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The requirement for reliability and security in power system is increasing every passingday with the increase in complexity of the power system. To ensure highest level ofreliability, protection relays have to receive correct measurements. One of the most importantmeasurement that is needed by a relay as an input is current. However, currentmeasurements received from current transformer (CT) can become inaccurate due to aphenomenon called CT saturation. This Master's thesis objective is to build a novel algorithmfor the protection relays to detect CT saturation. The algorithm should be basedon a stand-alone method that is able to detect CT saturation within 1-2 ms for a samplingfrequency of 4 kHz.This project comprises a study of the background about CTs and CT saturation. Therelated work done to detect CT saturation is also studied. Later, major existing methodsused in the industry to deal with CT saturation are investigated in detail and modelledin Simulink. A novel method is proposed to exclusively detect CT saturation, keeping inmind the strict requirements, set in the beginning of the project. The proposed methodis implemented in Simulink and HiDraw(in-house software in ABB to create C code forprotection functions). Lastly, the proposed method and the existing methods are testedin Simulink for more than 1300 test cases based on dierent power system conditions,IEC-60255-187-1 and real current recordings from relays.The results of the tests showed that the proposed method successfully detect CT saturationand was better than the existing methods in terms of speed and accuracy. It was concludedthat the proposed method successfully detects CT saturation and hence, can be used withany protection function in a relay where there is a need to detect CT saturation. / Kraven pa tillforlitlighet och sakerhet i kraftsystem okar varje dag i samband med allthogre komplexitet i kraftsystemet. For att uppna den hogsta nivan av tillforlitlighetbehover relaskydden ta emot korrekta matvarden fran kraftsystemet. Ett av de mest viktigamatvardena som behovs for ett relaskydd ar strom. Emellertid, kan matvarden franen stromtransformator bli felaktiga pagrund av ett fenomen som kallas stromtransformatormattning. Malet for detta examensarbete ar att skapa en ny algoritm for relaskydd somdetekterar stromtransformatormattning. Algoritmen ska baseras pa en fristaende metodsom klarar av att detektera stromtransformatormattning inom 1-2 ms for en samplingsfrekvenspa 4 kHz.Detta projekt omfattar, forutom en studie av hur stromtransformatormattning kan detekteras,aven en bakgrundsstudie om stromtransformatorer och stromtransformatormattning.Viktigare existerande metoder, som anvands i industrin for att detektera stromtransformatormattning, undersoks i detalj och modelleras i Simulink. En ny metod foreslas foratt exklusivt detektera stromtransformatormattning med hansyn till de strikta krav somfaststalldes i borjan av projektet. Den foreslagna metoden ar implementerad i Simulinkoch i HiDraw (en intern ABB mjukvara for att skapa C-kod for skyddsfunktioner). Slutligenar den nya foreslagna metoden och de existerande metoderna testade i Simulinkmed er an 1300 testfall baserade paolika forhallanden i kraftsystemet, IEC-60255-187-1standarden och med verkliga inspelningar av strom gjorda av relaskydd i drift.Resultatet av testerna visar att den nya foreslagna metoden framgangsrikt detekterarstromtransformatormattning och gor det battre an existerande metoder med avseende pasnabbhet och noggrannhet. Det konstaterades att den nya foreslagna metoden framgangsriktdetekterar stromtransformatormattning och darfor kan anvandas for vilken relaskyddsfunktionsom helst i ett relaskydd dar behovet av att detektera stromtransformatormattningnns.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.

Esta dissertação apresenta uma proposta de integração sistêmica da automação das subestações retificadoras do sistema metrô-ferroviário brasileiro. Esta dissertação também apresenta os ganhos de confiabilidade que podem ser obtidos, caso a mesma seja implementada, e a priorização da eficiência de operação do sistema em questão. A motivação deste trabalho deve-se à necessidade de atender à perspectiva de aumento de demanda de energia elétrica nos processos de expansão e modernização deste sistema, amplamente usado pela população brasileira. A partir do estudo e análise do atual sistema de automação existente nas subestações do sistema metrô-ferroviário brasileiro, da arquitetura de hardware e software, foi possível investigar como a integração dos dados pertencentes aos sistemas de controle da subestação e do Centro de Controle Operacional CCO - pode permitir o aumento da confiabilidade e da flexibilidade de operação. Para quantificar estes ganhos de confiabilidade é apresentado o desenvolvimento do modelo de confiabilidade de Markov aplicado ao sistema de automação de subestações retificadoras. A metodologia utilizada procedeu ao levantamento e análise das ocorrências abertas nos anos de 2006, 2007 e 2008 nas subestações retificadoras do metrô de São Paulo, calculando o seu MTBF (Mean Time Between Failures). O estudo conclui que o ganho de confiabilidade é significativo no que se refere à melhoria do transporte público com a aplicação da integração da automação das subestações retificadoras. / This dissertation there presents a proposal for the integrated automation of the Brazilian subway system rectifier substations, supported on the gains of reliability which may be obtained in case it is implemented, and in the improvement of the efficiency of operation of the system open to question. The inquiry was supporting in the necessity of paying attention to the perspective of increase of demand of electric energy in the processes of expansion and modernization of this system, widely used by the Brazilian population. From the study and analysis of the current system of existent automation in the substations of the system Brazilian subway, of the architecture of hardware and software, was possible to investigate like the integration of the pertaining data to the systems of control of the substation and of the Centre of Operational Control CCO can allow the increase of the reliability and of the flexibility of operation. To quantify these profits of reliability there is presented the development of the model of reliability of Markov devoted to the system of automation of rectifying substations. The used methodology proceeded to the lifting and analysis of the incidents when they were opened in the years of 2006, 2007 and 2008 in the rectifier substations of the subway of Sao Paulo, calculating the MTBF (Mean Time Between Failures). The study ends that the profit of reliability is significant in what it refers to the improvement of public transport with the application of the integration of the automation of the rectifying substations.

Esta pesquisa tem como objetivo apresentar um método para a coordenação dos Relés Direcionais de Sobrecorrente (RDS) associados ao sistema de proteção de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) malhado. O SEP malhado, referente a uma parte do sistema de subtransmissão da rede básica brasileira, em concessão da Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista (CTEEP), foi simulado via o software CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) a partir da base de dados, para estudos de curtos-circuitos, disponibilizada pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Dada a topologia e a operação do SEP malhado em análise, um método de otimização híbrido foi implementado baseado na combinação e aplicação de Programação Linear (PL) e Algoritmo Genético (AG). O algoritmo desenvolvido permitiu a realização de diversos estudos de curtos-circuitos necessários para a obtenção e avaliação da coordenação dos pares de RDS, tanto para a topologia principal do SEP em análise, como para outras configurações de operação caracterizadas, principalmente, pela alteração topológica do SEP. Os resultados demonstram que o algoritmo foi capaz de fornecer uma coordenação adequada para os RDS, respeitando todas as restrições impostas pelo problema de coordenação. / The aim of this work is to present a method for directional overcurrent relays coordination in a meshed power system which is part of the Brazilian power transmission system operated by São Paulo State Electric Power Transmission Company (CTEEP - Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista). This power system was simulated by CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) software using the database of short circuits studies which is provided by the Electric System National Operator (ONS - Operador Nacional do Sistema). Given a specific power system topology and its operating conditions, the hybrid algorithm was developed based on the combination and execution of linear programming and genetic algorithm. Several short circuits scenarios were evaluated in order to obtain and assess the coordination between the pairs of directional overcurrent relays. In such scenarios, it was considered the main network topology, as well as other network operating conditions, mainly caused by certain topological variations. The results show that the hybrid algorithm provided a feasible coordination solution for the considered directional overcurrent relays.

É importante que as redes elétricas tenham altos índices de confiabilidade, de forma a se manter a agilidade e a manutenção ideais para um melhor funcionamento. Por outro lado, o crescimento inesperado da carga, falhas em equipamentos e uma parametrização inadequada das funções de proteção tornam a análise de eventos de proteção mais complexas e demoradas. Além disso, a quantidade de informações que pode ser obtida de relés digitais modernos tem crescido constantemente. Para que seja possível uma rápida tomada de decisão e manutenção, esse projeto de pesquisa teve como objetivo a implementação de um sistema completo de diagnóstico que é ativado automaticamente quando um evento de proteção ocorrer. As informações a serem analisadas são obtidas de uma base de dados e de relés de proteção, via protocolo de comunicação IEC 61850 e arquivos de oscilografia. O trabalho aborda o sistema Smart Grid completo incluindo: a aquisição de dados nos relés, detalhando o sistema de comunicação desenvolvido através de um software com um cliente IEC61850 e um servidor OPC e um software com um cliente OPC, que é ativado por eventos configurados para dispará-lo (por exemplo, atuação da proteção); o sistema de pré-tratamento de dados, onde os dados provenientes dos relés e equipamentos de proteção são filtrados, pré-processados e formatados; e o sistema de diagnóstico. Um banco de dados central mantém atualizados os dados de todas essas etapas. O sistema de diagnóstico utiliza algoritmos convencionais e técnicas de inteligência artificial, em particular, um sistema especialista. O sistema especialista foi desenvolvido para lidar com diferentes conjuntos de dados de entrada e com uma possível falta de dados, sempre garantindo a entrega de diagnósticos. Foram realizados testes e simulações para curtos-circuitos (trifásico, dupla-fase, dupla-fase-terra e fase-terra) em alimentadores, transformadores e barras de uma subestação. Esses testes incluíram diferentes estados do sistema de proteção (funcionamento correto e impróprio). O sistema se mostrou totalmente eficaz tanto no caso de disponibilidade completa quanto parcial de informações, sempre fornecendo um diagnóstico do curto-circuito e analisando o funcionamento das funções de proteção da subestação. Dessa forma, possibilita-se uma manutenção muito mais eficiente pelas concessionárias de energia, principalmente no que diz respeito à prevenção de defeitos em equipamentos, rápida resposta a problemas, e necessidade de reparametrização das funções de proteção. O sistema foi instalado com sucesso em uma subestação de distribuição da Companhia Paulista de Força e Luz. / It is important that electrical networks have high levels of reliability in order to maintain the ideal agility and maintenance for better functioning. On the other hand, the often unexpected load growth, failures of protectionrelated equipment and inadequate parameterization of protection functions make the analyses of protection events more complex and time-consuming. Besides, the amount of information that can be retrieved from modern digital relays is constantly increasing. In order to aid a quick decision-making and maintenance practices, this research project aimed to implement a complete diagnosis system that is automatically activated whenever a protection-related event occurs. Information to be analyzed is obtained from a database and from the protection relays, via IEC 61850 communication protocol and oscillography files. The full smart grid system is addressed, including: the data acquisition and communication system developed through a software with an IEC61850 client and an OPC server and another software with an OPC client, which is activated by set triggering events (e.g. protection tripping); the data pre-processing system, in which the data is filtered, preprocessed and formatted; and the diagnostic system. A central database maintains updated all the data. For the diagnostic system, conventional algorithms and artificial intelligence techniques are applied; particularly, an expert system is implemented. The expert system was designed to deal with different sets of input information and uses different techniques to deal with a possible lack of data, always ensuring the delivery of diagnoses. Tests and simulations were performed for short-circuits (three-phase, phase-to-phase, double-phase-to-ground and phase-to-ground) on feeders, transformers and bus bars of a substation. These tests included different states of the protection system (proper functioning and malfunctioning). The diagnostic system proved to be fully effective under both complete and partial availability of information, always providing the fault diagnosis and the analysis of the protection functions. In brief, the system enables a much more efficient maintenance to power distribution utilities, especially when preventing equipment malfunctioning, quick responses towards system problems and the need to re-define some protection functions are required. It was successfully installed in a distribution substation of Companhia Paulista de Força e Luz, a Brazilian power distribution utility.

Esta pesquisa tem como objetivo apresentar um método para a coordenação dos Relés Direcionais de Sobrecorrente (RDS) associados ao sistema de proteção de um Sistema Elétrico de Potência (SEP) malhado. O SEP malhado, referente a uma parte do sistema de subtransmissão da rede básica brasileira, em concessão da Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista (CTEEP), foi simulado via o software CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) a partir da base de dados, para estudos de curtos-circuitos, disponibilizada pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Dada a topologia e a operação do SEP malhado em análise, um método de otimização híbrido foi implementado baseado na combinação e aplicação de Programação Linear (PL) e Algoritmo Genético (AG). O algoritmo desenvolvido permitiu a realização de diversos estudos de curtos-circuitos necessários para a obtenção e avaliação da coordenação dos pares de RDS, tanto para a topologia principal do SEP em análise, como para outras configurações de operação caracterizadas, principalmente, pela alteração topológica do SEP. Os resultados demonstram que o algoritmo foi capaz de fornecer uma coordenação adequada para os RDS, respeitando todas as restrições impostas pelo problema de coordenação. / The aim of this work is to present a method for directional overcurrent relays coordination in a meshed power system which is part of the Brazilian power transmission system operated by São Paulo State Electric Power Transmission Company (CTEEP - Companhia de Transmissão de Energia Elétrica Paulista). This power system was simulated by CAPE (Computer-Aided Protection Engineering) software using the database of short circuits studies which is provided by the Electric System National Operator (ONS - Operador Nacional do Sistema). Given a specific power system topology and its operating conditions, the hybrid algorithm was developed based on the combination and execution of linear programming and genetic algorithm. Several short circuits scenarios were evaluated in order to obtain and assess the coordination between the pairs of directional overcurrent relays. In such scenarios, it was considered the main network topology, as well as other network operating conditions, mainly caused by certain topological variations. The results show that the hybrid algorithm provided a feasible coordination solution for the considered directional overcurrent relays.

É importante que as redes elétricas tenham altos índices de confiabilidade, de forma a se manter a agilidade e a manutenção ideais para um melhor funcionamento. Por outro lado, o crescimento inesperado da carga, falhas em equipamentos e uma parametrização inadequada das funções de proteção tornam a análise de eventos de proteção mais complexas e demoradas. Além disso, a quantidade de informações que pode ser obtida de relés digitais modernos tem crescido constantemente. Para que seja possível uma rápida tomada de decisão e manutenção, esse projeto de pesquisa teve como objetivo a implementação de um sistema completo de diagnóstico que é ativado automaticamente quando um evento de proteção ocorrer. As informações a serem analisadas são obtidas de uma base de dados e de relés de proteção, via protocolo de comunicação IEC 61850 e arquivos de oscilografia. O trabalho aborda o sistema Smart Grid completo incluindo: a aquisição de dados nos relés, detalhando o sistema de comunicação desenvolvido através de um software com um cliente IEC61850 e um servidor OPC e um software com um cliente OPC, que é ativado por eventos configurados para dispará-lo (por exemplo, atuação da proteção); o sistema de pré-tratamento de dados, onde os dados provenientes dos relés e equipamentos de proteção são filtrados, pré-processados e formatados; e o sistema de diagnóstico. Um banco de dados central mantém atualizados os dados de todas essas etapas. O sistema de diagnóstico utiliza algoritmos convencionais e técnicas de inteligência artificial, em particular, um sistema especialista. O sistema especialista foi desenvolvido para lidar com diferentes conjuntos de dados de entrada e com uma possível falta de dados, sempre garantindo a entrega de diagnósticos. Foram realizados testes e simulações para curtos-circuitos (trifásico, dupla-fase, dupla-fase-terra e fase-terra) em alimentadores, transformadores e barras de uma subestação. Esses testes incluíram diferentes estados do sistema de proteção (funcionamento correto e impróprio). O sistema se mostrou totalmente eficaz tanto no caso de disponibilidade completa quanto parcial de informações, sempre fornecendo um diagnóstico do curto-circuito e analisando o funcionamento das funções de proteção da subestação. Dessa forma, possibilita-se uma manutenção muito mais eficiente pelas concessionárias de energia, principalmente no que diz respeito à prevenção de defeitos em equipamentos, rápida resposta a problemas, e necessidade de reparametrização das funções de proteção. O sistema foi instalado com sucesso em uma subestação de distribuição da Companhia Paulista de Força e Luz. / It is important that electrical networks have high levels of reliability in order to maintain the ideal agility and maintenance for better functioning. On the other hand, the often unexpected load growth, failures of protectionrelated equipment and inadequate parameterization of protection functions make the analyses of protection events more complex and time-consuming. Besides, the amount of information that can be retrieved from modern digital relays is constantly increasing. In order to aid a quick decision-making and maintenance practices, this research project aimed to implement a complete diagnosis system that is automatically activated whenever a protection-related event occurs. Information to be analyzed is obtained from a database and from the protection relays, via IEC 61850 communication protocol and oscillography files. The full smart grid system is addressed, including: the data acquisition and communication system developed through a software with an IEC61850 client and an OPC server and another software with an OPC client, which is activated by set triggering events (e.g. protection tripping); the data pre-processing system, in which the data is filtered, preprocessed and formatted; and the diagnostic system. A central database maintains updated all the data. For the diagnostic system, conventional algorithms and artificial intelligence techniques are applied; particularly, an expert system is implemented. The expert system was designed to deal with different sets of input information and uses different techniques to deal with a possible lack of data, always ensuring the delivery of diagnoses. Tests and simulations were performed for short-circuits (three-phase, phase-to-phase, double-phase-to-ground and phase-to-ground) on feeders, transformers and bus bars of a substation. These tests included different states of the protection system (proper functioning and malfunctioning). The diagnostic system proved to be fully effective under both complete and partial availability of information, always providing the fault diagnosis and the analysis of the protection functions. In brief, the system enables a much more efficient maintenance to power distribution utilities, especially when preventing equipment malfunctioning, quick responses towards system problems and the need to re-define some protection functions are required. It was successfully installed in a distribution substation of Companhia Paulista de Força e Luz, a Brazilian power distribution utility.

Esta dissertação apresenta uma proposta de integração sistêmica da automação das subestações retificadoras do sistema metrô-ferroviário brasileiro. Esta dissertação também apresenta os ganhos de confiabilidade que podem ser obtidos, caso a mesma seja implementada, e a priorização da eficiência de operação do sistema em questão. A motivação deste trabalho deve-se à necessidade de atender à perspectiva de aumento de demanda de energia elétrica nos processos de expansão e modernização deste sistema, amplamente usado pela população brasileira. A partir do estudo e análise do atual sistema de automação existente nas subestações do sistema metrô-ferroviário brasileiro, da arquitetura de hardware e software, foi possível investigar como a integração dos dados pertencentes aos sistemas de controle da subestação e do Centro de Controle Operacional CCO - pode permitir o aumento da confiabilidade e da flexibilidade de operação. Para quantificar estes ganhos de confiabilidade é apresentado o desenvolvimento do modelo de confiabilidade de Markov aplicado ao sistema de automação de subestações retificadoras. A metodologia utilizada procedeu ao levantamento e análise das ocorrências abertas nos anos de 2006, 2007 e 2008 nas subestações retificadoras do metrô de São Paulo, calculando o seu MTBF (Mean Time Between Failures). O estudo conclui que o ganho de confiabilidade é significativo no que se refere à melhoria do transporte público com a aplicação da integração da automação das subestações retificadoras. / This dissertation there presents a proposal for the integrated automation of the Brazilian subway system rectifier substations, supported on the gains of reliability which may be obtained in case it is implemented, and in the improvement of the efficiency of operation of the system open to question. The inquiry was supporting in the necessity of paying attention to the perspective of increase of demand of electric energy in the processes of expansion and modernization of this system, widely used by the Brazilian population. From the study and analysis of the current system of existent automation in the substations of the system Brazilian subway, of the architecture of hardware and software, was possible to investigate like the integration of the pertaining data to the systems of control of the substation and of the Centre of Operational Control CCO can allow the increase of the reliability and of the flexibility of operation. To quantify these profits of reliability there is presented the development of the model of reliability of Markov devoted to the system of automation of rectifying substations. The used methodology proceeded to the lifting and analysis of the incidents when they were opened in the years of 2006, 2007 and 2008 in the rectifier substations of the subway of Sao Paulo, calculating the MTBF (Mean Time Between Failures). The study ends that the profit of reliability is significant in what it refers to the improvement of public transport with the application of the integration of the automation of the rectifying substations.

This research presents the development and implementation of fault location algorithms in power distribution networks with distributed generation units installed along their feeders. The proposed algorithms are capable of locating the fault based on voltage and current signals recorded by intelligent electronic devices installed at the end of the feeder sections, information to compute the loads connected to these feeders and their electric characteristics, and the operating status of the network. In addition, this work presents the study of analytical models of distributed generation and load technologies that could contribute to the performance of the proposed fault location algorithms. The validation of the algorithms was based on computer simulations using network models implemented in ATP, whereas the algorithms were implemented in MATLAB. / Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a implementação de algoritmos para localização de faltas em redes primárias de distribuição de energia elétrica que possuem unidades de geração distribuída conectadas ao longo dos seus alimentadores. Esses algoritmos são capazes de efetuar a localização de faltas utilizando registros dos sinais de tensões e correntes realizados por dispositivos eletrônicos inteligentes, instalados nas saídas dos alimentadores de distribuição, além de informações que permitam determinar os valores das cargas conectadas nesses alimentadores, características elétricas, e o estado operativo da rede de distribuição. Ademais, este trabalho apresenta o estudo de modelos analíticos de unidades de geração distribuída e de cargas que poderiam contribuir positivamente com o desempenho dos algoritmos propostos. A validação dos algoritmos foi realizada através de simulações computacionais, utilizando modelos de rede implementados em ATP e os algoritmos foram implementados em MATLAB.