Orientador: Fábio Bertequini Leão / Resumo: Este trabalho apresenta modelos de programação não linear e linear inteira binária como novos métodos para resolver o problema de diagnóstico de faltas em sistemas de transmissão de energia elétrica. Os modelos de otimização são desenvolvidos com base no conjunto de coberturas mínimas e possui como restrições as equações que descrevem a lógica e a filosofia de proteção empregadas por empresas de energia elétrica. As equações de restrições modelam a associação dos alarmes dos relés de proteção informados pelo sistema de supervisão e aquisição de dados (SCADA) com os estados esperados das funções dos relés de proteção. Os modelos de programação matemática realizam o diagnóstico de falta em uma única etapa, identificando a seção em falta através da análise dos estados dos disjuntores e das funções de proteção associadas a cada equipamento do sistema elétrico. O modelo proposto é um problema muito complexo de programação não linear inteira binária, portanto é reformulado como outro problema, em que algumas expressões são linearizadas, o que resulta em um modelo matemático de programação linear inteiro binário. A solução ótima obtida pelo modelo proposto é encontrada utilizando solvers comerciais de programação matemática. Os resultados obtidos mostram eficiência e robustez do modelo matemático. Na literatura, o problema de diagnóstico de falta é resolvido principalmente por técnicas heurísticas, portanto, o método proposto é inovador. / Doutor

O auxílio a populações carentes de alguns benefícios modernos, alcançados pela humanidade, é uma prática de promoção da cidadania. Neste trabalho é abordado um estudo técnico sobre a execução de instalações elétricas temporárias em locais isolados que visa subsidiar a atividade desenvolvida por um grupo de médicos cirurgiões que levam atendimento às populações indígenas amazônicas. O grupo Expedicionários da Saúde realiza desde 2004 expedições às comunidades amazônicas que buscam levar atendimento cirúrgico especializado às populações indígenas locais permitindo seu retorno à vida social, com a recuperação da visão e de outras habilidades essenciais para suas atividades. Um diagnóstico das condições encontradas durante uma dessas expedições mostrou que muitas das falhas que normalmente atrapalham o bom andamento das atividades executadas podem ser corrigidas com ações simples e ao alcance da equipe. As estratégias apresentadas em detalhes, como a implantação de ações de Eficiência Energética que reduzem a demanda energética, reduzem a grande necessidade de combustível e as dificuldades logísticas envolvidas no transporte dos energéticos, os cuidados na execução das instalações elétricas e dimensionamento dos grupos geradores, propiciam o aumento da disponibilidade do sistema elétrico, sua segurança e dos seus usuários e colaboram com o sucesso da expedição médica realizada. / The help to populations that need for some modern benefits, achievements of mankind, is a practice of promoting citizenship. This paper shows a technical study on the implementation of temporary electrical installations in isolated locations that is intended to subsidize the activity developed by a group of surgeons that take care of indigenous peoples of Amazonia. The group \"Expedicionários da Saúde\" held since 2004 expeditions to the Amazon communities seeking to bring specialized surgical care to indigenous populations by allowing their return to social life, with recovery of vision and other skills essential for their activities. A diagnosis of conditions found during one of these expeditions showed that many of the failures that often hinder the normal progress of activities can be corrected with simple actions that can be done by the team itself. The strategies presented in detail, as the implementation of energy efficiency actions that reduce energy demand, reduce the large need for fuel and the logistical difficulties involved in its transporting, the cares in carrying out electrical installations and optimal sizing of generators, provide increasing the availability of the electrical system, its security and its users and collaborate with the success of the expedition doctor performed.

Este trabalho apresenta as principais causas de desligamento de cubículos classe 15kV, restringindo-se aos cubículos conhecidos como cabines primárias, que fazem a interface entre a rede das concessionárias de energia e os consumidores primários. Conhecidas as razões pelas quais as cabines desligam, verificou-se quais são as taxas de falha presumidas para os componentes individuais como: chaves seccionadoras e seus acessórios, disjuntores e suas bobinas, relés de proteção de sobrecorrente, transformadores de corrente e de potencial, componentes de serviços auxiliares, etc. Para avaliar a taxa de falhas das diversas configurações possíveis foram estabelecidos dezoito modelos específicos e estudadas matematicamente suas taxas de falha. Para tanto, foram utilizados os padrões estabelecidos pelas concessionárias Brasileiras como AES-ELETROPAULO, ESCELSA e CPFL, além da proposição de modelo que pode ser considerado como OTIMIZADO. Com base na experiência adquirida com os modelos estudados foi possível ainda a proposição de mecanismos de melhoria dos índices de desligamento. / This study is intended to explore the main causes of failure in 15kV switchgears, restricted to primary equipments making the interface between the Utility and the consumers. Discovering the reasons of the failures, the individual failure rates of each components was noted, as following: switches and its acessories, circuit breakers and its coils, overcurrent relays, current and voltage transformers, auxiliary circuits, etc. Analyzing the failure rates of many possible configurations of eighteen particular models, a mathematical failure rate study was achieved. A Brazilian standards, used by Energy Companies like AES-ELETROPAULO, ESCELSA and CPFL, was used to achieve the results and a optimized model could be proposed. Based on the acquired experienced during this study, it was possible to offer new techniques to decrease the failure rates.

Um dos problemas mais graves e preocupantes que ocorrem em redes de distribuição é a falta de alta impedância proveniente do rompimento e conseqüente queda do condutor primário. Devido ao seu alto grau de periculosidade, é fundamental que tal fenômeno seja exaustivamente analisado e pesquisado. Com a evolução da tecnologia digital, os programas de simulação computacional se tornaram grandes aliados nas pesquisas em proteção de sistemas elétricos. A partir do estudo de modelos já desenvolvidos e testados de faltas de alta impedância em redes de distribuição, o presente trabalho realiza uma análise deste tipo de falta e discute a implementação de um modelo de fácil configuração e adaptável a diferentes cenários. Mais do que isso, este trabalho se propõe a desenvolver uma interface computacional propícia para viabilizar este tipo de estudo em redes de distribuição, dada a necessidade de se obter uma ferramenta que possibilite a automatização do processo de simulação deste fenômeno. Com o resultado deste trabalho será possível testar e validar esquemas de proteção contra faltas de alta impedância ocasionadas por rompimento e queda de condutor primário em redes de distribuição, bem como auxiliar no desenvolvimento e implementação de novos algoritmos de detecção deste tipo de falta. / The high impedance fault caused by the broken and fallen conductor is one of the most hazardous and worrying problems that occur in distribution network. Due to its high harmful level it is necessary to analyze and research such phenomenon exhaustingly. The evolution of digital technology allowed the development of computing simulation software that became a great ally to the research of electrical systems protective devices. Based on the study of already developed and tested high impedance fault models the present work revisits this type of fault and discuss the implementation of an easy configureable model that is adaptable to different scenarios. Beyond this, the present work also proposes to develop a proper computing interface in order to make the study of such faults at distribution network viable once it is necessary to have a tool that allows the automation of high impedance fault simulating process. The results of thiswork will allowto test and validate protective schemes against high impedance faults caused by the breakdown and fall of primary conductors at distribution network systems, as well as they will be helpful when developing and implementing new algorithms for detection of such kind of fault.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um algoritmo baseado na modelagem do sistema de transmissão por meio de equações diferenciais, formuladas através dos parâmetros resistência e indutância da linha de transmissão a ser protegida. Nesta abordagem não é necessário que a entrada do algoritmo seja puramente senoidal, admitindo-se a presença de harmônicos e componentes CC presentes na falta como parte da solução do problema. Utilizou-se o software ATP para a modelagem do sistema elétrico estudado e a obtenção do conjunto de dados para análise e testes, permitindo-se a representação detalhada da linha de transmissão por meio das características dos condutores e suas respectivas disposições geométricas nas torres de transmissão, além da modelagem das diversas manobras e defeitos que os afetam, buscando-se uma aproximação com uma situação real. Com relação ao uso direto das equações diferenciais para a tarefa de proteção das linhas, constatou-se que sua aplicação não produz uma estimativa aceitável para ser usada em relés digitais por possuírem convergência em tempos normalmente superiores a dois ciclos. Assim, foi feita uma filtragem das respostas do algoritmo, proporcionando-se um diagnóstico mais rápido das estimativas. Para isso foi usado um filtro de mediana de 5ª ordem para o cálculo da localização da falta. Para todos os tipos de falta testados, a estimativa da localização da falta com o uso do referido filtro mostrou-se altamente satisfatória para a finalidade de proteção, convergindo em menos de um ciclo e meio de pós-falta, após a filtragem das estimativas, imprimindo maior velocidade de resposta para os relés digitais. / The present work shows the development of an algorithm based on the modeling of the transmission system utilizing differential equations. The differential equation for the line is solved having its resistance and inductance as parameters. In this approach there is no need for the algorithm inputs to be pure sinusoidal, allowing the presence of harmonic and DC components in the line as a part of the solution to the problem. The software ATP was utilized for the modeling of the electric system under study as well as data collection for analysis and tests. This representation allowed a detailed representation of the transmission line through the characteristics of the conductors and its geometrical disposition in the transmission towers, as well as the simulation of faults that usually affect the electric system, reproducing a realistic situation. The direct use of differential equations do not give an acceptable estimation as far as digital relays are concerned because they have convergence times over two cycles. In this sense, a 5th order median filter was utilized, providing faster diagnosis for the fault location estimation. The estimation of the fault location has proved to be a coherent criteria for the algorithm. For the fault types tested, the estimation for the fault location utilizing line parameters has shown itself highly satisfactory for protection purposes. This work has shown that the algorithm oulputs converge in less than 1 and a half cycles afler the fault occurrence, presenting a much faster response for digital relays.

A utilização crescente de equipamentos eletro-eletrônicos sensíveis a interferências e a adoção de novos critérios para avaliação da qualidade da energia fornecida têm resultado em um aumento do número de pesquisas desenvolvidas com o objetivo de se obter informações a respeito das características das sobretensões em redes de baixa tensão. Isto motivou a realização deste trabalho, que teve por objetivo analisar as sobretensões causadas por descargas atmosféricas próximas a redes secundárias. O estudo trata inicialmente das tensões transferidas para a rede de baixa tensão, via transformador, devido a tensões induzidas no primário. Para tal são utilizados resultados experimentais obtidos em modelo de linhas de distribuição em escala reduzida e também medições de tensões induzidas por descargas naturais em uma linha especialmente construída para estudo do fenômeno. Com o uso de um modelo de transformador de distribuição típico, de validade comprovada para avaliação de surtos transferidos, são analisadas as tensões transferidas para a rede secundária considerando-se diversas formas de onda no primário. Posteriormente são calculadas as tensões induzidas nas redes de baixa tensão por descargas incidentes em suas proximidades através do 'Extended Rusck Model' (ERM) – modelo de validade comprovada por meio de centenas de comparações entre tensões induzidas medidas e calculadas. O trabalho discute as influências, nas tensões induzidas, do modo de representação do transformador e das cargas conectadas ao secundário, valor da resistência de terra, amplitude e velocidade de propagação da corrente no canal, etc. A comparação entre as tensões induzidas em linhas convencionais e multiplexadas também é realizada. É analisado também o uso de dispositivos de proteção contra surtos na rede multiplexada tendo em vista a redução das amplitudes das tensões induzidas. Por fim são feitas comparações entre tensões induzidas e tensões transferidas via transformador à rede secundária considerando a mesma descarga atmosférica. / The growing use of electric and electronic equipment prone to electromagnetic interferences and the adoption of new criteria for evaluating the quality of the power supplied have increased the number of studies developed in order to obtain information regarding the characteristics of overvoltages on low-voltage networks. Such fact has motivated the development of this work, which aimed at analyzing overvoltages caused by lightning discharges near secondary networks. The study first covers voltages transferred to the low-voltage network through the transformer due to induced voltages on its primary terminals. In order to accomplish that, experimental results obtained on a reduced scale model are used, as well as measurements of natural lightning induced voltages on a line specially built to study the phenomena. The voltages transferred to the secondary network, considering several waveforms on the primary, are analyzed by using a typical distribution transformer model, proven valid for evaluating transferred surges. The study then presents the calculation of voltages induced on low-voltage networks by discharges on their vicinity through the 'Extended Rusck Model' (ERM) – a model that has been validated by hundreds of comparisons between measured and calculated induced voltages. This work discusses the influences on induced voltages of the manner of representing the transformer and the loads connected to the secondary, as well as grounding resistance, amplitude and stroke current propagation speed, etc. Comparisons between lightning induced voltages on open wire lines and on lines with twisted conductors are also made. The use of surge protective devices on lines with twisted conductors is analyzed, and the reduction of induced voltage amplitudes is investigated. Finally, induced voltages and voltages transferred to the secondary network through a transformer are compared, considering the same lightning discharge.

Este trabalho tem por objetivo apresentar o desenvolvimento e a implementacao em uma rotina computacional, de algoritmos para a localizacao de faltas em linhas de transmissao com subestacoes conectadas em derivacao. Os algoritmos propostos neste trabalho integram uma metodologia para localizacao de faltas, que e capaz de identificar corretamente o ponto de ocorrencia do defeito utilizando as componentes de fase dos fasores de tensoes e correntes, calculadas atraves dos registros desses sinais, efetuados por oscilografos digitais e/ou reles de protecao instalados nos terminais da linha de transmissao. Alem disso, a metodologia para localizacao de faltas tem acesso aos parametros eletricos da linha e informacoes sobre o tipo de ligacao e o carregamento dos transformadores conectados aos terminais das derivacoes. Este trabalho apresenta tambem o desenvolvimento dos modelos para os elementos do sistema de transmissao, em componentes de fase. Estes modelos sao utilizados pelos algoritmos que integram a metodologia para localizacao de faltas. / This research presents the development and implementation in a computational routine, of algorithms for fault location in multi-terminal transmission lines. The algorithms proposed in this work are part of a fault location methodology, which is capable of correctly identifying the fault point based on voltage and current phase components. The voltage and current phasors are calculated using measurements of voltage and current signals from intelligent electronic devices, located on the transmission line terminals. The algorithms have access to the electrical parameters of the transmission lines and to information about the transformers loading and their connection type. This work also presents the development of phase component models for the transmission system elements used by the fault location algorithms, that are part of the fault location methodology.

Este trabalho investiga o comportamento transitório da topologia de turbina eólica baseada em Doubly Fed Induction Generator (DFIG) ao simular faltas nos terminais do estator e rotor da máquina. Um modelo DFIG foi simulado no software Matlab/Simulink utilizando uma fonte de tensão com equivalente de Thévenin para simular a rede elétrica, um transformador de interface, uma máquina de indução de 2,0MVA e conversores fonte de tensão de dois níveis VSC conectados na topologia back-to-back. O controle dos conversores foi concebido a partir da estratégia de controle vetorial utilizando controladores PI projetados a partir do Método Ótimo Simétrico. A proteção crowbar e proteção de corrente dos conversores também foram implementados na simulação e depois validados para simular o comportamento aproximado do sistema DFIG real e, assim, verificar o comportamento transitório do DFIG no momento de faltas monofásicas, bifásicas e trifásicas nos terminais da máquina. Essa pesquisa possibilitou analisar o transitório eletromagnético a partir de gráficos de grandezas coletadas em vários pontos do sistema no momento dos disturbios, permitindo mostrar a influência do conversor back-to-back no comportamento do sistema, além de proporcionar uma base teórica do modelamento dinâmico, detalhar o projeto de controle do conversor back-to-back e projetar duas das principais proteções do sistema DFIG. Para isso, foi simulado seis casos de falta nos terminais da máquina, coletado gráficos e feito análises detalhadas do comportamento de nove grandezas distintas. Este trabalho proporciona uma base teórica do modelamento dinâmico, detalhamento do projeto de controle do conversor back-to-back, projeto de duas das principais proteções do sistema DFIG e análise do comportamento dinâmico do sistema máquina-conversores no momento de distúrbios. / This work investigates the behavior of the topology of the wind turbine based on Doubly Fed Induction Generator (DFIG) when simulating faults in the stator and rotor machine terminations. A DFIG model was simulated in the Matlab / Simulink software using a Thevenin voltage source equivalent to simulate an electrical network, an interface transformer, a 2,0MVA induction machine and two-level VSC voltage source converters connected in the back-to-back topology. The converter\'s control was conceived from the vector control strategy using PI controllers tuned with Symmetric Optimum Method. The crowbar protection and current protection of the inverters were also implemented in the simulation and then validated to simulate the approximate behavior of the real DFIG system and then to verify the transient behavior of the DFIG at the moment of singlephase, two-phase and three-phase faults at the machine terminals. This research makes it possible to analyze the electromagnetic transient from graphs of quantities collected at various points of the system at the time of the disturbances, allowing to show the influence of the back-to-back converter on the behavior of the system, in addition to a theoretical basis of dynamic modeling, detailing the control design of the back-to-back converter and designing two of the main DFIG system protections. For this, six fault cases were simulated at the machine terminals, collected graphs and performed detailed analyzes of the behavior of nine different quantities. This work provides a theoretical basis for dynamic modeling, detailing the control design of the back-to-back converter, designing two of the main protections of the DFIG system and analyzing the dynamic behavior of the machine-converter system at the time of disturbances. The objective of this investigation is to discover information still scarce in the literature about the transient behavior of the DFIG topology, including the generating unit, CC link and converters at the moment of internal faults to the system.

Nos atuais sistemas de distribuição de energia elétrica, podem ser aplicadas novas metodologias que consideram o comportamento em tempo real dos equipamentos, abrangendo cargas especiais como os veículos elétricos (VE) e sistemas de recursos energéticos distribuídos (RD). Neste trabalho se apresenta a revisão bibliográfica, que mostra a análise do desenvolvimento do planejamento dos sistemas de distribuição, seja da expansão e da operação, considerando as metodologias convencionais até as que abordam os RD\'s, concluindo que na atualidade não é possível analisar um sistema sem RD\'s e VE\'s e finalmente ter que operar um sistema com este tipo de geração e cargas na rede. O estudo das ferramentas de otimização permite determinar as técnicas a serem utilizadas. Este trabalho abrange duas, quais sejam, Busca em profundidade (depth-first search) e Algoritmos Genéticos, com objetivo de obter a alocação ótima dos reguladores de tensão, bancos de capacitores, conjuntamente com os sistemas fotovoltaicos e de armazenamento, que permitam manter a tensão dentro da faixa adequada estabelecida pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). A seguir, se apresenta a metodologia desenvolvida com os softwares utilizados, quais sejam, o OpenDSS para solução de fluxos de potência com recursos distribuídos e MATLAB para programar o algoritmo da metodologia desenvolvida. Os resultados nas redes teste IEEE de 13 barras e de porte real, denominada ckt5, mostram a importância de considerar a informação das curvas de carga e os perfis de geração dos recursos distribuídos dentro das metodologias, com objetivo de conseguir soluções de acordo com a realidade dos sistemas de distribuição. Logo após se apresentam as atividades futuras, que permitirão abranger aspectos dentro da função objetivo como os índices de tensão estabelecidos pela ANEEL, inserir outras fontes de geração como os sistemas eólicos e considerar os períodos dos estágios de planejamento dentro da metodologia desenvolvida, bem como as conclusões, referências bibliográficas e os anexos da dissertação. / In current electricity distribution systems, new methodologies that consider the real-time behavior of the equipment can be applied, involving special loads such as electric vehicles (EV) and distributed energy resources (RD) systems. In this work a literature review is presented, which shows the analysis of the development of the distribution systems planning, related to expansion and the operation, considering the conventional methodologies and those that consider the RD\'s, concluding that nowadays it is not possible to analyze a system without RD,s and EV\'s to operate a system with this type of generation and loads on the network. The study of the optimization tools allows to determine the techniques to be used. This work covers two, Depth-first search and Genetic Algorithms, in order to obtain an optimal location of voltage regulators, capacitor banks, photovoltaic and storage systems, that allow to maintain the voltage within the appropriate range established by the National Electric Energy Agency (ANEEL). Then, it the methodology developed is presented with the software used, namely, OpenDSS to solve power flows with distributed resources and MATLAB to program the optimization algorithms. The results in a real size network (ckt5) and in a 13-bus IEEE test network show the importance of considering information of the load curve and the generation profiles of distributed resources within the methodologies, aiming to achieve solutions according to the reality of the distribution systems. After that, future activities are presented, which will allow to cover aspects within the objective function, such as the voltage ratings established by the ANEEL, and insertion of other generation sources, such as wind systems as well as considering the periods of the planning stages within the methodology developed. Evertrally the conclusions, bibliographical references and the attachments of the dissertation are present.

O trabalho consiste de um breve histórico dos sistemas de APU (Unidade Auxiliar de Potência, do inglês "Auxiliary Power Unit") utilizados até a atualidade em aeronaves comerciais, consiste ainda de: um estudo qualitativo das propostas atuais de turbinas para APU com projeto renovado visando redução na vazão de combustível destinado a esta, utilizando para isto novas gerações de materiais e simplicidade na sua construção; um estudo qualitativo das propostas para um futuro próximo (2010) de sistemas regenerativos de APU combinados com o sistema de controle ambiental (ECS - Environmental Control System); um estudo qualitativo das propostas para um futuro mais distante (2015) de utilização de célula de combustível em substituição da APU. O trabalho aborda ainda um estudo para implementação de um destes novos sistemas em uma aeronave que deve entrar no mercado até 2010, portanto a escolha do sistema deve levar em conta esta variável. O estudo deverá apontar, explicar qualitativamente a escolha dos diversos componentes do sistema para esta aeronave e quantificar a redução no consumo de combustível da aeronave com a implementação deste sistema.