Dispositivos baseados em eletrônica de potência, conhecidos na literatura como Dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems) permitem aumentar a capacidade de transmissão diminuindo a margem de segurança necessária para uma operação segura do sistema elétrico de potência (SEP) sem construir novas linhas, permitindo controlar os fluxos nas linhas e assim permitindo que os contratos entre as empresas de transmissão sejam respeitados. Entre os dispositivos FACTS, o de maior versatilidade é o Unified Power Flow Controller (UPFC), capaz de controlar três variáveis do sistema. No entanto, a inclusão desses dispositivos traz outros problemas ao SEP, um deles, a proteção das linhas. Este trabalho apresenta uma contribuição para uma nova formulação matemática, adaptativa e compensada para a proteção de distância baseada na impedância aparente para a proteção de linhas compensadas com dispositivos UPFC. A formulação proposta se baseia em uma modelagem trifásica do sistema e na compensação da impedância aparente calculada através dos parâmetros controlados do UPFC e da estimação da impedância da falta. Resultados obtidos através da simulação exaustiva de faltas, mostram que esta formulação apresenta um excelente desempenho para a proteção de distância de linhas compensadas por dispositivos UPFC. / Power electronics-based devices, known as FACTS devices (Flexible Alternating current Transmission Systems) allow to increase transmission capacity by decreasing the safety margin required for a secure operation of the Electric Power System (EPS). It is possible without need to build new lines, allowing to control the flows in lines and thus allowing contracts between the transmission companies are respected. Among the FACTS devices, the most versatile is the Unified Power Flow Controller (UPFC) capable of controlling three variables of the system. However, the inclusion of these devices brings other problems to the EPS, one of them, the transmission lines protection. This Thesis presents a contribution to a new mathematical formulation, adaptive and compensated for the distance protection based on the apparent impedance to protect transmission lines compensated by UPFC devices. The proposed formulation is based on a three-phase frame reference and the compensation of apparent impedance by the UPFC controlled parameters and the estimation of the fault impedance. Results obtained, through the comprehensive simulation of faults, show that it formulation present excellent performance for distance protection of transmission lines compensated by UPFC devices.

Relés de distância são muito utilizados para proteger linhas de transmissão. Porém, há baixa precisão dos limites de sua zona de proteção devido a fenômenos de subalcance e sobrealcance. Assim, nesta dissertação de mestrado é proposto um algoritmo com compensação da resistência de falta, baseado em coordenadas de fase, objetivando aumentar a precisão dos limites da zona de proteção. A formulação proposta utiliza uma estimativa da corrente de falta para estimar a resistência de falta e compensar a impedância aparente calculada. Foram realizados o equacionamento e desenvolvimento do algoritmo para faltas tipo fase. Simulações e testes numéricos comparativos com formulações estado-da-arte verificaram a eficiência do método proposto. / Distance Relays are widely used to protect transmission lines. However, due to underreaching and overreaching phenomena, there is a low precision in protection zone limits of distance relays. Thus, in this dissertation, a new algorithm based in phase coordinates is proposed to increase the precision in zone protection limits. The proposed method uses the fault corrent to estimate the fault resistance and compensate the apparent impedance calculated. The equation development was done for phase type faults. Comparative tests with state-of-the-art formulations verified the efficiency of the proposed method.

A qualidade e a continuidade do fornecimento de energia elétrica aos consumidores são fatores muito importantes quando da avaliação da eficiência de um sistema elétrico de potência. Nesse contexto, os transformadores são equipamentos muito importantes e demandam especial atenção quando do projeto do esquema de proteção. Apesar do crescente desenvolvimento das metodologias de proteção de transformadores trifásicos, alguns aspectos ainda não foram totalmente solucionados. Um desses diz respeito à proteção diferencial de transformadores de potência, a qual apresenta vários problemas na discriminação de faltas internas ao transformador. A geração de correntes diferenciais provocada por fenômenos transitórios, como a energização do transformador, produz a incorreta operação do relé, ocasionando uma queda na eficiência do esquema de proteção diferencial. Assim sendo, o presente trabalho apresenta uma nova metodologia de proteção diferencial de transformadores trifásicos, a qual utiliza a transformada wavelet para extrair os sinais transitórios dominantes induzidos pelas faltas internas. A transformada wavelet é uma eficiente ferramenta utilizada no estudo de sinais não-estacionários e de rápida transição. De forma a atender os principais problemas do esquema convencional de proteção, a transformada wavelet discreta é utilizada para decompor os sinais de corrente diferencial em várias faixas de freqüências. Após essa decomposição, a variação de energia espectral dos coeficientes de detalhe wavelet é analisada pelo algoritmo proposto, e assim uma discriminação entre faltas internas e correntes de magnetização, ou correntes inrush, é feita. Usando um modelo elaborado de um sistema elétrico de transmissão são efetuadas rigorosas simulações computacionais para avaliar o desempenho do algoritmo proposto. Os resultados obtidos nessas simulações mostram que a metodologia de proteção diferencial de transformadores trifásicos baseada na variação de energia espectral dos coeficientes wavelets apresenta um ótimo desempenho quando comparada com a metodologia de proteção convencional. / Power supply quality and continuity are very important aspect when assessing the efficiency of an electric power system. In this context, the transformers are key equipments that require special attention during the protection scheme design. Despite the increasing development of methodologies for three-phase transformers protection, some aspects have not yet been fully studied. One of these aspects concerns to the differential protection of power transformers, which presents several restrictions regarding the characterization of internal faults. The observation of differential currents caused by transient phenomena such as transformer energization, produces an incorrect operation of protective relaying, causing a drop in the protection scheme efficiency. Therefore, this work presents a new methodology for differential protection of three-phase transformers using the wavelet transform to extract the transient signals induced by the dominant internal faults. The wavelet transform is an efficient tool in the study of non-stationary signals with fast transients. In order to overcome the main problems of the traditional protection scheme, the discrete wavelet transform is used to decompose the differential current signals into several bands of frequencies. After this decomposition, the spectral energy variation of the wavelet detail coefficients is analyzed by the proposed algorithm and, thus, classification between internal faults, external faults and inrush currents is performed. Using a transmission system model, accurate simulations are performed to evaluate the computational performance of the proposed protection algorithm. The results obtained in these simulations show that the proposed methodology has a great performance when compared with traditional protection philosophies.

A inserção de fontes de geração distribuída (GD) traz a possibilidade de diversificação da matriz energética e a redução de perdas elétricas no transporte de EE – porque as fontes localizam-se próximas aos clientes finais. Entre elas destacam-se as fontes fotovoltaicas, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) e termelétricas à biomassa. As duas primeiras, apresentam a peculiaridade de normalmente serem conectadas à rede através de inversores de frequência. As outras duas costumam ser conectadas diretamente ao sistema. Todavia, a GD também propicia consequências ao SEP, muitas vezes indesejadas, como variações nos parâmetros da qualidade da energia elétrica (QEE). O compromisso que se deve manter com a QEE entregue aos consumidores é de vital importância para as empresas transmissoras e distribuidoras de energia elétrica, bem como para os utilitários dessa EE. Além disso, para que haja o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos e de diversos processos industriais é necessário que a energia elétrica permaneça em uma faixa de tensão aceitável. Entre os fenômenos de interesse da área de qualidade de energia elétrica, os quais devem ser eliminados ou mitigados para a melhor operabilidade do SIN, pode-se citar: harmônicos, flutuação de tensão, subtensão, sobretensão e afundamentos de tensão. Devido a observabilidade rotineira e aos prejuízos (financeiros e/ou técnicos) associados ao fenômeno, o interesse desse estudo consiste nos afundamentos de tensão. Nesse contexto, apresenta-se uma proposta para análise dos afundamentos de tensão em um ambiente com geração distribuída (fotovoltaica, eólica, PCH e termelétrica à biomassa) através de simulações de curtos-circuitos. Os resultados obtidos através da metodologia proposta mostram que a inserção de GD pode trazer uma variação no número de afundamentos de tensão e melhorar os níveis de tensão nas barras, sobretudo nos locais onde foram inseridas bem como em suas proximidades. Também, há redução no número de afundamentos de maior severidade os quais causam mais prejuízos e preocupação a operabilidade do SEP. / The insertion of distributed generation (DG) sources brings the possibility of diversification of energy sources types and the reduction of electrical losses in the transport of EE - because the sources are located close to end users. Among these sources are photovoltaic, wind, small hydropower and biomass-fired power plants. The first two, are usually connected to the network through frequency inverters. The other two are usually connected directly to the system. However, DG also provides consequences to the electrical power system, often unwanted, such as variations in the parameters of power quality (PQ). The commitment should be retained with the power quality delivered to customers. Moreover, for the correct operation of electronic equipment and various industrial processes it is necessary that the voltage remains within an acceptable range. Among the phenomena of interest to electric power quality, which must be eliminated or mitigated, we can mention: harmonics, voltage fluctuation, undervoltage, overvoltage and voltage sags (dips). Due to losses (financial and/or technical) associated with the phenomenon, the interest of this study consists of the voltage sags. In this context, we present a proposal for analysis of voltage sags in an environment with distributed generation (photovoltaic, wind, thermal and biomass-fired power plants) through simulations of short circuits. The results obtained through the proposed methodology shows that the inclusion of DG can bring a change in the number of voltage sags and improve voltage levels in bars, especially in places where they were inserted and in its vicinity. Also, there is a reduction in the number of severe voltage sags which cause more harm and concern to end-users and utilities.

Este trabalho fundamenta-se no desenvolvimento e aprimoramento de uma metodologia de proteção diferencial de Transformadores de Potência. A metodologia desenvolvida avalia eventos transitórios que dificultam a operação correta de relés diferenciais aplicados à proteção de transformadores. O estudo concentra-se no estabelecimento de contribuições ao estado da arte associadas à análise de sinais de corrente diferenciais geradas tanto por faltas internas e externas quanto por distúrbios transitórios. A concepção da metodologia proposta baseou-se na quantificação da energia espectral gerada a través dos coeficientes de detalhe da Transformada Wavelet Discreta. A metodologia de proteção proposta foi desenvolvida em ambiente MATLAB® e testada por meio de simulações realizadas através do software ATP/EMTP (Alternative Transients Program/Electromagnetic Transients Program). Os resultados da pesquisa mostram a aplicabilidade do algoritmo de proteção, mesmo nas condições mais adversas, como na ocorrência da saturação dos transformadores de corrente. / This work is based on the development and improvement of a methodology to differential protection of power transformer. The proposed methodology evaluates transient events that difficult the correct operation of differential relays applied to transformer protection. The study establishes contributions to the state of the art related to differential current analysis generated by internal and external faults and transient disturbance. The conception of the proposed methodology was based on the spectral energies variation generated by each event and calculated through the detail coefficient of Discrete Wavelet Transform. The proposed methodology was developed in MATLAB® environment and tested through several simulations performed with the ATP/EMTP software (Alternative Transients Program / Electromagnetic Transients Program). The results of the research show the applicability of the protection algorithms, even in adverse conditions, such as saturation of current transformers.

O mundo moderno está cada dia mais conectado por todos os meios tecnológicos que existem hoje. Isto permite que mais e mais pessoas possam se comunicar, tornando a estrada da comunicação virtual obrigatória para a sobrevivência das pequenas, médias e grandes empresas públicas e privadas. O grande avanço tecnológico do século 20 foi à utilização em grande escala do PC (personal computer) comumente chamados de microcomputadores. Este avanço também chegou aos sistemas elétricos de potência, tornando as subestações digitalizadas. Estas subestações sendo digitais correm riscos de invasão cibernética interna ou mesmo externa. Embora a possibilidade de invasão cibernética externa seja pequena, ela existe. Diante dessa situação este trabalho propõe a aplicação de um sistema de segurança, aplicado em um sistema elétrico de potência. O trabalho concentra-se especificamente no estudo dos sistemas de detecção de intruso (SDI), nos seus dois modos básicos: o SDI por abuso e SDI por anomalia utilizando redes neurais artificiais. Estes conceitos serão testados em um sistema elétrico de potência simulado, com uma rede de comunicação baseada em microcomputadores e/ou equipamentos microprocessados, com relés digitais reais. Os Softwares, denominados SNORT e Carcará, foram utilizados e extensivamente testados com resultados altamente encorajadores para a função descrita. / Modern world is more connected each day by all technological means available. This allows more people to communicate, turning the virtual communication road obligatory to the survival of small, medium and large companies, whether public or private. The great technological advance of the 20th century was the large use of the PCs (personal computer), usually called microcomputers. This advance also reached the power electric systems with the digitalization of the substations. These digitalized substations, run the risk of cybernetic invasion, internal or even external. Although the possibility of external cybernetic invasion is small, it exists. In that context, the present thesis proposes the application of a security system for an electric power system. The focus will be the study of intruder detection systems (IDS), on its two basic forms: the IDS by abuse and the IDS by anomaly, using artificial neural networks. These concepts will be tested in a simulated electric power system, with a communication network based on microcomputers, with actual digital relays with the digitalization of the substations.

Este trabalho apresenta um método baseado em algoritmos genéticos – AGs, o qual consiste na estimação dos parâmetros associados as formas de ondas, tais como amplitude, freqüência e ângulo de fase das mesmas, referentes a uma proposição de relé de freqüência. O método proposto é baseado em algoritmos genéticos com representação real, tendo em vista a não necessidade de codificação dos valores logo na entrada do processo. O objetivo do trabalho é apresentar um estudo de uma das várias técnicas da computação evolutiva, conhecida como AG, cuja aplicação é inspirada nos mecanismos da evolução natural das espécies identificado pelo naturalista inglês Charles Darwin. A idéia principal do método é fazer com que os indivíduos da população evoluam ao longo das iterações, chamadas gerações, produzindo soluções cada vez melhores até convergir a uma solução ótima ou aproximadamente ótima. O algoritmo proposto foi testado com dados simulados no software Matlab. Pelos resultados observados têm-se caracterizado a potencialidade desta ferramenta computacional na estimação dos parâmetros desejados. / This work presents a method based on genetic algorithm – GAs, which consists on estimation of parameters in waveforms, such as their amplitude, frequency and phase angles, related to the application of a frequency relay. The proposed study is based on the genetic algorithms with real representation, once there is no need to codify the values on the input of the process. The objective of this work is to present one of the several techniques of artificial intelligence, known as genetic algorithm, in which the main application is inspired in mechanisms of natural evolution of the species identified by Charles Darwin. The main idea of this method is to make the individuals from one population, called generation, to evolute, producing better solutions until they converge to an optimal or approximately optimal solution. The proposed algorithm was tested with simulated data from Matlab software. The results observed have characterized the efficiency of this computational tool for the estimation of the desired parameters.

Este trabalho foi baseado na metodologia desenvolvida para modelagem computacional de equivalentes dinâmicos de sistemas elétricos de potência apresentada em BRITO, 2009 [5]. Sendo que nesse trabalho desenvolveu um método de modelagem de equivalentes dinâmicos de sistemas elétricos de potência com geradores, máquinas e seus controladores. O equivalente dinâmico consiste em uma substituição de uma parcela de um Sistema Elétrico de Potência, composta por linhas de transmissão, barras de carga e barras geradoras, de forma que estas serão sintetizadas e minimizadas de forma que o número de elementos seja diminuído, mas conservem o comportamento dinâmico elétrico da área original, sendo o mais próximo possível do encontrado no sistema elétrico de potência original. Foram realizados cálculos teóricos para obtenção dos equivalentes estáticos e dinâmicos do referido sistema de potência. Para isso utilizamos o programa ANAREDE para obtenção dos resultados dos fluxos de carga do sistema completo e do sistema reduzido. Estes resultados foram utilizados em um programa de análise de pequenas perturbações, denominado PACDYN, o qual verifica o comportamento dinâmico dos sistemas. Para possibilitar essa análise foi inclusa uma pequena perturbação de tensão no sistema, próxima à sua barra de referência angular. Os resultados encontrados pelo programa PACDYN foram exportados para um programa de análise matemática e simulações, denominado MATLAB, onde foram gerados os gráficos dos resultados obtidos e aplicada a técnica de mínimos quadrados, para ajuste dos resultados. Por meio da comparação dos fluxos de potência dos sistemas completo e equivalente, obteve-se a validação do trabalho, sendo utilizado o sistema New England, como sistema-teste. Neste trabalho aplicamos a metodologia desenvolvida em BRITO, (2009) [5] no sistema de potência-teste New England, complementando o trabalho original, em que a parte interna e externa do sistema, escolhida para construção do equivalente dinâmico eram interligadas por uma única barra de fronteira. Em nosso trabalho utilizamos uma área que nos demandou a utilização de quatro barras de fronteira, quatro linhas de transmissão e uma barra fictícia de acoplamento, onde foi conectado o gerador equivalente e cargas equivalentes. Comparando os resultados do sistema completo e reduzido obtivemos valores próximos o bastante para comprovar a robustez do sistema fictício e validar mais uma vez a metodologia. / This work was based on the methodology developed for computer modeling of dynamic of electric power systems equivalents presented in BRITO, 2009 [5]. And in this work we developed a method of modeling of dynamic equivalents of electric power systems with generators, machines and their controllers. The dynamic equivalent consists of a substitution of a portion of an Electric Power System, consisting of transmission lines, the load buses and generating bars, so that these will be synthesized and minimized so that the number of elements is decreased, but retain the electric dynamic behavior of the original area, with the closest to the found in the electrical system of original power. Theoretical calculations for obtaining the static and dynamic equivalents of said power system were performed. For that use the ANAREDE program to obtain the results of the full system load flows and reduced system. These results were used in a parsing program small disturbances, called PACDYN, which checks the dynamic behavior of the system. To enable this analysis has included a small voltage perturbation in the system, next to its angular reference bar. The results found by PACDYN program were exported to a mathematical analysis and simulation program called MATLAB, which graphs the results obtained and applied the technique of least squares were generated to adjust the results. By comparing the equivalent of complete systems and power flows obtained if the validation work, by using the New England system as test system. In this paper we apply the methodology developed in BRITO, (2009) [5] in the New England power test system, complementing the original work, in which the inside and outside of the system, chosen to build the dynamic equivalent were joined by a single border bar. In our work we use an area which required us to use four border bars, four transmission lines and a dummy coupling bar, which was connected to the equivalent generator and equivalent charges. Comparing the results of the full and reduced system obtained values close enough to demonstrate the robustness of the dummy system and to validate again the methodology.

Este trabalho apresenta um método para a estimação da freqüência em sistemas elétricos de potência utilizando filtros adaptativos baseados no algoritmo dos mínimos quadrados (LMS - least mean square). A análise do sistema de potência é realizada através da conversão das tensões trifásicas em um sinal complexo pela aplicação da transformada \'alfa\'\'beta\', cuja forma complexa foi direcionada ao algoritmo de filtragem adaptativa. O método é baseado na aplicação da filtragem adaptativa para a realização de rastreio do sinal de entrada, o que permite verificar o seu comportamento variante no tempo. O algoritmo proposto foi testado através de formas de ondas geradas com o software Matlab e de simulações realizadas através do software Alternative Transients Program (ATP). É importante salientar que nas simulações do ATP foram modelados diversos equipamentos que constituem o sistema elétrico de potência, incluindo um gerador síncrono com regulação de velocidade, linhas de transmissão com variação em freqüência e transformadores de potência com suas respectivas curvas de saturação. Estas modelagens tiveram por objetivo gerar dados das mais diversas e distintas situações para a verificação e análise da metodologia proposta. Os resultados da pesquisa mostram a excelência na aplicabilidade do algoritmo proposto na estimação da freqüência de um sistema elétrico, mesmo com sinais ruidosos, além do rastreio fiel da freqüência em situações de manobra e operação. Alguns dos resultados apresentados comparam as estimações obtidas pela técnica proposta em relação às estimações de um determinado relé comercial, habilitado à supervisão da freqüência. / This work presents a method for frequency estimation in power systems using adaptive filters based in the algorithm of least mean square (LMS). The analysis of the power system is made through the conversion of the three-phase voltages in a complex signal with the application of \'alfa\'\'beta\' transform, whose complex form was directed to the algorithm of adaptive filtering. The method is based on the application of the adaptive filtering for tracking the input signal, and it allows verifying its variant behavior in time. The algorithm was tested through waveforms generated by Matlab software and simulations carried out through Alternative Transients Program (ATP) software. It is important to point out that in the simulations using ATP many diferent power system equipments had been modeled, including a synchronous generator with speed regulation, transmission lines with variation in frequency and power transformers with their saturation curves. The objective of these tests was to generate data for diverse and distinct situations for the verification and the analysis of the proposed methodology. The results of the research show the excellence in the applicability of the algorithm considered in frequency estimation of an electrical system, even with noisy signals, as well as the tracking of the frequency during operation. Some of the results are compared to the ones presented by a commercial relay set to track frequency.

A detecção de um tipo particular de falta, denominado de alta impedância, tem sido há muito tempo um desafio para a engenharia de proteção. Por outro lado, se a detecção é realizada com sucesso, ações preventivas e de manutenção devem ser tomadas para evitar prejuízos potenciais. Nesse contexto, os métodos de localização de faltas assumem importante papel, pois contribuem para a rápida restauração do sistema. Entretanto, os métodos clássicos, em particular as formulações a um terminal, não consideram modelos realísticos de faltas de alta impedância na sua formulação. Este tipo de falta se caracteriza pelo contato de um condutor energizado com uma superfície de elevada resistência elétrica, em que o comportamento da tensão em função da corrente apresenta uma característica não linear. Desta forma, esta tese propõe uma nova formulação para a localização de faltas de alta impedância em sistemas de distribuição de energia elétrica, com medições a um terminal, que considere tal efeito. A formulação é proposta para estimar a distância da falta em linhas de distribuição utilizando o método de estimação por mínimos quadrados, desenvolvendo um modelo no domínio do tempo do sistema elétrico e um modelo de falta de alta impedância composto por diodos antiparalelos. Mediante o modelo do sistema elétrico, é possível estimar a distância da falta, juntamente com os parâmetros da falta de alta impedância, usando sinais provenientes de um terminal, como um problema de otimização. Primeiramente, não considerando o efeito capacitivo das linhas, um modelo linear no domínio do tempo é obtido e um estimador de mínimos quadrados linear é proposto. Posteriormente, considerando o efeito capacitivo das linhas, um modelo não linear no domínio do tempo é obtido e um algoritmo de descida é proposto para a estimação dos parâmetros. Os estudos de caso foram realizados no sistema de 13 barras da IEEE modelado no Alternative Transient Program. Em todas as condições simuladas, os resultados obtidos mostraram um desempenho similar da técnica proposta com ou sem a consideração da capacitância das linhas, sendo assim, por simplicidade, optou-se pela desconsideração da capacitância. Os resultados evidenciaram que a técnica de localização de faltas proposta não mostra diferença no seu desempenho com variações do ângulo de incidência da falta e melhora quando o carregamento do sistema diminui. O erro relacionado à estimativa da distância da falta mostra-se, em geral, superior ao erro cometido ao estimar os parâmetros da falta de alta impedância. Por outro lado, os estudos de caso mostram um grande potencial para aplicar a técnica proposta como um detector e classificador de faltas de alta impedância. / High impedance fault location has always been a challenge for protection engineering. On the other hand, if this task is successfully realized maintenance action could be performed in order to avoid potential injuries. For an effective protection scheme the high impedance fault location should be performed, but a lack of research on this area is noted. This thesis proposes a new analytical formulation for high impedance fault location in power systems. The approach is developed in time domain, considering a high impedance fault model composed by two antiparallel diodes. Using this model, the fault distance and fault parameters are estimated as a minimization problem, allowing the location of the fault using one terminal signals. Firstly, the line capacitance is not considered and a linear model in time domain is obtained. In this case, the linear least square estimator is used for parameter estimation. In a second moment, the line capacitance is considered and a non-linear model in time domain is obtained. Hence, a steepest descent based estimator is proposed in order to estimate the parameters. Studies were carried out with the IEEE 13 bus modeled in the Alternative Transient Program. In view of the test results, the non-consideration of line capacitance resulted in similar accuracy in relation to its consideration. The method also is insensitive to the fault inception instant and the reduction of system load reduces the errors related to the estimations. The error related to fault distance estimation is in general greater than the estimation of the high impedance fault parameters. On the other hand, case studies shows the great potential of the technique as a high impedance fault detector method.