Este trabalho apresenta um estudo de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) no sistema elétrico industrial de uma concessionária geradora de energia elétrica do Brasil. O estudo teve enfoque na distorção harmônica gerada nos serviços auxiliares da usina termoelétrica. Para tanto, foi necessária a simulação e análise da planta da termoelétrica, com atenção nos serviços auxiliares pertencentes a ela, devido aos altos níveis de distorções harmônicas registrados. A simulação foi feita com o programa ATP (Alternative Transients Program) no domínio do tempo, através de sua interface gráfica, o ATP Draw. Nele foram modelados os principais componentes que pertencem ao Sistema Elétrico de Potência (SEP) em questão, como geradores, transformadores, linhas e cargas não lineares. Com a modelagem do SEP da termoelétrica, é possível determinar os níveis da distorção harmônica em diversos locais da planta, e aprofundar o estudo para que seja possível fazer a mitigação desses distúrbios. A diminuição da distorção harmônica junto ao aumento do fator de potência permite um melhor desempenho da usina, aumentando a faturamento da empresa através do aumento da energia entregue ao sistema elétrico. / This dissertation presents a study of Power Quality in an electrical system of a thermoelectric power plant in Brazil. The study focused on the harmonic distortion generated in the auxiliary services of the plant. Therefore, it was necessary to simulate and analyze the thermal plant, with attention to auxiliary services belonging to it, due to high levels of harmonic distortion registered. The simulation was performed using the ATP (Alternative Transients Program) in the time domain through its interface, the ATP Draw. It were modeled the main components that belong to the Power System in question, such as generators, transformers, lines and non-linear loads. With the modeling of the thermoelectric plant, is possible to determine the levels of harmonic distortion at various locations within the plant. The reduction of harmonic distortion along with the increase of power factor allows a better plant performance, increasing company revenue by increasing the energy delivered to the electrical system.

Sistemas de automação para monitoramento e controle de subestações de energia elétrica têm passado por uma constante evolução motivada por diversos fatores como o advento de novas tecnologias, a maior complexidade dos sistemas elétricos, o aumento de demandas de energia, bem como as reduções de custo necessárias para se obter uma maior competitividade das empresas do setor. Melhorias significantes nesses aspectos são obtidas através da implementação da norma IEC 61850. Tal norma proporciona, como vantagem principal, a interoperabilidade entre dispositivos de diversos fabricantes. Entretanto, ainda há uma lacuna no que diz respeito ao uso de sistemas de comunicação sem fio, pois a norma atual não contempla tal opção. O uso de redes sem fio pode trazer uma série de benefícios ainda não explorados, como prover baixos custo de manutenção e instalação. Esse trabalho propõe uma solução para a integração de sistemas de comunicação sem fio com a norma IEC 61850, atendendo aos requisitos de subestações de energia, tais como, confiabilidade e segurança. / Automation systems for power substations monitoring and control have been constantly evolving due to different factors like the advent of new technologies, higher complexity in the power system, high energy demands, as well as cost reductions required by the companies in the sector in order to remain competitive. Significant improvements can be achieved in these aspects through the implementation of IEC 61850 standard, whose main advantage lies in the interoperability between the different devices. However, there is still a gap in the use of wireless communication systems. The current standard does not adopt wireless communication options which would bring the benefits of low maintenance and installation costs. This work proposes a solution for the integration of wireless communication technologies within the standard IEC 61850 attending the requirements of the power substations, such as reliability and security even in real-time applications.

Apesar do crescente desenvolvimento das metodologias de localização de faltas fundamentadas na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica nas últimas décadas, alguns aspectos ainda carecem de progressos, especialmente frente à crescente necessidade de aumento da qualidade da energia elétrica entregue aos consumidores. Um destes aspectos diz respeito à consideração da capacitância das linhas de distribuição, efeito nunca dantes considerado para este fim pelas metodologias baseadas em impedância aparente. Assim sendo, o presente trabalho apresenta novos desenvolvimentos relativos à consideração do efeito capacitivo para as metodologias de localização de faltas fundamentadas na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica. O principal desenvolvimento apresentado é um novo equacionamento para fins de localização de faltas, que torna necessária a apresentação de outro desenvolvimento, o de um algoritmo de localização de faltas que considere a capacitância da linha. As novas equações são apresentadas para todos os tipos de faltas e constituem-se de equações polinomiais de segunda ordem em relação ao local da falta. De forma a entender a resposta destas equações frente a diferentes casos de faltas e determinar qual a solução fisicamente correta destas equações, as mesmas são analisadas sob três pontos de vista, a saber, matemático, físico, e numérico. Inicialmente estas equações são analisadas de forma analítica considerandose faltas em um mesmo local, mas com resistências diferentes. Posteriormente a mesma análise é realizada numericamente através de simulações computacionais. Os desenvolvimentos propostos são também submetidos a testes de faltas, simuladas computacionalmente em um sistema sem laterais ou cargas intermediárias. Os resultados obtidos são comparados frente a resultados obtidos também para outras metodologias que constituem atualmente o estado da arte em localização de faltas fundamentada na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica. Através destes resultados é possível mostrar a grande influência que o efeito capacitivo possui nestas metodologias, mesmo em sistemas aéreos de distribuição, e elucidar as grandes melhorias obtidas através dos desenvolvimentos propostos. / Despite the increasing development of impedance-based fault location techniques for electric power distribution systems in the last decades, some aspects still require to progress, especially with the increasing necessity of power quality enhancement. One of these aspects regards to the distribution line shunt admittance consideration, effect that has never been considered before by the impedance-based fault location methods for power distribution systems. In this way, this work presents further improvements regarding the capacitive effect consideration for impedance-based fault location methods for power distribution systems. The main improvement presented is the development of new fault location equations, which yield the necessity of another improvement, a modified fault location algorithm that also considers the line shunt admittance. The new equations are presented for all fault types and are constituted by second-order polynomials in relation to the fault location. In order to understand the response from these equations regarding different fault situations and determine which solution is the physically feasible one, these equations are analyzed from three different points of view, i.e., mathematical, physical, and numerical. First, the developed equations are analytically analyzed considering faults in one location with different fault resistances. After, the same analysis is numerically carried out through computational simulations. The performance of the proposed improvements are also evaluated through computational simulations of faults in a power distribution system without laterals or intermediate loads. The obtained results are compared with results from the current state-of-the-art impedance-based fault location methodologies for power distribution systems. Through these results it is possible to show the great effect that the line shunt admittance, even in aerial distribution systems, has on the existing fault location methodologies and also the great improvements brought by the proposed developments.

Neste trabalho apresentar-se-à um novo método para a localização de faltas em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica. Este combina duas técnicas, uma baseada na Impedância Aparente e outra nas Ondas Viajantes. A técnica de localização por impedância aparente utiliza o sinal armazenado pelo relé, analisando-o na sua frequência fundamental. O resultado desta análise é a estimativa da distância da falta. Esta representa a distância elétrica desde o rele até a falta, o que em sistemas de distribuição radiais, com laterais, pode gerar mais de uma resposta como certa. A técnica das ondas viajantes é utilizada para a localização da seção faltosa utiliza os sinais de alta frequência presentes no sinal. O resultado desta análise é a estimativa da seção onde ocorreu a falta. Assim, estas duas técnicas complementam-se para fornecer a posição da falta. / This work presents a new hybrid method to Fault Location in Power Distribution Systems. This work combines two techniques, one based on Apparent Impedance and the other based on Traveling Waves. Apparent Impedance based methods use the signals stored in the relay. That signals are analyzed in their fundamental frequency. It is obtained as result the distance from sub-station to the fault. This distance represents the electrical distance from the sending end to the fault, but in Power Distribution Systems with several laterals these fault location could be more than one. The Traveling waves method use the high frequencies presents in faulted signals. Obtain with this the faulted section. Thus both techniques are complements, resulting in only one distance to the fault point.

As metodologias de análise de curto-circuito aplicadas a sistemas elétricos de potência apresentaram uma considerável evolução ao longo do último século e foram desenvolvidas inicialmente para o estudo de faltas em sistemas de transmissão de energia elétrica. Estes sistemas possuem características equilibradas e utilizam o método de componentes simétricas para a estimativa do estado do sistema no período durante a falta. O emprego deste método para a determinação das correntes de cur-tos-circuitos em sistemas desequilibrados, por requerer simplificações e considera-ções que viabilizem sua aplicação, incorre em erros que crescem com o aumento do grau de desequilíbrio dos sistemas. Para o estudo de faltas em sistemas de distribui-ção de energia elétrica, que são inerentemente desequilibrados, a aplicação do mé-todo de componentes de fase permite a obtenção de resultados mais precisos, pois considera modelos que representam o desequilíbrio do sistema. Este trabalho apre-senta um estudo analítico e numérico que analisa a influência dos desequilíbrios e da resistência de falta no cálculo das correntes de curtos-circuitos em sistemas de distri-buição empregando o método de componentes de fase, que constitui atualmente o estado da arte para o estudo de faltas nestes sistemas. A partir de um sistema de dis-tribuição simplificado, modelado com matrizes de impedâncias e admitâncias trifási-cas, calculadas na frequência fundamental do sistema, é apresentada uma equação matricial generalizada, que determina a corrente de falta que flui por uma impedância de falta, para uma dada condição faltosa. A equação proposta é analisada analítica e numericamente para o caso de faltas fase-terra. Simulações numéricas de estudos de caso em um sistema sem laterais ou cargas intermediárias, considerando diferentes graus de desequilíbrios e resistências de falta, apresentam resultados que quando comparados com os resultados para um sistema idealmente equilibrado mostram a influência que o efeito do desequilíbrio possui na determinação das correntes de curtos-circuitos e ratificam a contribuição do estudo proposto. / The approaches to short-circuit analysis of electric power systems have con-siderably improved over the last century. They were initially developed to study faults in electric power transmission systems, that have balanced characteristics and the symmetrical component method is used. As the use of this method to determine short-circuit currents in unbalanced systems requires simplifications and considera-tions to suit its application, it incurred a error increase as the systems unbalance de-gree grows. The phase components method allows more accurate results for faults study in electric power distribution systems which are inherently unbalanced as it takes into consideration models that represent the systems unbalance. Therefore an analytical and numerical study that analyses imbalance and fault resistance influence over short-circuits currents calculation in distribution systems is discussed in this work. The currently state-of-the-art method, phase components, is used to calculate faults in unbalanced systems. From an elementary distribution system modeled with three-phase impedances and admittances matrices, it is presented a general matrix equation that expresses the fault current that flows through a fault impedance due to certain fault conditions. The resulting equation is analytically and numerically ana-lysed for this fault type. Numerical simulations of a system with no lateral or inter-mediate loads, considering different imbalance degrees and fault resistances, gener-ate results that compared to the results of an ideally balanced system show the influ-ence of the systems unbalance on the fault.

Os Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão constantemente expostos à ocorrência de faltas, o que torna de primordial importância para as concessionárias que estas sejam localizadas com rapidez e precisão. Com isso, a degradação da confiabilidade do sistema e as perdas econômicas são minimizadas. Com este intuito, diversas pesquisas vêm sendo conduzidas nas últimas décadas tendo em vista o desenvolvimento de métodos computacionais para Localização de Faltas (LF) em SDEE. Embora as técnicas disponíveis atualmente sejam capazes de estimar a distância das faltas com relativa exatidão, algumas características intrínsecas aos SDEE ainda impõem limitações à LF em alimentadores radiais. Em geral, o aspecto econômico requer o uso de dados provenientes de um único terminal de medição. Ainda, a quantidade significativa de ramais laterais tipicamente presentes nos SDEE faz com que o problema das múltiplas estimativas da LF seja considerado como a principal limitação à efetividade das técnicas existentes na atualidade. Neste contexto, este trabalho apresenta uma metodologia baseada na análise dos transitórios de alta frequência gerados pelas faltas, a qual é capaz de fornecer uma estimativa única para a LF em SDEE ramificados a partir de medições somente no terminal local. O ramal em falta e a distância da falta em relação ao terminal de medição são determinados através da comparação entre as frequências características identificadas no espectro do transitório, e as frequências teóricas calculadas para os possíveis caminhos de propagação. Uma das principais contribuições deste trabalho consiste na formulação de um modelo detalhado das linhas de distribuição desequilibradas. A formulação proposta é baseada na modificação nas equações de Carson, considerando a dependência da frequência e a inclusão dos efeitos pelicular e da corrente de retorno pela terra para altas frequências. Como resultado, esta abordagem permite uma maior exatidão na determinação dos parâmetros modais que descrevem a propagação de transitórios em SDEE desequilibrados, eliminando as aproximações adotadas pela maioria das técnicas propostas na literatura atual. A técnica proposta foi avaliada considerando simulações de faltas nos alimentadores IEEE 13 e 34 barras através do ATP/EMTP. Os resultados apresentados incluem diversos cenários de faltas, bem como a comparação com um método de LF para SDEE considerado estado da arte atualmente. / Electric power distribution systems (EPDS) are continuously exposed to faults, therefore fast and accurate fault location is of paramount importance for utilities. Thus, degradation of system reliability and economic losses are minimized. In this sense, several studies have been conducted in the last decades aiming to the development of computational methods for Fault Localization (FL) in EPDS. Although the currently available techniques are able to estimate fault distance with relative accuracy, some intrinsic characteristics of EPDS still impose limitations to FL in radial feeders. In general, the economic aspect requires use of data from one-terminal measurements. Also, typical EPDS have a large number of branches, which makes the problem of multiple FL estimates the main limitation to the effectiveness of the existing techniques. In this context, this work presents a methodology based on the analysis of the high frequency transient generated by faults, which is able to provide a unique FL estimate in branched EPDS by using only one-terminal measurements. The faulted branch and the fault distance from the measurement terminal are determined by correlating the characteristic frequencies identified in the transient spectrum and theoretical frequencies calculated for the possible propagation paths. One of the main contributions of this work is the formulation of a detailed model of unbalanced distribution lines. The proposed formulation is based on the modification of Carson’s equations, considering frequency dependence and inclusion of skin effects and the ground current return at high frequencies. As a result, this approach allows a greater accuracy in determining the modal parameters that describe the transients’ propagation in unbalanced EPDS, thus eliminating the approximations adopted by most of the techniques proposed in the current literature. The proposed technique was evaluated considering fault simulations in the IEEE 13 and 34 nodes feeders through the ATP/EMTP. Results presented include several fault scenarios as well as the comparison with a FL method for SDEE currently considered as the state of the art.

Este trabalho propõe uma metodologia para enumerar soluções, que indiquem a barra e a compensação de potência reativa necessária para o sistema elétrico sob análise, que atendam aos requisitos avaliados pela função objetivo e as restrições. Nessa alocação de compensação ótima de potência reativa, obtemos as melhores barras e configurações de potências e tecnologias de dispositivos de compensação, minimizando as perdas totais de potência ativa da rede. Em redes fracas com conversores de frequência (por exemplo, para conexão de fontes renováveis, ou interligações utilizando conversores HVDC), esta metodologia proposta busca a melhor relação de curto-circuito trifásico (SCR) no ponto de conexão do conversor de frequência, melhorando a conexão da barra de interesse. O método busca soluções para alocar um único dispositivo de compensação, e soluções alocando simultaneamente dois dispositivos. A metodologia proposta baseia-se na enumeração exaustiva das soluções, e o estudo de caso nos sistemas de 14 e 30 barras do IEEE mostrou a aplicabilidade e funcionalidade da metodologia proposta. / This work proposes a methodology to enumerate solutions, which indicate the bar and the reactive power compensation required for the electrical system under analysis, that meet the requirements evaluated by the objective function and the constraints. In this allocation of optimal compensation of reactive power, we obtain the optimal bars and technologies of compensation devices, minimizing the total losses of active power of the network. In weak networks with frequency converters (e.g. for connection of renewable sources, or interconnections using HVDC converters), the proposed methodology seeks the best threephase short-circuit (SCR) relation at the connection point, improving the connection of the new generation. The method looks for solutions to allocate a single compensation device, and solutions to allocate two devices simultaneously. The proposed methodology is based on the exhaustive enumeration of the solutions. A case study carried out in the IEEE 14 and 30 bus systems shows the applicability and performance of the proposed methodology.

Este trabalho apresenta um estudo de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) no sistema elétrico industrial de uma concessionária geradora de energia elétrica do Brasil. O estudo teve enfoque na distorção harmônica gerada nos serviços auxiliares da usina termoelétrica. Para tanto, foi necessária a simulação e análise da planta da termoelétrica, com atenção nos serviços auxiliares pertencentes a ela, devido aos altos níveis de distorções harmônicas registrados. A simulação foi feita com o programa ATP (Alternative Transients Program) no domínio do tempo, através de sua interface gráfica, o ATP Draw. Nele foram modelados os principais componentes que pertencem ao Sistema Elétrico de Potência (SEP) em questão, como geradores, transformadores, linhas e cargas não lineares. Com a modelagem do SEP da termoelétrica, é possível determinar os níveis da distorção harmônica em diversos locais da planta, e aprofundar o estudo para que seja possível fazer a mitigação desses distúrbios. A diminuição da distorção harmônica junto ao aumento do fator de potência permite um melhor desempenho da usina, aumentando a faturamento da empresa através do aumento da energia entregue ao sistema elétrico. / This dissertation presents a study of Power Quality in an electrical system of a thermoelectric power plant in Brazil. The study focused on the harmonic distortion generated in the auxiliary services of the plant. Therefore, it was necessary to simulate and analyze the thermal plant, with attention to auxiliary services belonging to it, due to high levels of harmonic distortion registered. The simulation was performed using the ATP (Alternative Transients Program) in the time domain through its interface, the ATP Draw. It were modeled the main components that belong to the Power System in question, such as generators, transformers, lines and non-linear loads. With the modeling of the thermoelectric plant, is possible to determine the levels of harmonic distortion at various locations within the plant. The reduction of harmonic distortion along with the increase of power factor allows a better plant performance, increasing company revenue by increasing the energy delivered to the electrical system.

Sistemas de automação para monitoramento e controle de subestações de energia elétrica têm passado por uma constante evolução motivada por diversos fatores como o advento de novas tecnologias, a maior complexidade dos sistemas elétricos, o aumento de demandas de energia, bem como as reduções de custo necessárias para se obter uma maior competitividade das empresas do setor. Melhorias significantes nesses aspectos são obtidas através da implementação da norma IEC 61850. Tal norma proporciona, como vantagem principal, a interoperabilidade entre dispositivos de diversos fabricantes. Entretanto, ainda há uma lacuna no que diz respeito ao uso de sistemas de comunicação sem fio, pois a norma atual não contempla tal opção. O uso de redes sem fio pode trazer uma série de benefícios ainda não explorados, como prover baixos custo de manutenção e instalação. Esse trabalho propõe uma solução para a integração de sistemas de comunicação sem fio com a norma IEC 61850, atendendo aos requisitos de subestações de energia, tais como, confiabilidade e segurança. / Automation systems for power substations monitoring and control have been constantly evolving due to different factors like the advent of new technologies, higher complexity in the power system, high energy demands, as well as cost reductions required by the companies in the sector in order to remain competitive. Significant improvements can be achieved in these aspects through the implementation of IEC 61850 standard, whose main advantage lies in the interoperability between the different devices. However, there is still a gap in the use of wireless communication systems. The current standard does not adopt wireless communication options which would bring the benefits of low maintenance and installation costs. This work proposes a solution for the integration of wireless communication technologies within the standard IEC 61850 attending the requirements of the power substations, such as reliability and security even in real-time applications.

Este trabalho apresenta um modelo para alocação e dimensionamento ótimo da geração distribuída em sistemas elétricos de potência. Com o objetivo de minimizar o custo da concessionária devido as perdas ativas e desvios de tensão em regime permanente, ambos foram transformados em valores monetários utilizando a normativa existente no Brasil. O problema de otimização considera uma curva de carga de 24 níveis com o intuito de simular uma curva de carga diária em intervalos de uma hora. Foram considerados limites de tensão de cada barra e corrente máxima em cada trecho do alimentador. O fluxo de potência foi estimado através do algoritmo clássico de Newton Raphson. A alocação da geração distribuída, a qual é considerada em mais de um local do alimentador, é tratada como uma variável binária no modelo desenvolvido. O modelo de otimização não-linear inteira mista é escrita mediante um algoritmo em Matlab na linguagem GAMS e enviado para o servidor de otimização NEOS e solucionado pelo solver KNITRO. O resultado é a obtenção do valor dos custos evitados para a concessionária facilitando o diagnóstico para a tomada de decisões. Por fim para verificação do método, realiza-se um estudo de caso em um sistema de distribuição de 33 barras da IEEE, sendo os resultados analisados e discutidos. / This work presents a model for optimal distributed generation sizing and allocation in power systems. The main objectives are to reduce costs for the power distribution company by power losses and compensation for voltage levels violation, both are converted in monetary values based on the Brazilian normative. The optimization problem considers a load curve with 24 levels to simulate one day in intervals of one hour. Also the model considers voltage limits for each bus and maximum currents for every line in the feeder. The power flow was formulated by the classical Newton Raphson theory. The distribution generation allocation is modeled as binary variables and can be allocated in more than one bus in the feeder. The mixed integer nonlinear model is written by a Matlab algorithm in GAMS language and solved by KNITRO through NEOS solver for optimization. The model was tested using the IEEE 33 buses, and the results were evaluated and discussed. The model lets power distribution companies reduce operational cost and penalties with optimal placement and sizing of distributed generation.