[pt] Os sistemas elétricos de grande porte estiveram sempre fortemente associados à utilização de máquinas síncronas para a geração de energia e atendimento às cargas, tendo como outros benefícios, a possibilidade de prover o controle dinâmico do perfil de tensão da rede e a regulação da frequência elétrica. Em relação ao controle da frequência, as máquinas síncronas agregam resposta inercial, ou seja, convertem em energia elétrica parte da energia cinética armazenada em seus rotores, e vice-versa, sempre que caracterizado um desequilíbrio entre carga e geração. Este comportamento determina as taxas iniciais de variação da frequência elétrica (RoCoF – Rate of Change of Frequency), as quais podem ser definidas principalmente por dois fatores: a magnitude do desbalanço de potência ativa e a inércia global do sistema, sendo esse último dependente do número de geradores sincronizados e da inércia de cada gerador. O crescimento cada vez maior na matriz de energia elétrica de usinas eólicas e solares fotovoltaicas, que usualmente conectam-se à rede por meio de conversores eletrônicos e, portanto, não agregam resposta inercial ao sistema, trará impactos na regulação da frequência e nos valores de RoCoF. Nesse cenário, o principal objetivo deste trabalho é apresentar uma análise quantitativa da evolução das taxas de variação da frequência no SIN durante perdas de grandes blocos de geração. Os valores de RoCoF são analisados tanto do ponto de vista global, através da frequência no centro de inércia do sistema, quanto do ponto de vista regional, a partir de barras que representam as regiões do SIN. / [en] Large electrical systems have always been strongly associated with the use of synchronous machines for power generation and load service, with other benefits, possibility of providing dynamic control of the system voltage profile and frequency regulation. Regarding frequency control, synchronous machines aggregate inertial response, i.e., convert part of the kinetic energy stored in their rotors into electrical energy (and vice-versa), whenever there is an imbalance between load and generation. This behavior determines the initial Rate of Change of Frequency (RoCoF), determined mainly by two factors: a magnitude of the active power unbalance and the global inertia of the system, that is dependent on the number of synchronized generators and the inertia of each generator. The increase of wind and solar photovoltaic plants in electrical energy matrix, which are usually connected to the system through inverters and do not aggregate inertial response to the system, will impact on frequency regulation and RoCoF values. In this scenario, the main objective of this thesis is to present a quantitative analysis of the evolution of RoCoF in the Brazilian Electrical System during outages of large generation blocks. RoCoF values are analyzed from a global point of view, through the frequency at the center of inertia of the system, and from a local point of view, through buses that represent the Brazilian Electrical Subsystems.

Avec le paradigme du réseau intelligent, les ingénieurs de protection ont maintenant à leur disposition une large gamme de nouvelles technologies de communication. Parmi elles, la norme CEI 61850-9-2 a introduit le concept de bus de procédé qui permet l'envoi de valeurs échantillonnées horodatées à un temps absolu depuis les transformateurs de mesure du terrain jusqu’aux relais de protection numériques. Ces derniers peuvent intégrer la fonction d'unité de mesure de phaseur qui peut être utilisé pour échanger des synchrophaseurs entre les fonctions de protection et pour une nouvelle protection anti-îlotage. Les relais de fréquence et de dérivée de fréquence sont, de nos jours, les méthodes anti-îlotage les plus couramment employées, mais leurs performances ne sont pas satisfaisantes. Dans ce contexte, une nouvelle génération de techniques de traitement du signal pour les relais de protection ayant des échantillons horodatées comme signal d'entrée et intégrant la mesure de synchrophaseurs est nécessaire. Cette thèse étudie d'abord l'impact des valeurs échantillonnées sur le traitement du signal. Trois solutions sont ensuite proposées pour calculer les phaseurs, les fréquences et les dérivées de fréquence dans diverses conditions statiques et dynamiques, puis testées par simulation. Enfin, un algorithme de mesure de synchrophaseurs incorporé dans le traitement de signal initial est proposé. Cet algorithme a été testé selon la dernière version de la norme d'unité de mesure de phaseur et les résultats obtenus sont conformes aux exigences de mesure. / With the Smart Grid paradigm, protection engineers now have available to them a large range of new communication technologies. Among them, IEC Standard 61850-9-2 has introduced the process bus concept which permits sending of absolute time-stamped digitized analogue values from the instrument transformers of the field to numerical relays. The latter can incorporate the phasor measurement unit function which can be used for exchanging synchrophasors between protection functions and for new anti-islanding protection. Frequency and rate-of-change-of-frequency relays are, nowadays, the most commonly employed anti-islanding methods but their performance is not satisfactory. In this context, a new generation of signal processing techniques for protection relays having time-stamped digitized analogue values as input signal with synchrophasors measurement capability is required. This thesis first studies the impact of sampled measured values on the signal processing. Three solutions are then proposed to compute phasor, frequency and rate-of-change-of-frequency estimates under various static and dynamic conditions, and tested via simulation. Finally, a synchronized phasor measurement algorithm incorporated into the initial signal processing is proposed. This algorithm has been tested following the latest version of the phasor measurement unit standard and the results obtained comply with the measurement requirements.

The plans to reduce the energy-related greenhouse gas emissions stimulate the deployment of electronically interfaced renewable resources. The increased penetration of such intermittent sources together with phasing conventional power plants out and the installation of High Voltage Direct Current (HVDC) links for long-distance more efficient transmission, reduces the stored inertia in any electrical grid. This leads to a more vulnerable power system and increases the significance of studying the corresponding stability aspects. Decreasing the inertial response of a power system deteriorates the quality of both frequency and rotor-angle stability which are the dynamics of interest in this study. The thesis explores the role of the location of low inertia on varying the power system’s dynamics. This is to be conducted in isolation of all other factors that could affect the study outcomes, such as dealing with the same system’s inertia value upon lowering the inertia in different locations. To accomplish this objective, it is essential to analyze the inertia distribution of the examined power system following the alterations of inertia reduction location. Accordingly, an inherently previous work methodology, that estimates the relative distance of the system’s components to Center Of Inertia (COI), is utilized throughout this study. Both frequency response and small-signal stability are analyzed in light of the inertia distribution results. The thesis examines two different power systems, a small two-area model and a bigger more realistic power system. The former model, known as Kundur model, helps in building a conceptual process to apply the methodology and to benchmark the dynamics of interest. While the latter is a reduced model of the Swedish transmission grid, known as Nordic 32 model. Different scenarios of low inertia are considered to capture the current trend of integrating more Renewable Energy Sources (RES) and phasing out more conventional plants. DIgSILENT Powerfactory is the weapon of choice in this study. It is utilized to assess both the frequency stability by performing electromechanical transients’ simulations, and small-signal stability following modal analysis simulations.  Results show that the alterations of low inertia location are associated with variations in Instantaneous Frequency Deviation (IFD), Rate Of Change Of Frequency (ROCOF) and the damping ratio of the most critical inter-area oscillation mode. These variations have different levels of significance. Variations of the latter two metrics have the most considerable effects from the stability’s perspective. They can be utilized to prioritize the phasing out process of the conventional power plants, and to choose one of the scenarios of a specific low inertia location over the others. This helps in fulfilling proper long-term planning and short-term operation from the system operator’s perspective.

O ilhamento em sistemas elétricos contendo geração distribuída ocorre quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da concessionária e o subsistema isolado continua a ser energizado por geradores distribuídos. É importante detectar essa condição, que pode, por exemplo, levar a problemas como alteração da qualidade da energia elétrica e religamento automático fora de sincronismo, causando danos irreversíveis aos equipamentos da rede elétrica. Uma forma de detecção do ilhamento é o uso de funções de proteção de frequência e suas variações, tais como a função de taxa de variação de frequência e a função de deslocamento de fase (ou salto de vetor). Neste contexto, é importante que se tenham modelos computacionais e analíticos confiáveis dessas funções de proteção para que sejam executadas simulações, permitindo validar ajustes e verificar condições anormais de operação. O objetivo desta dissertação é desenvolver e validar modelos computacionais e analíticos das funções de proteção de sub/sobre frequência, taxa de variação de frequência e deslocamento de fase, empregados na detecção de ilhamento de geradores distribuídos. Os modelos computacionais são desenvolvidos em uma plataforma que permite realizar simulações dinâmicas em tempo real. A validação dos modelos é efetuada utilizando funções de proteção existentes em relés comerciais. A avaliação de desempenho dos modelos em relação à proteção anti-ilhamento é realizada utilizando o conceito das curvas de desempenho, as quais foram obtidas a partir de simulações computacionais em tempo real e em malha fechada pelo uso de um simulador digital em tempo real. Os resultados permitem comprovar a efetividade dos modelos para representar as funções de proteção dos relés comerciais ensaiados, com erros abaixo de 3% para uma ampla faixa de pontos de operação do sistema elétrico e do gerador distribuído. / Islanding in power distribution systems with distributed generators occurs when part of the electrical network becomes isolated from the electrical company and the isolated area is still energized by distributed generation. It is important to detect this condition which can lead to problems such as low power quality levels and out of step reclosing, causing severe equipment damages. One of the island detection methods is the use of frequency protection functions and their variations, such as the rate of change of frequency relay and phase shift relay (or vector surge relay). In this context, it is important to obtain reliable relay computational and analytical models to execute simulations that allow verifying and validating settings, and investigating abnormal operation conditions. This dissertation aims to develop and validate computational and analytical models of under and over frequency, rate of change of frequency and phase shift protection functions applied to distributed generation islanding detection. The computational model development is performed on a real time dynamic simulation platform. The model validations are performed using protection functions of commercial relays. The models performance evaluation and validation were carried out by using the performance curves, which are obtained through real time closed loop simulations using a real time digital simulator. The results prove the model effectiveness to represent commercial protection functions, with errors below 3% for a wide range of distribution system and distributed generator operating conditions.

O ilhamento em sistemas elétricos contendo geração distribuída ocorre quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da concessionária e o subsistema isolado continua a ser energizado por geradores distribuídos. É importante detectar essa condição, que pode, por exemplo, levar a problemas como alteração da qualidade da energia elétrica e religamento automático fora de sincronismo, causando danos irreversíveis aos equipamentos da rede elétrica. Uma forma de detecção do ilhamento é o uso de funções de proteção de frequência e suas variações, tais como a função de taxa de variação de frequência e a função de deslocamento de fase (ou salto de vetor). Neste contexto, é importante que se tenham modelos computacionais e analíticos confiáveis dessas funções de proteção para que sejam executadas simulações, permitindo validar ajustes e verificar condições anormais de operação. O objetivo desta dissertação é desenvolver e validar modelos computacionais e analíticos das funções de proteção de sub/sobre frequência, taxa de variação de frequência e deslocamento de fase, empregados na detecção de ilhamento de geradores distribuídos. Os modelos computacionais são desenvolvidos em uma plataforma que permite realizar simulações dinâmicas em tempo real. A validação dos modelos é efetuada utilizando funções de proteção existentes em relés comerciais. A avaliação de desempenho dos modelos em relação à proteção anti-ilhamento é realizada utilizando o conceito das curvas de desempenho, as quais foram obtidas a partir de simulações computacionais em tempo real e em malha fechada pelo uso de um simulador digital em tempo real. Os resultados permitem comprovar a efetividade dos modelos para representar as funções de proteção dos relés comerciais ensaiados, com erros abaixo de 3% para uma ampla faixa de pontos de operação do sistema elétrico e do gerador distribuído. / Islanding in power distribution systems with distributed generators occurs when part of the electrical network becomes isolated from the electrical company and the isolated area is still energized by distributed generation. It is important to detect this condition which can lead to problems such as low power quality levels and out of step reclosing, causing severe equipment damages. One of the island detection methods is the use of frequency protection functions and their variations, such as the rate of change of frequency relay and phase shift relay (or vector surge relay). In this context, it is important to obtain reliable relay computational and analytical models to execute simulations that allow verifying and validating settings, and investigating abnormal operation conditions. This dissertation aims to develop and validate computational and analytical models of under and over frequency, rate of change of frequency and phase shift protection functions applied to distributed generation islanding detection. The computational model development is performed on a real time dynamic simulation platform. The model validations are performed using protection functions of commercial relays. The models performance evaluation and validation were carried out by using the performance curves, which are obtained through real time closed loop simulations using a real time digital simulator. The results prove the model effectiveness to represent commercial protection functions, with errors below 3% for a wide range of distribution system and distributed generator operating conditions.