IEC 61850 is rapidly becoming the internationally recognized standard for substation automation systems making it an indispensable element in power system protection and automation education. In order to facilitate teaching this very practical subject, a laboratory setup was developed to demonstrate IEC 61850 station bus inter Intelligent Electronic Device (IED) communication. In this setup, an electrical substation was implemented in a real time digital simulator (RTDS) and protection schemes were implemented in IEC 61850 station bus compliant IEDs from different vendors. Trip signals and breaker statuses were exchanged between RTDS and IEDs using GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) messages. Several protection applications including a novel backup bus protection scheme were developed based on the setup to demonstrate the use of GOOSE messages in time critical applications. The developed test setup along with the designed laboratory exercises will undoubtedly enhance teaching, training and research in this important field. / February 2016

Esquemas de Rejeição de Cargas (RC) por subfrequência, utilizados para manter a frequência de operação de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) próxima ao seu valor nominal, precisam ser criteriosamente projetados a fim de diminuir os riscos de colapso generalizado do sistema. Entretanto, pelos métodos convencionais, a quantidade de carga a ser rejeitada não leva em consideração a dinamicidade intrínseca do sistema, sendo baseada em conjecturas estáticas sobre porções do SEP. Como resultado, a redução da carga geralmente não é eficiente, gerando rejeição insuficiente ou excessiva. Neste cenário, este trabalho propõe um novo esquema para o controle da frequência em comparação aos processos de RC usualmente empregados. Com o propósito de superar as limitações e melhorar as principais funções desses processos é proposto um Sistema Multi Agentes (SMA) centralizado que irá coordenar as diversas etapas de monitoramento, processamento e tomada de decisão nos barramentos disponíveis para corte em situações de subfrequência. Busca-se dessa forma, desconectar o menor montante de cargas do sistema, por um curto espaço de tempo e com menor perturbação da frequência. Neste sentido, uma malha de controle fechada foi desenvolvida a partir da simulação de um sistema elétrico de potência completo via o Real Time Digital Simulator (RTDS). O SMA foi embarcado em um sistema integrado de hardware e software em tempo real para teste e validação da metodologia proposta. No contexto delineado, uma métrica de avaliação foi proposta para comparar o método proposto com outras duas filosofias convencionais de RC. Os resultados obtidos permitem evidenciar o bom desempenho do SMA frente às duas filosofias convencionais, principalmente no que se refere ao montante de carga a ser rejeitado, com boa aproximação do valor esperado. / Automatic Under Frequency Load Shedding (AUFLS) schemes, used to maintain the frequency of an electric power system close to the nominal value, need to be carefully designed in order to reduce the risk of a widespread system collapse. However, the conventional methods do not take into account the inherent dynamics of an electric system and they are based on static assumptions. As a result, the shedding is generally not efficient, causing insufficient or excessive load discontinuity. In this scenario, this work proposes a new scheme for controlling the frequency compared to the AUFLS processes usually employed. In order to overcome the limitations of the methods usually employed and to improve the main functions of the AUFLS schemes, this work proposes a centralized MultiAgent System (MAS) that will coordinate the various stages of the monitoring and decision making process. The MAS seeks to disconnect a minimum amount of loads, in a short period of time and with less disturbance of the system frequency. A Hardware in Loop (HIL) configuration was developed from the simulation of a full electric system using the Real Time Digital Simulator (RTDS). The MAS was embedded in a real time system, consisting of hardware and software to test and validate the proposed methodology. In addition, a scoring metric evaluation is defined in order to compare other two conventional AUFLS philosophies. The results show good performance of the proposed MAS. The shedding was carried out in a single step and the amount of load shed was very close to the expected value.

Esquemas de Rejeição de Cargas (RC) por subfrequência, utilizados para manter a frequência de operação de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) próxima ao seu valor nominal, precisam ser criteriosamente projetados a fim de diminuir os riscos de colapso generalizado do sistema. Entretanto, pelos métodos convencionais, a quantidade de carga a ser rejeitada não leva em consideração a dinamicidade intrínseca do sistema, sendo baseada em conjecturas estáticas sobre porções do SEP. Como resultado, a redução da carga geralmente não é eficiente, gerando rejeição insuficiente ou excessiva. Neste cenário, este trabalho propõe um novo esquema para o controle da frequência em comparação aos processos de RC usualmente empregados. Com o propósito de superar as limitações e melhorar as principais funções desses processos é proposto um Sistema Multi Agentes (SMA) centralizado que irá coordenar as diversas etapas de monitoramento, processamento e tomada de decisão nos barramentos disponíveis para corte em situações de subfrequência. Busca-se dessa forma, desconectar o menor montante de cargas do sistema, por um curto espaço de tempo e com menor perturbação da frequência. Neste sentido, uma malha de controle fechada foi desenvolvida a partir da simulação de um sistema elétrico de potência completo via o Real Time Digital Simulator (RTDS). O SMA foi embarcado em um sistema integrado de hardware e software em tempo real para teste e validação da metodologia proposta. No contexto delineado, uma métrica de avaliação foi proposta para comparar o método proposto com outras duas filosofias convencionais de RC. Os resultados obtidos permitem evidenciar o bom desempenho do SMA frente às duas filosofias convencionais, principalmente no que se refere ao montante de carga a ser rejeitado, com boa aproximação do valor esperado. / Automatic Under Frequency Load Shedding (AUFLS) schemes, used to maintain the frequency of an electric power system close to the nominal value, need to be carefully designed in order to reduce the risk of a widespread system collapse. However, the conventional methods do not take into account the inherent dynamics of an electric system and they are based on static assumptions. As a result, the shedding is generally not efficient, causing insufficient or excessive load discontinuity. In this scenario, this work proposes a new scheme for controlling the frequency compared to the AUFLS processes usually employed. In order to overcome the limitations of the methods usually employed and to improve the main functions of the AUFLS schemes, this work proposes a centralized MultiAgent System (MAS) that will coordinate the various stages of the monitoring and decision making process. The MAS seeks to disconnect a minimum amount of loads, in a short period of time and with less disturbance of the system frequency. A Hardware in Loop (HIL) configuration was developed from the simulation of a full electric system using the Real Time Digital Simulator (RTDS). The MAS was embedded in a real time system, consisting of hardware and software to test and validate the proposed methodology. In addition, a scoring metric evaluation is defined in order to compare other two conventional AUFLS philosophies. The results show good performance of the proposed MAS. The shedding was carried out in a single step and the amount of load shed was very close to the expected value.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta. / Protection systems play a critical role in the safety and reliability of electric power systems. The non-operation or wrong operation of protective relays during a fault in a network element can evolve to a systemic event in large scale (blackout). These events bring risks and high economic losses to society. Despite the high cost and complexity, the protection of synchronous generators has not received much attention in the literature devoted to protection of other network elements, such as transmission lines. This stems from the smaller number of generators in the network and also the idea that the faults in this type of equipment are less frequent. This research discusses the main aspects involved in the design of a protection system for large synchronous generators. Initially, it discusses the key concepts of interest to the generation protection. Particular attention is given to grounding techniques and the criteria adopted for the design of grounding resistors used in those equipment. Then the main protection functions applicable to generators are presented, particularly those related to fault detection in the stator windings. The criteria for setting the parameters of these functions are also discussed. After that, the use of a laboratory shelf, based on Real-Time Digital Simulator (RTDS) for testing and analysis of the protection system, is described in order to validate the correct performance in face of possible operating conditions in the field. Finally, a study case is developed using the concepts developed throughout the research. Then, the design and implementation of the protection system of generators of a hypothetical hydroelectric plant are carried out. To evaluate and analyze the performance of this example network protection system, parameterized up IED G60 (GE) and held numerous simulations in the proposed test platform.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta. / Protection systems play a critical role in the safety and reliability of electric power systems. The non-operation or wrong operation of protective relays during a fault in a network element can evolve to a systemic event in large scale (blackout). These events bring risks and high economic losses to society. Despite the high cost and complexity, the protection of synchronous generators has not received much attention in the literature devoted to protection of other network elements, such as transmission lines. This stems from the smaller number of generators in the network and also the idea that the faults in this type of equipment are less frequent. This research discusses the main aspects involved in the design of a protection system for large synchronous generators. Initially, it discusses the key concepts of interest to the generation protection. Particular attention is given to grounding techniques and the criteria adopted for the design of grounding resistors used in those equipment. Then the main protection functions applicable to generators are presented, particularly those related to fault detection in the stator windings. The criteria for setting the parameters of these functions are also discussed. After that, the use of a laboratory shelf, based on Real-Time Digital Simulator (RTDS) for testing and analysis of the protection system, is described in order to validate the correct performance in face of possible operating conditions in the field. Finally, a study case is developed using the concepts developed throughout the research. Then, the design and implementation of the protection system of generators of a hypothetical hydroelectric plant are carried out. To evaluate and analyze the performance of this example network protection system, parameterized up IED G60 (GE) and held numerous simulations in the proposed test platform.