Um relé de distância utilizado na proteção de Linhas de Transmissão é usualmente projetado para atuar sob condições fixas de operação. Portanto, o desempenho destes relés é afetado pela mudança no ponto de operação do sistema. Grandes avanços, relativos à proteção, podem ser alcançados com a implementação de reconhecimento de padrões para o diagnóstico de faltas em sistemas elétricos de potência. Este trabalho demonstra a utilização de Redes Neurais Artificiais operando como um classificador de padrões para a operação de um relé de distância. O projeto utiliza a magnitude dos fasores das três fases de corrente e tensão, de um dos barramentos da Linha de Transmissão, como dados de entrada. O uso de Redes Neurais Artificiais resulta em um melhor desempenho do relé, mantendo seu alcance mesmo diante de diferentes condições de falta ou mudanças no ponto de operação do sistema. / A distance relay for the protection of transmission lines is usually designed on the basis of fixed settings. The performance of such relays is therefore affected by the changing network parameters. The implementation of a pattern recognizer for power system diagnosis can provide great advances in the protection field. This work demonstrates the use of an Artificial Neural Network as a pattern classifier for a distance relay operation. The scheme utilizes the magnitudes of three phase voltage and current phasors, from one busbar of the transmission line, as inputs. An improved performance with the use of an Artificial Neural Networks approach is experienced once the relay can operate correctly, keeping the reach when faced with different fault conditions as well as network parameters change.

ABSTRACT Federal regulations have recognized that arc flash hazards are a critical source of potential injury. As a consequence, in order to work on some electrical equipment, the energy source must be completely shut-down. However, power distribution systems in mission critical facilities such as hospitals and data centers must sometimes remain energized while being maintained. In recent years the Arc Flash Hazard Analysis has emerged as a power system tool that informs the qualified technician of the incident energy at the equipment to be maintained and recommends the proper protective equipment to wear. Due to codes, standards and historically acceptable design methods, the Arc Flash Hazard is often higher and more dangerous than necessary. This dissertation presents detailed methodology and proposes alternative strategies to be implemented at the design stage of 600 volt facility power distribution systems which will decrease the Arc Flash Hazard Exposure when compared to widely used code acceptable design strategies. Software models have been developed for different locations throughout a power system. These software model simulations will analyze the Arc Flash Hazard in a system designed with typical mainstream code acceptable methods. The model will be changed to show implementation of arc flash mitigation techniques at the system design level. The computer simulations after the mitigation techniques will show significant lowering of the Arc Flash Hazard Exposure.

The purpose of the proposed research is to design a Decentralized Voltage/Stability Monitoring and Control System to counteract voltage violations and the impact of disturbances/contingencies on power system voltage stability. A decentralized voltage and stability control system is designed to coordinate the controls of the local secondary voltage control devices and necessary load shedding without requiring information about the rest of the system. The voltage/stability control can be formulated as a multi-objective optimization problem. The control objectives include, but are not limited to: minimization of system active/reactive losses; maximization of the system stability margin; and minimization of the control actions. The constraints of the optimization problem depend on the specifications of the actual system components. For the first time, margin sensitivities of the control actions are included in the control formulation. The concept of using margin sensitivity to evaluate the post-control load margin is presented as a fast and accurate way to assess potential voltage and stability control options. A system decomposition procedure is designed to define the disturbance-affected zone as an independent control subsystem. A normal constraint algorithm is adopted to identify the most suitable control solution in a shorter timeline than the typical utility voltage-control practice. Both steady-state and dynamic simulations are performed to compare the proposed system with typical utility control practices.

IEC 61850 is rapidly becoming the internationally recognized standard for substation automation systems making it an indispensable element in power system protection and automation education. In order to facilitate teaching this very practical subject, a laboratory setup was developed to demonstrate IEC 61850 station bus inter Intelligent Electronic Device (IED) communication. In this setup, an electrical substation was implemented in a real time digital simulator (RTDS) and protection schemes were implemented in IEC 61850 station bus compliant IEDs from different vendors. Trip signals and breaker statuses were exchanged between RTDS and IEDs using GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) messages. Several protection applications including a novel backup bus protection scheme were developed based on the setup to demonstrate the use of GOOSE messages in time critical applications. The developed test setup along with the designed laboratory exercises will undoubtedly enhance teaching, training and research in this important field. / February 2016

Abstract The repair of thoracoabdominal aortic aneurysms carries a substantial risk of ischaemic perioperative spinal cord injury. Although several protective methods have been developed, the risk of paraplegia has not been eliminated. Moreover, aortic aneurysms, including arch aneurysms, are complex clinical challenges requiring cerebral protection with hypothermic circulatory arrest (HCA). Hypothermia lowers the rate of cerebral metabolism and allows a temporary halt of the systemic circulation. However, there is still a risk for cerebral damage and a need for additional neuroprotective methods. During the last 15 years, our research group has used a porcine model to investigate a variety of neuroprotective tools. In this thesis, an animal model was utilized to study the efficacy of remote ischaemic preconditioning (RIPC) to ameliorate ischaemic damage to the central nervous system, and to shed light on the potential mechanism. Moreover, diazoxide, the pharmacological mimetic of RIPC, was tested in the HCA animal model. In the first Study (I), RIPC showed beneficial effect on the spinal cord against ischaemic insult as recorded with motor-evoked potentials. Strikingly, the beneficial effect of RIPC was observed even before the ischaemia. In the second Study (II), some beneficial effect of RIPC was seen in the immunohistochemical analysis of the spinal cord ischemia but the result remains inconclusive. Similarly, the diazoxide-treated animals had better hemodynamic status postoperatively and mildy better antioxidant activity of the brain in the third Study (III). The fourth study (IV) was a review of the current knowledge of RIPC from the cardiovascular point of view. Our studies indicate that RIPC might be a potential adjunct for preventing neuronal ischaemic injury in the setting of thoracoabdominal aortic surgery. Our result indicates that further preclinical studies with diazoxide are required before studies can be conducted in humans. / Tiivistelmä Torakoabdominaalisen aortan aneurysman kirurginen korjaaminen sisältää riskin iskeemiselle selkäytimen vauriolle. Vaikka useita suojaavia tekniikoita on kehitetty, paraplegian riskiä ei ole saatu poistettua kokonaan. Kirurgisen korjaamisen haasteellisuus moninkertaistuu, jos aneurysma on laajentunut myös aortan kaareen. Tällöin vaaditaan hypotermista verenkierron pysäytystä (HCA). Hypotermia alentaa aivojen metabolista aktiivisuutta merkittävästi ja siten verenkierron väliaikainen pysäytys on mahdollista. Tästä huolimatta hypotermiseen verenkierron pysäytykseen liittyy riski aivokudoksen vauriolle. Meidän tutkimusryhmämme on tutkinut useita keskushermostoa suojaavia tekniikoita ja lääkeaineita viimeisen 15 vuoden aikana. Käytämme sikaa koe-eläin mallina, jota on tämänkin väitöskirjan osajulkaisuissa käytetty. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena on ollut tutkia sekä esialtistavan raajaiskemian (RIPC) että farmakologisen mimeetin, diazoxiden, keskushermostoa suojaavia vaikutuksia sekä niiden mahdollista vaikutusmekanismia. Ensimmäisessä osajulkaisussa esialtistava raajaiskemia paransi selkäytimen iskemian sietokykyä, mikä näkyi alaraajojen motorisissa herätepotentiaaleissa. Merkittävintä tutkimuksessa oli, että esialtistavan raajaiskemian edulliset vaikutuksen selkäytimeen oli nähtävissä jo ennen iskemiaa. Toisessa osajulkaisussa esialtistava raajaiskemialla oli nähtävissä edullisia, mutta ei varauksettomia, vaikutuksia selkäytimen iskemian immunohistokemiallisessa analyysissä. Kolmannessa osatyössä diazoxidin vaikutukset iskemiaa vastaan nähtiin parempana hemodynaamisena tilana ja antioksidatiivisen aktiivisuuden lisääntymisenä aivoissa, mutta tulos on myös tulkinnanvarainen. Neljäs osajulkaisu kokosi tämän hetken tietämyksen esialtistavasta raajaiskemiasta. Tutkimuksissamme osoitimme, että esialtistava raajaiskemiassa on potentiaalia tulla yhdeksi välineeksi keskushermoston iskemiaa vastaan torakoabdominaalisen aortan kirurgiassa. Lisäksi diazoxidin mahdolliset neuroprotektiiviset vaikutukset vaativat lisää koe-eläintutkimuksia ennen ihmiskokeisiin siirtymistä.

O presente trabalho apresenta uma abordagem estendida para o diagnóstico de faltas em sistemas subterrâneos de distribuição de energia. O esquema proposto desenvolve modificações às técnicas de localização de defeitos em sistemas de distribuição aéreos baseadas no cálculo da impedância aparente, adaptando-as para a aplicação em alimentadores primários de topologia subterrânea. Sistemas subterrâneos estão associados à alta confiabilidade, com índices reduzidos de interrupção devido a suas características construtivas, que impedem a ocorrência de perturbações devido a fenômenos climáticos, mecânicos ou humanos. No entanto, as falhas em cabos subterrâneos são tipicamente permanentes, exigindo a substituição da seção de linha defeituosa para o restabelecimento do sistema. De forma distinta às redes aéreas, onde a localização de defeitos pode ser realizada por meio de inspeções visuais, a topologia subterrânea impossibilita a utilização desta abordagem. Embora o processo de digitalização dos esquemas de proteção de alimentadores primários tenha incentivado o desenvolvimento de inúmeras metodologias para a localização de defeitos em redes de distribuição aéreas, características típicas de redes de distribuição subterrâneas não foram contempladas. Nestes sistemas, a aplicação das técnicas desenvolvidas para sistemas aéreos resulta em estimativas errôneas da distância da falta. O esquema proposto visa a superar esta deficiência dos algoritmos de localização tradicionais, adaptando-os às características típicas de redes de distribuição subterrâneas. A formulação desenvolvida se baseia no cálculo da impedância aparente, o qual poderá ser incorporado como sub-rotina de relés de proteção de arquitetura digital. Além de disponibilizar a estimativa da distância da falta, o esquema de localização de defeitos proposto obtém uma estimativa das resistências de falta associadas à perturbação. A metodologia utiliza como dados de entrada os sinais de tensão e corrente referentes aos períodos de pré-falta e durante a perturbação, e propõe uma compensação da componente capacitiva, característica típica e não-desprezível de cabos subterrâneos. De modo a contemplar a existência de ramificações laterais, o esquema de localização propõe a utilização de sistemas radiais equivalentes, determinados a partir de rotinas de fluxo de potência trifásico. Tendo em vista o comportamento randômico do carregamento em sistemas de distribuição, a metodologia propõe, ainda, uma análise do perfil de carga durante o período pré-falta. Para possibilitar uma análise da eficiência do método proposto, testes comparativos com uma técnica de localização de defeitos para redes de distribuição de topologia aérea recentemente proposta foram realizados. De modo a validar o esquema de localização de defeitos proposto, foram executadas inúmeras simulações computacionais a partir de dados reais de um alimentador subterrâneo. O desempenho do esquema de diagnóstico de faltas foi avaliado frente aos aspectos de: resistência de falta, distância da falta, ângulo de incidência de falta, existência de cargas desequilibradas e variações no carregamento do sistema. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade da aplicação da metodologia proposta para a localização de defeitos em sistemas de distribuição subterrâneos. / This work presents an extended approach for underground power distribution system fault location. The scheme develops modifications in the proposed impedance-based fault location techniques for overhead distribution systems, adapting it for underground feeders. Under-ground systems are associated to high reliability, with low interruption rates due to its con-struction characteristics, which avoid the fault occurrence from climatic, mechanics or human interference. However, the underground cables damages are typically permanent, requesting the damaged line section substitution before system restoration. Fault location on overhead systems can be assisted by visual inspection, on underground system, this approach can not used. Although the primary feeder protection scheme's digitalization process has stimulated the development of several fault location schemes for overhead feeders, typical underground's system characteristics were not considered. In these systems, the application of the techniques used on overhead systems results in erroneous fault distance estimates. The proposed methodology aims to overcome this limitation of traditional fault location algorithms, adapting it to the typical underground systems characteristics. The proposed formulation is based on the apparent impedance calculation, and can be included as a sub-routine in digital protection relays. Besides the fault distance estimates, the fault diagnosis scheme also calculates the fault resistances associated to each disturbance. The fault location scheme uses as input data the voltage's and current's signals before and during the fault, and also proposes a capacitive current compensation. The fault location technique also proposes the usage of equivalent radial systems, calculated through three-phase load flow techniques, to allow the algorithm coverage on laterals and sub-laterals. Due to the random load profile of distribution systems, the technique develops a load profile analysis during the pre-fault period. In order to provide efficiency analysis of the proposed formulation, comparative testes with a recently proposed fault location technique was realized. To validate the proposed fault location algorithm, several fault simulations were executed using real underground feeder data. The proposed fault location scheme performance was evaluated considering the following aspects: fault resistance, fault distance and inception fault angle. Also, the methodology was analyzed considering different load profiles, including unbalanced loads and load variation. The obtained results demonstrate the applicability of the proposed formulation for fault location in underground distribution systems.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation proposes a methodology for alarm processing aiming to solve the fault section estimation in electrical power system. The main motivation for this study is the fact that operators of control centers being subject to information overload during great contingencies. Accordingly, this work aims to support the operator decisions in order to enhance the service reliability and reduce the power restoration time. The approach integrates a legacy SCADA interpretation system working together with a new network topology processor to determine the protection alarms (circuit breakers, switches, protective relays and protection logical schemes), and the set of disconnected equipment after occurrence of fault. The fault diagnosis has been treated as an optimization problem, solved through two stages: event classification at equipment level, based on Bayes s Theorem; and the fault section estimation, which is formulated as a mixed integer programming problem, using the commercial software CPLEX to solve instances. The developed approach also identifies the malfunctioned protective devices as well the missing and false alarms. Possible fault scenarios were considered in part of a real Brazilian power system to validate the methodology. The results show that the proposed approach can find the optimal solution even in case of multiple faults or in case of failure of protection devices. / Esta dissertação propõe uma metodologia para o processamento de alarmes visando à estimação de secção em falta em sistemas elétricos de potência. A principal motivação para este estudo reside no fato de os operadores dos centros de controle estarem sujeitos a sobrecarga de informação durante grandes contingências. Deste modo, o trabalho pretende auxiliar o operador na tomada de decisão, favorecendo a confiabilidade do serviço e a redução do tempo de reestabelecimento. A abordagem integra a interpretação de dados históricos do SCADA em conjunto com um novo configurador de redes para determinar os alarmes de proteção (disjuntores, chaves seccionadoras, relés de proteção e esquemas lógicos de proteção), e o conjunto de equipamentos desligados após a falta. O diagnóstico sobre a falta é tratado como um problema de otimização, resolvido por meio de duas etapas: classificação de eventos em nível de equipamento, fundamentado no Teorema de Bayes; e a estimação da secção em falta, formulada como um problema de programação inteira mista, empregando o otimizador comercial CPLEX para resolver as instâncias. A abordagem proposta também identifica o mau funcionamento de dispositivos de proteção, bem como os alarmes falsos e falhos. Possíveis cenários de falta foram considerados em parte de um sistema de potência real brasileiro a fim de validar a metodologia. Os resultados mostram que a abordagem pode encontrar a solução ótima, mesmo em casos de múltiplas faltas ou em casos de falha em dispositivos de proteção.

O presente trabalho apresenta uma abordagem estendida para o diagnóstico de faltas em sistemas subterrâneos de distribuição de energia. O esquema proposto desenvolve modificações às técnicas de localização de defeitos em sistemas de distribuição aéreos baseadas no cálculo da impedância aparente, adaptando-as para a aplicação em alimentadores primários de topologia subterrânea. Sistemas subterrâneos estão associados à alta confiabilidade, com índices reduzidos de interrupção devido a suas características construtivas, que impedem a ocorrência de perturbações devido a fenômenos climáticos, mecânicos ou humanos. No entanto, as falhas em cabos subterrâneos são tipicamente permanentes, exigindo a substituição da seção de linha defeituosa para o restabelecimento do sistema. De forma distinta às redes aéreas, onde a localização de defeitos pode ser realizada por meio de inspeções visuais, a topologia subterrânea impossibilita a utilização desta abordagem. Embora o processo de digitalização dos esquemas de proteção de alimentadores primários tenha incentivado o desenvolvimento de inúmeras metodologias para a localização de defeitos em redes de distribuição aéreas, características típicas de redes de distribuição subterrâneas não foram contempladas. Nestes sistemas, a aplicação das técnicas desenvolvidas para sistemas aéreos resulta em estimativas errôneas da distância da falta. O esquema proposto visa a superar esta deficiência dos algoritmos de localização tradicionais, adaptando-os às características típicas de redes de distribuição subterrâneas. A formulação desenvolvida se baseia no cálculo da impedância aparente, o qual poderá ser incorporado como sub-rotina de relés de proteção de arquitetura digital. Além de disponibilizar a estimativa da distância da falta, o esquema de localização de defeitos proposto obtém uma estimativa das resistências de falta associadas à perturbação. A metodologia utiliza como dados de entrada os sinais de tensão e corrente referentes aos períodos de pré-falta e durante a perturbação, e propõe uma compensação da componente capacitiva, característica típica e não-desprezível de cabos subterrâneos. De modo a contemplar a existência de ramificações laterais, o esquema de localização propõe a utilização de sistemas radiais equivalentes, determinados a partir de rotinas de fluxo de potência trifásico. Tendo em vista o comportamento randômico do carregamento em sistemas de distribuição, a metodologia propõe, ainda, uma análise do perfil de carga durante o período pré-falta. Para possibilitar uma análise da eficiência do método proposto, testes comparativos com uma técnica de localização de defeitos para redes de distribuição de topologia aérea recentemente proposta foram realizados. De modo a validar o esquema de localização de defeitos proposto, foram executadas inúmeras simulações computacionais a partir de dados reais de um alimentador subterrâneo. O desempenho do esquema de diagnóstico de faltas foi avaliado frente aos aspectos de: resistência de falta, distância da falta, ângulo de incidência de falta, existência de cargas desequilibradas e variações no carregamento do sistema. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade da aplicação da metodologia proposta para a localização de defeitos em sistemas de distribuição subterrâneos. / This work presents an extended approach for underground power distribution system fault location. The scheme develops modifications in the proposed impedance-based fault location techniques for overhead distribution systems, adapting it for underground feeders. Under-ground systems are associated to high reliability, with low interruption rates due to its con-struction characteristics, which avoid the fault occurrence from climatic, mechanics or human interference. However, the underground cables damages are typically permanent, requesting the damaged line section substitution before system restoration. Fault location on overhead systems can be assisted by visual inspection, on underground system, this approach can not used. Although the primary feeder protection scheme's digitalization process has stimulated the development of several fault location schemes for overhead feeders, typical underground's system characteristics were not considered. In these systems, the application of the techniques used on overhead systems results in erroneous fault distance estimates. The proposed methodology aims to overcome this limitation of traditional fault location algorithms, adapting it to the typical underground systems characteristics. The proposed formulation is based on the apparent impedance calculation, and can be included as a sub-routine in digital protection relays. Besides the fault distance estimates, the fault diagnosis scheme also calculates the fault resistances associated to each disturbance. The fault location scheme uses as input data the voltage's and current's signals before and during the fault, and also proposes a capacitive current compensation. The fault location technique also proposes the usage of equivalent radial systems, calculated through three-phase load flow techniques, to allow the algorithm coverage on laterals and sub-laterals. Due to the random load profile of distribution systems, the technique develops a load profile analysis during the pre-fault period. In order to provide efficiency analysis of the proposed formulation, comparative testes with a recently proposed fault location technique was realized. To validate the proposed fault location algorithm, several fault simulations were executed using real underground feeder data. The proposed fault location scheme performance was evaluated considering the following aspects: fault resistance, fault distance and inception fault angle. Also, the methodology was analyzed considering different load profiles, including unbalanced loads and load variation. The obtained results demonstrate the applicability of the proposed formulation for fault location in underground distribution systems.

Doctor of Philosophy / Electrical and Computer Engineering / Anil Pahwa / Noel N. Schulz / Microgrids with distributed generators have changed how protection and control systems are designed. Protection systems in conventional U.S. distribution systems are radial with the assumption that current flows always from the utility source to the end user. However, in a microgrid with distributed generators, currents along power lines do not always flow in one direction. Therefore, protection systems must be adapted to different circuit paths depending on distributed generator sites in the microgrid and maximum fuse ampere ratings on busses. Adaptive overcurrent protection focuses on objectives and constraints based on operation, maximum load demand, equipment, and utility service limitations. Adaptive overcurrent protection was designed to protect the power lines and bus feeders of the microgrid with distributed generators by coordinating fuses and relays in the microgrid. Adaptive overcurrent protection was based on the relay setting group and protection logic methods. Non-real-time simulator (NRTS) and real-time simulator (RTS) experiments were performed with computer-based simulators. Tests with two relays in the loop proved that primary relays tripped faster than backup relays for selectivity coordination in the adaptive overcurrent protection system. Relay test results from tripping and non-tripping tests showed that adaptive inverse time overcurrent protection achieved selectivity, speed, and reliability. The RTS and NRTS with two relays in the loop techniques were described and compared in this work. The author was the first graduate student to implement real-time simulation with two relays in the loop at the Burns & McDonnell - K-State Smart Grid Laboratory. The RTS experimental circuit and project are detailed in this work so other graduate students can apply this technique with relays in the loop in smart grid research areas such as phasor measurement units, adaptive protection, communication, and cyber security applications.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-05-04T19:00:50Z No. of bitstreams: 1 ALANA KELLY XAVIER SANTOS CAMPOS – TESE (PPGEE) 2016.pdf: 5517354 bytes, checksum: 24306600f8b9a28a2d230c48b0811a3a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-04T19:00:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALANA KELLY XAVIER SANTOS CAMPOS – TESE (PPGEE) 2016.pdf: 5517354 bytes, checksum: 24306600f8b9a28a2d230c48b0811a3a (MD5) Previous issue date: 2016-10-21 / Capes / Um método de estimação fasorial é proposto para ser utilizado em relés digitais de proteção. Este método tem o objetivo de melhorar a característica de rejeição de componentes indesejáveis do sinal, que são introduzidas durante faltas e manobras nos sistemas elétricos de potência e podem comprometer o desempenho dos sistemas de proteção. São realizadas comparações entre o método proposto e outros quatro métodos de estimação fasorial, em relação às respostas no tempo e frequência. Para as comparações de resposta no tempo são utilizados sinais analíticos provenientes do MATrix LABoratory (MATLAB®) e sinais simulados provenientes do Alternative Transients Program (ATP). Um relé de distância foi implementado utilizando a linguagem MODELS do ATP para avaliar o desempenho do relé, utilizando o método proposto e demais métodos avaliados. A partir de alguns parâmetros usados para avaliar quantitativamente os métodos de estimação, observou-se que o método proposto apresenta bons resultados em termos de precisão e velocidade de convergência, com resposta no tempo compatível com os demais métodos comumente utilizados. A resposta em frequência do método proposto se apresenta mais seletiva em relação aos demais, por apresentar menores lóbulos entre as harmônicas e uma banda de passagem mais estreita em torno da frequência fundamental. Outra vantagem do método proposto é que ele é de fácil programação e permite que os usuários alterem parâmetros de projeto de acordo com suas necessidades. / A phasor estimation method is proposed to be used in digital relays for power system protection. It aims to improve the characteristic of filtering out undesirable frequency components of signals, which are introduced during faults and switching events in electric power systems that may compromise the performance of the protection systems. Comparisons are made in relation to time response and frequency response for the proposed method and four phasor estimation methods. In relation to response time are used analytical signals from MATrix LABoratory (MATLAB®) and simulated signals from Alternative Transients Program (ATP). A distance relay was implemented by using the MODELS language in ATP to evaluate the performance of the relay. From some parameters used to evaluate the estimation methods, it was observed that the proposed method shows good results in terms of accuracy and convergence speed, with response time compatible with other methods. The frequency response of the proposed method appears to be more selective than those of the others methods because it presents lower lobes between the harmonics and a narrower pass band around the fundamental frequency. Another advantage of the proposed method is that it can be easily programmed, allowing users to change design parameters according to their needs.