used the Wavelet Transform and artificial intelligence techniques (Fuzzy Logic and Artificial Neural Networks). All the tests applied to validate the proposed methodology were performed making use of the ATP (Alternative Transients Program). In face of the analyzed conditions, the results show that differential currents and undesired harmonic content can arise and the implemented logic will erroneously diagnose the operation condition addressed. The results also illustrate the propagation of these conditions from secondary to primary side of the analyzed transformer.

Esta pesquisa apresenta um estudo investigativo da análise modal aplicada a Sistemas de Distribuição (SDs) frente às distorções harmônicas, no contexto da Qualidade da Energia Elétrica (QEE). A partir do método de análise da ressonância modal, foi conduzido um estudo investigativo para apontar quais barramentos são mais sensíveis e permitem uma melhor observação frente às distorções harmônicas. Vale adiantar que o método de análise de ressonância modal, o qual é fundamentado na decomposição espectral da matriz de admitância do sistema elétrico, já apresenta interessantes trabalhos voltados para sistemas de transmissão. O desafio desta pesquisa foi então investigar a sua aplicação para SDs com um direcionamento às distorções harmônicas, bem como ao seu monitoramento. Dentre os resultados encontrados no desenvolvimento da pesquisa, destaca-se um melhor entendimento do problema das distorções harmônicas, o qual permitiu evidenciar a sensibilidade e a observabilidade dos SDs testes frente ao problema definido no contexto da QEE. / This research presents an investigative study of the modal analysis applied to Distribution Systems (DSs) in the context of Power Quality (PQ) considering the harmonic distortions. From the modal resonance analysis, an investigative study was conducted to indicate which bus bars are more sensitive and allow better observation in face of harmonic distortions. It is worth mentioning that the method of modal resonance analysis, which is based on the spectral decomposition of the admittance matrix of the electric system, already presents interesting applications focused on transmission systems. The challenge of this research was to investigate its application to DSs focusing on harmonic distortions, as well as their monitoring. Among the observed results of the research development, a better understanding of the harmonic distortions problem was achieved, which made it possible to highlight the sensitivity and observability of the DSs tests against the problem defined in the context of the PQ.

Este trabalho apresenta um estudo sobre transformada Wavelet aplicada à qualidade da energia elétrica com o intuito de detectar, localizar e classificar eventuais distúrbios que ocorrem no sistema elétrico. Inicialmente é apresentada uma introdução sobre qualidade da energia, mostrando fatos, evoluções e explicando o conceito dos principais fenômenos que interferem na qualidade da energia do sistema elétrico brasileiro, devido, principalmente, à grande demanda de aparelhos eletrônicos produzidos atualmente. Em seguida é mostrada uma revisão dos principais métodos e modelos aplicados atualmente no mundo a respeito do assunto. A transformada Wavelet vem como uma grande ajuda nesta área de análise de sinais, já que é capaz de extrair simultaneamente informações de tempo e freqüência, diferentemente da transformada de Fourier. A simulação dos diversos distúrbios ocorridos no sistema foi realizada através do software ATP (Alternative Transients Program), cujas características seguem corretamente um sistema de distribuição real da concessionária CPFL. Os distúrbios de tensão gerados e analisados foram detectados e localizados através da técnica de Análise Multiresolução e, posteriormente, classificados, utilizando para isto o método da Curva de Desvio Padrão / This dissertation presents a study of Wavelet transform applied to power quality in order to detect, locate and classify disturbances that may occur in the power system. Initially an introduction of power quality is presented, showing facts, evolutions and explaining the concept of the main phenomena that interfere the on power quality of the brazilian power system, due to, mainly, a great demand for electronic devices produced nowadays. A revision of the main methods and models currently applied in the world regarding this subject is also show. The Wavelet transform comes as a great support in the area of signal assessment, as it can extract information about time and frequency simultaneously, differently from the Fourier transform. The simulation of the diverse disturbances occurred in the system was accomplished through ATP software (Alternative Transients Program), whose characteristics correctly follow a system of real distribution of CPFL eletric utility. The generated and analyzed voltage disturbances were detected and located by Multiresolution Analysis technique and later classified by the method of the Standard Deviation

A Qualidade da energia elétrica é caracterizada pela disponibilidade da energia através de uma forma de onda senoidal pura, sem alterações na amplitude e freqüência. No entanto situações transitórias em sistemas de potência são comuns e estas podem provocar inúmeras interferências indesejáveis. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver um algoritmo para detectar, localizar no tempo e classificar diversos distúrbios que ocorrem no sistema elétrico através da aplicação da transformada wavelet (TW). Foi realizado um estudo teórico desde a origem até os recentes avanços sobre a TW. Para a detecção e localização no tempo foi utilizada apenas a TW. Com relação à classificação foram comparadas três ferramentas matemáticas: TW, TRF (Transformada Rápida de Fourier) e RNA (Redes Neurais Artificiais). Através do software ATP (Alternative Transients Program) foi modelado um sistema de distribuição, cujas características seguem um sistema real. Todos os distúrbios de tensão gerados e analisados puderam ser detectados e localizados no tempo através da técnica de análise multiresolução. Em relação à classificação, foi realizada uma comparação entre a TW, a TRF e RNA com resultados satisfatórios, destacando dentre elas a TRF e a RNA. Pode-se concluir que os resultados obtidos através do algoritmo mostraram-se eficientes tanto no aspecto da detecção, localização e classificação, assim como na estimação da amplitude do distúrbio e da duração do distúrbio. / A perfect power supply would be one that is always available, maintaining the supply voltage and frequency within certain limits, and supplying pure noise free sinusoidal waveform. Nevertheless, transient events are usual in power systems, resulting in several interferences. The purpose of this study is for detecting, locating in time and to classifying with wavelet transform (WT) several disturbances that occur on power systems. A WT theoretical revision, referring to the first mention in wavelet up to the recent research advances is presented. Only WT was used in order to detect and locate in time the power system disturbances. For classification, three mathematical tools were compared: WT, FFT (Fast Fourier Transform) and ANN (Artificial Neural Networks). A distribution System, with identical characteristics as the real distribution system, was performed with ATP software (Alternative Transients Program). The results showed that multiresolution analysis technique is able to detect and locate all the generated and analyzed voltage disturbances. For classification the results were similar for the WT, FFT and ANN, however FFT and ANN results presented a better performance. The results conclude that the WT algorithm is efficient at detecting, localizing and classifying power system disturbances, as well as, at estimating the amplitude and duration of the voltage disturbance.

Com o surgimento das novas tecnologias aplicadas aos equipamentos e arranjos geométricos das fontes renováveis de energia, o sistema de aterramento passou a operar com correntes de várias frequências, diferentes da componente fundamental. Estas correntes são provenientes das novas cargas não lineares conectadas e das condições de falta, tornando mais difícil a equipotencialização do sistema de aterramento, devido, principalmente, ao seu tamanho e sua geometria. Neste cenário, esta pesquisa tem como objetivo o estudo do comportamento de um sistema de aterramento operando na presença de correntes com distorção harmônica. Para a modelagem do sistema de aterramento teste, foi utilizada a teoria de linhas de transmissão, considerando parâmetros distribuídos, pela qual o condutor foi modelado em porções ao longo de seu comprimento. Para a modelagem e análise do sistema de aterramento foram utilizados o programa ATP (Alternative Transients Program) e uma ferramenta computacional comercial, com o intuito de validar os valores da resistência da malha de aterramento observados. Pelos resultados encontrados, têm-se argumentos para alertar os projetos futuros de sistemas de aterramento para a necessidade e uma melhor análise das situações operacionais passíveis de ocorrência no sistema elétrico que venham a apresentar uma composição harmônica diferente e não desprezível em relação ao componente fundamental. / With the rise of new technology applied to devices and geometric arrangements related to renewable energy sources, grounding systems have started to operate with currents of multiple frequencies, deviating from its fundamental component. These currents come from the connection of new nonlinear loads and fault conditions, which makes the equipotential bonding harder for the grounding system, mainly due to its size and geometry. In this scenario, this research aims to study the behavior of a grounding system operating in the presence of harmonically distorted currents. The transmission line theory was used to model the testing grounding system, based on distributed parameters, through which the conductor was modeled in increments along its length. For modeling and studying the grounding system, the ATP (Alternative Transients Program) and a commercial software tool were used in order to validate the resistance values observed in the grounding grid. Based on the results found, there are arguments to alert future grounding system projects about the need for a better assessment of operational scenarios likely to occur in the electrical system, which may display a different harmonic composition that is not negligible in relation to the fundamental component.

Os Sistemas de Armazenamento a Baterias (SAEB) têm demonstrado uma grande flexibilidade de aplicações em melhorias e resoluções de problemas em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEEs). Grandes variações no valor de tensão dentro de um período, seja diário ou semanal, são observados devido à predominante topologia radial dos SDEEs e o constante aumento da utilização de Geradores Distribuídos (GDs). Pelas características de operar como carga ou geração, os SAEBs podem ser utilizados para melhorar o perfil de tensão. No entanto, as restrições de operação desses dispositivos tornam dificultoso identificar bons momentos de atuação e barramentos de alocação para este propósito. Geralmente, essa atuação é tratada de uma forma dependente dos GDs, porém essa abordagem não permite que os SAEBs possam operar em momentos independentes a fim de melhorar o perfil de tensão do SDEE. Desta forma, neste trabalho é desenvolvida uma abordagem para o planejamento da alocação e atuação do SAEB, utilizando uma modificação no algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO) de forma que o SAEB possa atuar independente dos GDs e ser alocado em outras barras, com o objetivo de melhorar o perfil de tensão. As soluções são analisadas através de simulações de Monte Carlo para investigar o comportamento em diversas situações de curva de carga. Os resultados demonstram que a abordagem proposta busca encontrar boas alocações e atuações e que os parâmetros técnicos dos SAEBs, como capacidade de energia armazenada e potência nominal do inversor, influenciam diretamente nos resultados. / Battery Energy Storage Systems (BESS) have demonstrated great flexibility of applications in improvements and problem-solving in Electrical Distribution Systems (DSs). Significant variations in the nominal voltage value within a period, either daily or weekly, are observed due to the predominant radial topology of the DSs and the constant increase of the use of Distributed Generators (DGs). By the characteristics of operating as load or generation, SAEBs can be used to improve the voltage profile. However, the restrictions of these devices make it difficult to identify good operating moments and allocation buses for this purpose. Generally, this operation is treated in a way dependent on the DGs, but this strategy does not allow the BESS to operate at independent moments to improve the voltage profile of the SDEE. Thus, in this work an approach is developed for SAEBs allocation and operation planning, using a modification in the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm so that the SAEB can operate independently of the GDs and be allocated in other bars, with the objective to improve the voltage profile. The solutions are analyzed through Monte Carlo simulations to investigate the behavior in various load curve situations. The results demonstrate that the proposed approach seeks to find proper allocations and actions and that the technical parameters of SAEBs directly influence the results.

O tratamento de águas residuárias e efluentes industriais por irradiação com feixe de elétrons é uma técnica promissora, porém pouco difundida em território Brasileiro. O projeto e a construção de uma unidade móvel contendo um acelerador industrial de elétrons de 700 keV e 20 kW, pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), é inovador para demonstrar os efeitos e resultados positivos dessa tecnologia. O propósito é deslocar a unidade móvel às diversas empresas com interesse em tratamento dos resíduos líquidos, conectar-se ao sistema elétrico da mesma e iniciar o processo de tratamento por ionização, por meio da irradiação com feixe de elétrons. A conexão da unidade móvel ao sistema elétrico local pode representar um desafio, pela grande diversidade de tensões e distâncias envolvidas, e também pelas grandes injeções de conteúdo harmônico gerado pelo acelerador de elétron que podem afetar as cargas do sistema industrial, comumente sensíveis. Neste trabalho realizou-se uma análise do sistema de potência da unidade móvel, quanto à capacidade de interrupção, seletividade da proteção e níveis de curto-circuito adequados de forma a assegurar uma maior confiabilidade na operação. Ao final, projetou-se e construiu-se o painel elétrico de controle da unidade móvel de irradiação. Além disso, na obtenção de parâmetros operacionais à unidade móvel, realizaram-se simulações e medições no acelerador industrial de elétrons de 1,5 MeV e 37,5 kW, instalado no Laboratório de Fontes Intensas de Radiação, do Centro de Tecnologia das Radiações, as quais demonstraram a necessidade da inserção de um filtro para redução dos índices de distorção nos harmônicos dessa instalação radiativa fixa no IPEN. / The treatment of wastewater and industrial effluents by electron beam irradiation is a promising technique, however, not very widespread in Brazilian territory. The design and a construction of a mobile unit containing an electron beam accelerator of 700 KeV and 20kW, by the Nuclear and Energy Research Institute (IPEN) is innovative to demonstrate the effects and positive results of this technology. The aim is to move the mobile unit to several companies with interest in liquid waste treatment, and connect to the industry electrical system and start the ionization treatment process through electron beam. The mobile unit\'s connection to the local electrical system can be a challenge in behalf of the great diversity of voltages and distances involved, as well as the large injections of harmonic content generated by the electron beam accelerator that can affect sensitive loads in the industrial system. In this work, an analysis was made of the power system of the mobile unit, regarding interruption capacity, selectivity protection and adequate short circuit levels in order to assure a greater reliability in the operation. At the end, the control panel of the mobile unit, simulations and measurements were carried out at the 1.5 MeV and 37.5 kW electron beam accelerator, installed at the Intensive Radiation Technology Center, which demonstrated the necessity of applying of a filter to reduce the measured harmonic distortion.

Esta dissertação apresenta uma metodologia baseada em Algoritmos Genéticos e Teoria dos Conjuntos Fuzzy que determina o número ótimo de medidores de Qualidade de Energia, bem como os pontos onde os mesmos devem ser instalados para monitorar Afundamentos e Elevações de Tensão em redes de transmissão de energia elétrica. A metodologia desenvolvida representa uma ferramenta para diversas áreas de uma empresa de energia elétrica, porque ela indica a melhor maneira para se alocar medidores de Qualidade de Energia, considerando as restrições econômicas a que as empresas estão sujeitas. Além disto, a metodologia também determina a melhor configuração para um sistema de medição para um sistema de potência, quando há barras que devem ser monitoradas e/ou o número de medidores disponíveis é menor que o mínimo necessário para atingir a completa Observabilidade. O trabalho desenvolvido também representa uma importante aplicação dos Algoritmos Genéticos em conjunto com a Teoria dos Conjuntos Fuzzy. Ele define aspectos a serem considerados no problema de monitoração de Qualidade de Energia Elétrica e sugere rapidamente a melhor forma de atender diferentes objetivos e restrições operacionais. A fim de validar o modelo proposto, nesta dissertação, três redes elétricas são avaliadas para determinar o número mínimo de medidores de Qualidade de Energia, bem como a localização onde esses equipamentos deveriam ser instalados. Os níveis de Redundância e de Observabilidade são apresentados, bem como as formulações usadas para atingir os resultados apresentados. / This dissertation presents a methodology based on Genetic Algorithms and Fuzzy Mathematical Programming to determine the optimum number of power quality monitors and the locations they should be installed to measure Voltage Sags and Swells in transmission power networks. The methodology developed represents a tool for planning power networks, because it indicates the best way to allocate the power quality monitors, considering economical constraints. Similar to this, the methodology also determines the best configuration for a monitoring system when there are important busses to monitor and the number of monitors available is lower than the minimal needed to accomplish completely Observability. The work presented here also represents an important Genetic Algorithms application. With fuzzy mathematical programming it easily allows the definition of aspects to be considered in the monitoring problem and quickly suggests the best way to attend different objectives and operational restrictions. In order to validate the developed model proposed in this dissertation three electric power networks are assessed to determine the minimum number of power quality monitors as well as the locations where these devices should be installed. The levels of Redundancy and Observability are presented as well as the formulations used to achieve the results.