Este trabalho de pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de diagnóstico automático de falhas do tipo curto-circuito de baixa impedância em circuitos alimentadores de média tensão de sistemas reticulados de distribuição de energia elétrica tipo spot network. O diagnóstico compreende a identificação do tipo de curto-circuito ocorrido e a sua localização. A metodologia está baseada no treinamento e uso de Redes Neurais Artificiais (RNAs). Os parâmetros para treinamento das RNAs são obtidos a partir de padrões de comportamento elétrico de curtos circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos à terra, obtidos por simulação de um circuito de distribuição real localizado na cidade de Brasília. Para obtenção do comportamento elétrico do circuito de distribuição foi utilizado o aplicativo de simulação ATP (Alternative Transient Program); para estruturação, treinamento e testes das RNAs da metodologia de diagnóstico foi utilizado o software Matlab (aplicativo de RNA). Os principais resultados dos testes das RNAs da metodologia são apresentados. Tais resultados demonstram a viabilidade científica e tecnológica de se aplicar a metodologia desenvolvida como ferramenta de diagnóstico em tempo real de auxílio dos departamentos de engenharia de operação e manutenção de concessionárias elétricas. Este trabalho também apresenta as principais possibilidades de continuidade desta pesquisa científica e tecnológica baseada em redes neurais artificiais na área de diagnóstico automático de sistemas reticulados. / This work presents the development of an automatic failure diagnostic methodology for low impedance short circuit in mid voltage feeders of distribution spot networks systems. The developed methodology has the feature to identify the type of short circuit and its location. An Artificial Neural Network technique was employed. The parameters used to train the Artificial Neural Networks are obtained based upon patterns in simulations of real cases for short circuit behavior in mono-phase, bi-phase and tri-phase to ground configuration. The input data for the simulation was based on a real distribution circuit belonging to the Power Utility CEB located in Brasília-Brazil. The simulation program ATP (Alternative Transient Program) was used to obtain the electric behavior of the circuit in the distribution network. As for the Artificial Neural Network simulation, trainings and tests Matlab was employed. As a main contribution the results of this work shows the technical feasibility to apply such methodology as a important real time diagnostic tool to support the system operation and maintenance departments of power utilities that uses spot network topologies. Furthermore, it is presented the possibilities to continue this research related to automatic diagnostics for network distribution systems based on Artificial Neural Networks technique.

O objetivo deste estudo foi a elaboração e testes simulados, com dados elétricos reais, de metodologia para a operação de geração distribuída (GD) fotovoltaica, em baixa tensão e com exportação de excedentes, em sistemas de distribuição reticulado. A metodologia superou as limitações impostas pelos equipamentos de proteção chamados Protetores de Rede, inerentes à topologia de distribuição do tipo reticulado. Tais equipamentos inviabilizam a geração distribuída, que exporta excedentes para a rede externa por desconectarem os transformadores de média para baixa tensão, causando o ilhamento da GD, sempre que existir um fluxo de potência reverso, ou seja, no sentido do cliente para a concessionária. O objetivo foi alcançado por meio da criação de um simulador de subestação de reticulado exclusivo (Spot) de três transformadores nos qual os comportamentos dos protetores de rede eram testados com dados de fluxo de potência reais aquisitados em subestações de reticulado em Brasília (concessionária CEB) e em subestação do Instituto de Energia e Ambiente (IEE), da Universidade de São Paulo, onde existe uma instalação geradora fotovoltaica de 12kWp. Novos comportamentos dos protetores de rede foram simulados para compatibilizar tal fluxo reverso de potência e parâmetros críticos foram levantados. Nas simulações, encontraram-se caminhos viáveis de promover estas conexões com segurança e simplicidade. Estes novos comportamentos podem ser implementados no firmware dos relés de protetores de redes microprocessados. / The aim of this study was to develop and test a methodology for operation of photovoltaic distributed generation (DG) on secondary side of the Spot and Grid Network types of electricity distribution systems, allowing for the export of excess energy. This methodology did overcome the limitations imposed by the protective equipment known as Network Protector (NP), a standard equipment on secondary network distribution topology. Such equipments make exporting energy from distributed generation systems to the grid unfeasible because of the operational aspects of Network Protectors. This devices will disconnect the transformers whenever there is a reverse power flow, i.e. towards the utility, causing the islanding of the DG. The objective was achieved through the conception of a simulator for a Spot Network substation with three transformers where the behaviors of network protectors could be tested. Those simulations were performed with actual power flow data from real network substations in Brasilia city (CEB utility area) and the substation at the Institute for Energy and Environment (IEE) at the University of Sao Paulo, where a photovoltaic generating facility of 12kWp exists. New behaviors were simulated in order to make the NPs to manage the expected reverse power flow successfully. The most important parameters for the model were explained. Viable ways to connect exporting photovoltaic DG to secondary networks safely and simply have been found by means of these simulations. These new behaviors could be embedded in the firmware of the NP´s microprocessor based relays.

As instalações de geradores distribuídos têm sido impulsionadas pela necessidade da diversificação da matriz energética nos países, por fatores ambientais e por revelar benefícios aos sistemas elétricos. No Brasil, estas conexões têm apresentado um crescimento bastante significativo nos últimos anos, devido às novas regulamentações estabelecidas pela ANEEL. Entretanto, alterações no sistema elétrico em grandes escalas acarretam consequências à operação segura, confiável e de qualidade do mesmo. Neste contexto, ainda há poucos trabalhos que analisam tais problemas em sistemas reticulados de distribuição de energia elétrica e, com base nisso, o presente trabalho visa avaliar os impactos que elevados níveis de geração fotovoltaica podem acarretar aos níveis de tensões nodais, às perdas técnicas e também à proteção destes sistemas, adotando como referência uma rede reticulada real de 81 barras e a rede do IEEE 390 barras. Uma vez que tais condições são avaliadas têm-se as análises de adição de funções de proteção (direcional de potência, direcional de sobrecorrente, subtensão e desbalanço de tensão) a fim de buscar alternativas para que os protetores de rede não se sensibilizem para fluxos reversos de potência provenientes dos geradores distribuídos e, assim, estes se limitem a atuarem para distúrbios no lado de média tensão. Para tanto, as simulações foram realizadas no programa OpenDSS e os resultados mostraram que a função de desbalanço de tensão é a que se apresenta com maior potencial para ser aplicada na prática, uma vez que foi possível minimizar o número de atuações dos protetores de rede devido aos geradores distribuídos. / The installation of distributed generators have been boosted by the need to diversify the energy matrix in the countries, by environmental issues and by revealing benefits to the electrical systems. In Brazil, these connections have shown a very significant growth in the last years, due to the new regulations established by the National Agency of Electric Energy. However, large-scale changes in the electrical system lead to consequences for its safe, reliable and well-qualified operation. In this context, there are still few studies that analyze such problems in low-voltage secondary distribution networks, and based on this, the present work aims to analyze the performance of these systems based an actual Brazilian 81-nodes low-voltage secondary network and on the IEEE 390-nodes system. The objective is to evaluate the impacts of high levels of distributed generation on the power quality and protection of the grid. Once such conditions are evaluated, some protection functions are considered (directional power, directional overcurrent, undervoltage and voltage unbalance) with the purpose of finding alternatives so that the network protectors are not sensitized to reverse power flows from the distributed generators and, thus, they only trip for disturbances an the medium voltage side. Therefore, the simulations were performed in the OpenDSS software and the results showed that the voltage unbalance protection function was the one with the highest potential to be applied in practice, since it was possible to minimize the reverse power flow due to distributed generators.

As instalações de geradores distribuídos têm sido impulsionadas pela necessidade da diversificação da matriz energética nos países, por fatores ambientais e por revelar benefícios aos sistemas elétricos. No Brasil, estas conexões têm apresentado um crescimento bastante significativo nos últimos anos, devido às novas regulamentações estabelecidas pela ANEEL. Entretanto, alterações no sistema elétrico em grandes escalas acarretam consequências à operação segura, confiável e de qualidade do mesmo. Neste contexto, ainda há poucos trabalhos que analisam tais problemas em sistemas reticulados de distribuição de energia elétrica e, com base nisso, o presente trabalho visa avaliar os impactos que elevados níveis de geração fotovoltaica podem acarretar aos níveis de tensões nodais, às perdas técnicas e também à proteção destes sistemas, adotando como referência uma rede reticulada real de 81 barras e a rede do IEEE 390 barras. Uma vez que tais condições são avaliadas têm-se as análises de adição de funções de proteção (direcional de potência, direcional de sobrecorrente, subtensão e desbalanço de tensão) a fim de buscar alternativas para que os protetores de rede não se sensibilizem para fluxos reversos de potência provenientes dos geradores distribuídos e, assim, estes se limitem a atuarem para distúrbios no lado de média tensão. Para tanto, as simulações foram realizadas no programa OpenDSS e os resultados mostraram que a função de desbalanço de tensão é a que se apresenta com maior potencial para ser aplicada na prática, uma vez que foi possível minimizar o número de atuações dos protetores de rede devido aos geradores distribuídos. / The installation of distributed generators have been boosted by the need to diversify the energy matrix in the countries, by environmental issues and by revealing benefits to the electrical systems. In Brazil, these connections have shown a very significant growth in the last years, due to the new regulations established by the National Agency of Electric Energy. However, large-scale changes in the electrical system lead to consequences for its safe, reliable and well-qualified operation. In this context, there are still few studies that analyze such problems in low-voltage secondary distribution networks, and based on this, the present work aims to analyze the performance of these systems based an actual Brazilian 81-nodes low-voltage secondary network and on the IEEE 390-nodes system. The objective is to evaluate the impacts of high levels of distributed generation on the power quality and protection of the grid. Once such conditions are evaluated, some protection functions are considered (directional power, directional overcurrent, undervoltage and voltage unbalance) with the purpose of finding alternatives so that the network protectors are not sensitized to reverse power flows from the distributed generators and, thus, they only trip for disturbances an the medium voltage side. Therefore, the simulations were performed in the OpenDSS software and the results showed that the voltage unbalance protection function was the one with the highest potential to be applied in practice, since it was possible to minimize the reverse power flow due to distributed generators.

Este trabalho de pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de diagnóstico automático de falhas do tipo curto-circuito de baixa impedância em circuitos alimentadores de média tensão de sistemas reticulados de distribuição de energia elétrica tipo spot network. O diagnóstico compreende a identificação do tipo de curto-circuito ocorrido e a sua localização. A metodologia está baseada no treinamento e uso de Redes Neurais Artificiais (RNAs). Os parâmetros para treinamento das RNAs são obtidos a partir de padrões de comportamento elétrico de curtos circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos à terra, obtidos por simulação de um circuito de distribuição real localizado na cidade de Brasília. Para obtenção do comportamento elétrico do circuito de distribuição foi utilizado o aplicativo de simulação ATP (Alternative Transient Program); para estruturação, treinamento e testes das RNAs da metodologia de diagnóstico foi utilizado o software Matlab (aplicativo de RNA). Os principais resultados dos testes das RNAs da metodologia são apresentados. Tais resultados demonstram a viabilidade científica e tecnológica de se aplicar a metodologia desenvolvida como ferramenta de diagnóstico em tempo real de auxílio dos departamentos de engenharia de operação e manutenção de concessionárias elétricas. Este trabalho também apresenta as principais possibilidades de continuidade desta pesquisa científica e tecnológica baseada em redes neurais artificiais na área de diagnóstico automático de sistemas reticulados. / This work presents the development of an automatic failure diagnostic methodology for low impedance short circuit in mid voltage feeders of distribution spot networks systems. The developed methodology has the feature to identify the type of short circuit and its location. An Artificial Neural Network technique was employed. The parameters used to train the Artificial Neural Networks are obtained based upon patterns in simulations of real cases for short circuit behavior in mono-phase, bi-phase and tri-phase to ground configuration. The input data for the simulation was based on a real distribution circuit belonging to the Power Utility CEB located in Brasília-Brazil. The simulation program ATP (Alternative Transient Program) was used to obtain the electric behavior of the circuit in the distribution network. As for the Artificial Neural Network simulation, trainings and tests Matlab was employed. As a main contribution the results of this work shows the technical feasibility to apply such methodology as a important real time diagnostic tool to support the system operation and maintenance departments of power utilities that uses spot network topologies. Furthermore, it is presented the possibilities to continue this research related to automatic diagnostics for network distribution systems based on Artificial Neural Networks technique.

O objetivo deste estudo foi a elaboração e testes simulados, com dados elétricos reais, de metodologia para a operação de geração distribuída (GD) fotovoltaica, em baixa tensão e com exportação de excedentes, em sistemas de distribuição reticulado. A metodologia superou as limitações impostas pelos equipamentos de proteção chamados Protetores de Rede, inerentes à topologia de distribuição do tipo reticulado. Tais equipamentos inviabilizam a geração distribuída, que exporta excedentes para a rede externa por desconectarem os transformadores de média para baixa tensão, causando o ilhamento da GD, sempre que existir um fluxo de potência reverso, ou seja, no sentido do cliente para a concessionária. O objetivo foi alcançado por meio da criação de um simulador de subestação de reticulado exclusivo (Spot) de três transformadores nos qual os comportamentos dos protetores de rede eram testados com dados de fluxo de potência reais aquisitados em subestações de reticulado em Brasília (concessionária CEB) e em subestação do Instituto de Energia e Ambiente (IEE), da Universidade de São Paulo, onde existe uma instalação geradora fotovoltaica de 12kWp. Novos comportamentos dos protetores de rede foram simulados para compatibilizar tal fluxo reverso de potência e parâmetros críticos foram levantados. Nas simulações, encontraram-se caminhos viáveis de promover estas conexões com segurança e simplicidade. Estes novos comportamentos podem ser implementados no firmware dos relés de protetores de redes microprocessados. / The aim of this study was to develop and test a methodology for operation of photovoltaic distributed generation (DG) on secondary side of the Spot and Grid Network types of electricity distribution systems, allowing for the export of excess energy. This methodology did overcome the limitations imposed by the protective equipment known as Network Protector (NP), a standard equipment on secondary network distribution topology. Such equipments make exporting energy from distributed generation systems to the grid unfeasible because of the operational aspects of Network Protectors. This devices will disconnect the transformers whenever there is a reverse power flow, i.e. towards the utility, causing the islanding of the DG. The objective was achieved through the conception of a simulator for a Spot Network substation with three transformers where the behaviors of network protectors could be tested. Those simulations were performed with actual power flow data from real network substations in Brasilia city (CEB utility area) and the substation at the Institute for Energy and Environment (IEE) at the University of Sao Paulo, where a photovoltaic generating facility of 12kWp exists. New behaviors were simulated in order to make the NPs to manage the expected reverse power flow successfully. The most important parameters for the model were explained. Viable ways to connect exporting photovoltaic DG to secondary networks safely and simply have been found by means of these simulations. These new behaviors could be embedded in the firmware of the NP´s microprocessor based relays.