Este trabalho trata de conceitos relacionados à qualidade da Energia Elétrica (EE) e, neste contexto, apresenta a proposta de técnicas para a compressão da representação de transitórios rápidos e da análise tempo-frequência de distúrbios elétricos em geral. A qualidade da Energia Elétrica é medida pelo coeficiente de desvios que os sinais de tensão e corrente apresentam em relação ao sinal senoidal ideal. Tais desvios são denominados de distúrbios, podendo ser classificados como quase estacionários (e.g. distorção de harmônicas) e eventos (e.g. transitórios rápidos). No contexto de EE, os transitórios rápidos possuem pequena duração (i.e. na ordem dos microssegundos), são detectados por altas taxas de amostragem (i.e. na ordem dos MHz) e possuem difícil parametrização. Portanto, as representações das formas de onda geralmente são armazenadas para auxiliar a avaliação subjetiva dos transitórios e dos parâmetros de interesse. Consequentemente, a compressão destas formas de onda torna-se de extrema importância para armazenar dados adquiridos por longos períodos de tempo, e estes modos de compressão são tratados nesta dissertação. Em virtude das altas taxas de amostragem utilizadas, uma técnica baseada em Análise de Componentes Principais (PCA – Principal Component Analysis) é proposta para esta representação mais compacta de transitórios. Resultados mostram que o desempenho em compressão versus qualidade de reconstrução é semelhante ao de trabalhos relacionados com a vantagem de atender aos requisitos de altas taxas de amostragem. A análise tempo-frequência é um mecanismo que auxilia na classificação e caracterização dos distúrbios elétricos. Neste trabalho, a Transformada de Hilbert-Huang é estudada e uma proposta de melhoria na Decomposição Empírica de Modos (EMD – Empirical Mode Decomposition) é apresentada. Nossos resultados mostram que a técnica proposta economiza o custo computacional se comparada com o estado da arte. Em virtude disso, a técnica proposta apresenta uma taxa de redução no tempo médio de execução de 99,76 % em relação à técnica do estado da arte. Além disso, uma verificação acerca do desempenho em eficiência de compressão versus qualidade de reconstrução de trabalhos anteriores é também desenvolvida nesta dissertação. Foi utilizada uma sistemática de avaliação experimental com base em amostras de sinais AC, de forma a avaliar as taxas de compressão atingidas pelas técnicas estudadas, como a Transformada Wavelet Discreta. Resultados mostram que a Transformada Wavelet falha para compressão de todo e qualquer tipo de distúrbio elétrico quando analisado o compromisso entre acuidade de reconstrução versus eficiência de compressão. / This work deals with concepts related to the AC Power Quality theoretical framework and, in this scope, proposes techniques for the representation of fast transient data compression and for the power line disturbances time-frequency analysis. The AC power quality is measured by the differences between actual and ideal sinusoidal voltage/current signals. These differences are known as electrical disturbances, which can be classified as quasi-stationary (e.g. harmonic distortion) or events (e.g. surge or fast transients) disturbances. In the AC Power Quality scope, the fast transients have short duration (i.e. typically on the order of microseconds), are detected by high sampling rates (i.e. typically on the order of MHz), and are hard to characterize and parameterize. Hence, the resultant representation of the waveforms is in general stored to help in the subjective evaluation of these fast transients and their parameters of interest. As a consequence the compression turns out to be of main concern, in order to store this information acquired over long periods of time (like weeks or months). In this work, a compression technique is proposed taking into account the high sampling rates. The proposed technique makes use of the Principal Component Analysis (PCA) for such compact representation of fast transients. The Compression efficiency versus reconstruction accuracy results show a similar performance for the proposed technique when compared to the related works. On the other hand, the proposed technique can handle the large amount of data provided by the high sampling rates. The time-frequency analysis helps in the classification and characterization of AC power quality disturbances. In this work, the Hilbert-Huang Transform is studied and a modification is proposed in order to improve the Empirical Mode Decomposition (EMD) performance. Our results show that the proposed modification can save computational cost when compared to the state-of-the-art. Therefore, the average execution time is reduced to 99.76 % in comparison with the state-of-the-art technique. Besides that, this work also revisits previous techniques based on the Discrete Wavelet Transform (DWT) in order to verify the trade-off between reconstruction accuracy versus compression efficiency under a more systematic experimental evaluation setup, considering samples of real AC signals. Results show that DWT fails as a general-purpose technique in AC Power Quality scope.

Os Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão constantemente expostos à ocorrência de faltas, o que torna de primordial importância para as concessionárias que estas sejam localizadas com rapidez e precisão. Com isso, a degradação da confiabilidade do sistema e as perdas econômicas são minimizadas. Com este intuito, diversas pesquisas vêm sendo conduzidas nas últimas décadas tendo em vista o desenvolvimento de métodos computacionais para Localização de Faltas (LF) em SDEE. Embora as técnicas disponíveis atualmente sejam capazes de estimar a distância das faltas com relativa exatidão, algumas características intrínsecas aos SDEE ainda impõem limitações à LF em alimentadores radiais. Em geral, o aspecto econômico requer o uso de dados provenientes de um único terminal de medição. Ainda, a quantidade significativa de ramais laterais tipicamente presentes nos SDEE faz com que o problema das múltiplas estimativas da LF seja considerado como a principal limitação à efetividade das técnicas existentes na atualidade. Neste contexto, este trabalho apresenta uma metodologia baseada na análise dos transitórios de alta frequência gerados pelas faltas, a qual é capaz de fornecer uma estimativa única para a LF em SDEE ramificados a partir de medições somente no terminal local. O ramal em falta e a distância da falta em relação ao terminal de medição são determinados através da comparação entre as frequências características identificadas no espectro do transitório, e as frequências teóricas calculadas para os possíveis caminhos de propagação. Uma das principais contribuições deste trabalho consiste na formulação de um modelo detalhado das linhas de distribuição desequilibradas. A formulação proposta é baseada na modificação nas equações de Carson, considerando a dependência da frequência e a inclusão dos efeitos pelicular e da corrente de retorno pela terra para altas frequências. Como resultado, esta abordagem permite uma maior exatidão na determinação dos parâmetros modais que descrevem a propagação de transitórios em SDEE desequilibrados, eliminando as aproximações adotadas pela maioria das técnicas propostas na literatura atual. A técnica proposta foi avaliada considerando simulações de faltas nos alimentadores IEEE 13 e 34 barras através do ATP/EMTP. Os resultados apresentados incluem diversos cenários de faltas, bem como a comparação com um método de LF para SDEE considerado estado da arte atualmente. / Electric power distribution systems (EPDS) are continuously exposed to faults, therefore fast and accurate fault location is of paramount importance for utilities. Thus, degradation of system reliability and economic losses are minimized. In this sense, several studies have been conducted in the last decades aiming to the development of computational methods for Fault Localization (FL) in EPDS. Although the currently available techniques are able to estimate fault distance with relative accuracy, some intrinsic characteristics of EPDS still impose limitations to FL in radial feeders. In general, the economic aspect requires use of data from one-terminal measurements. Also, typical EPDS have a large number of branches, which makes the problem of multiple FL estimates the main limitation to the effectiveness of the existing techniques. In this context, this work presents a methodology based on the analysis of the high frequency transient generated by faults, which is able to provide a unique FL estimate in branched EPDS by using only one-terminal measurements. The faulted branch and the fault distance from the measurement terminal are determined by correlating the characteristic frequencies identified in the transient spectrum and theoretical frequencies calculated for the possible propagation paths. One of the main contributions of this work is the formulation of a detailed model of unbalanced distribution lines. The proposed formulation is based on the modification of Carson’s equations, considering frequency dependence and inclusion of skin effects and the ground current return at high frequencies. As a result, this approach allows a greater accuracy in determining the modal parameters that describe the transients’ propagation in unbalanced EPDS, thus eliminating the approximations adopted by most of the techniques proposed in the current literature. The proposed technique was evaluated considering fault simulations in the IEEE 13 and 34 nodes feeders through the ATP/EMTP. Results presented include several fault scenarios as well as the comparison with a FL method for SDEE currently considered as the state of the art.

Orientador: Sérgio Kurokawa / Resumo: Este trabalho apresenta uma proposta de modelagem de torres de transmissão convencionais e gigantes diretamente no domínio do tempo cujas admitâncias dessas torres são representadas por elementos discretos de circuito. A partir dessa representação, pode-se cálcular as tensões provocadas por descargas atmosféricas incidentes no topo de cada torre de transmissão. Nessa proposta, as tensões produzidas nas estruturas de cada torre de transmissão são obtidas diretamente no domínio do tempo com a utilização de programas convencionais de análise eletromagnética, evitando-se assim transformações inversas Laplace ou Fourier. Essa modelagem consiste inicialmente em calcular a admitância de qualquer torre de transmissão, no domínio da frequência, empregando o Método dos Momentos (MoM), levando em consideração os aspectos geométricos das torres, as resistividades do solo e o sistema de aterramento. Uma vez obtidas as admitâncias das torres de transmissão convencionais e gigantes, essas curvas são representadas por funções racionais obtidas pela técnica do Vector Fitting e em seguida, um circuito elétrico discreto equivalente é sintetizado para gerar a respectiva admitância calculada numericamente. Uma vez sintetizado, esses circuitos serão analisados em softwares de simulação de transitórios eletromagnéticos e as tensões induzidas em cada torre são estimadas. Nessa proposta, são consideradas a inclusão das treliças das torres, do sistema de aterramentos em distintas resistividades do sol... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work presents a proposal for modeling conventional and giant transmission towers directly in the time domain whose admittances of these structures are represented by lumped circuit elements. From this representation, one can calculate voltages caused by lightning striking at the top of each transmission tower. In this proposal, voltages produced in each transmission tower are obtained directly in the time domain using electromagnetic analysis programs, which does not require inverse Laplace or Fourier transformations. This modeling initially consists of calculating the admittance of any transmission tower in the frequency domain using the Moment Method (MoM), taking into account the tower geometry, soil resistivities and tower-footing grounding impedance. Once the admittances of the conventional and giant transmission towers are obtained, these curves are represented by rational functions obtained by the Vector Fitting technique and then an equivalent lumped electric circuit is proposed for each curve calculated numerically. These circuits will be analyzed in electromagnetic transient software and the voltages due lightning strikes in each tower are estimated. In this proposal, the inclusion of the tower trusses, homogenous soils and grounding electrodes are considered, and the responses are more precisely obtained. A comparison between the voltages obtained by the proposed modeling and the conventional models is also presented. In these comparisons, it can be seen that ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 10560.pdf: 13999156 bytes, checksum: 35d876c05a19cc2168712512431fdb02 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Os Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão constantemente expostos à ocorrência de faltas, o que torna de primordial importância para as concessionárias que estas sejam localizadas com rapidez e precisão. Com isso, a degradação da confiabilidade do sistema e as perdas econômicas são minimizadas. Com este intuito, diversas pesquisas vêm sendo conduzidas nas últimas décadas tendo em vista o desenvolvimento de métodos computacionais para Localização de Faltas (LF) em SDEE. Embora as técnicas disponíveis atualmente sejam capazes de estimar a distância das faltas com relativa exatidão, algumas características intrínsecas aos SDEE ainda impõem limitações à LF em alimentadores radiais. Em geral, o aspecto econômico requer o uso de dados provenientes de um único terminal de medição. Ainda, a quantidade significativa de ramais laterais tipicamente presentes nos SDEE faz com que o problema das múltiplas estimativas da LF seja considerado como a principal limitação à efetividade das técnicas existentes na atualidade. Neste contexto, este trabalho apresenta uma metodologia baseada na análise dos transitórios de alta frequência gerados pelas faltas, a qual é capaz de fornecer uma estimativa única para a LF em SDEE ramificados a partir de medições somente no terminal local. O ramal em falta e a distância da falta em relação ao terminal de medição são determinados através da comparação entre as frequências características identificadas no espectro do transitório, e as frequências teóricas calculadas para os possíveis caminhos de propagação. Uma das principais contribuições deste trabalho consiste na formulação de um modelo detalhado das linhas de distribuição desequilibradas. A formulação proposta é baseada na modificação nas equações de Carson, considerando a dependência da frequência e a inclusão dos efeitos pelicular e da corrente de retorno pela terra para altas frequências. Como resultado, esta abordagem permite uma maior exatidão na determinação dos parâmetros modais que descrevem a propagação de transitórios em SDEE desequilibrados, eliminando as aproximações adotadas pela maioria das técnicas propostas na literatura atual. A técnica proposta foi avaliada considerando simulações de faltas nos alimentadores IEEE 13 e 34 barras através do ATP/EMTP. Os resultados apresentados incluem diversos cenários de faltas, bem como a comparação com um método de LF para SDEE considerado estado da arte atualmente. / Electric power distribution systems (EPDS) are continuously exposed to faults, therefore fast and accurate fault location is of paramount importance for utilities. Thus, degradation of system reliability and economic losses are minimized. In this sense, several studies have been conducted in the last decades aiming to the development of computational methods for Fault Localization (FL) in EPDS. Although the currently available techniques are able to estimate fault distance with relative accuracy, some intrinsic characteristics of EPDS still impose limitations to FL in radial feeders. In general, the economic aspect requires use of data from one-terminal measurements. Also, typical EPDS have a large number of branches, which makes the problem of multiple FL estimates the main limitation to the effectiveness of the existing techniques. In this context, this work presents a methodology based on the analysis of the high frequency transient generated by faults, which is able to provide a unique FL estimate in branched EPDS by using only one-terminal measurements. The faulted branch and the fault distance from the measurement terminal are determined by correlating the characteristic frequencies identified in the transient spectrum and theoretical frequencies calculated for the possible propagation paths. One of the main contributions of this work is the formulation of a detailed model of unbalanced distribution lines. The proposed formulation is based on the modification of Carson’s equations, considering frequency dependence and inclusion of skin effects and the ground current return at high frequencies. As a result, this approach allows a greater accuracy in determining the modal parameters that describe the transients’ propagation in unbalanced EPDS, thus eliminating the approximations adopted by most of the techniques proposed in the current literature. The proposed technique was evaluated considering fault simulations in the IEEE 13 and 34 nodes feeders through the ATP/EMTP. Results presented include several fault scenarios as well as the comparison with a FL method for SDEE currently considered as the state of the art.

Este trabalho trata de conceitos relacionados à qualidade da Energia Elétrica (EE) e, neste contexto, apresenta a proposta de técnicas para a compressão da representação de transitórios rápidos e da análise tempo-frequência de distúrbios elétricos em geral. A qualidade da Energia Elétrica é medida pelo coeficiente de desvios que os sinais de tensão e corrente apresentam em relação ao sinal senoidal ideal. Tais desvios são denominados de distúrbios, podendo ser classificados como quase estacionários (e.g. distorção de harmônicas) e eventos (e.g. transitórios rápidos). No contexto de EE, os transitórios rápidos possuem pequena duração (i.e. na ordem dos microssegundos), são detectados por altas taxas de amostragem (i.e. na ordem dos MHz) e possuem difícil parametrização. Portanto, as representações das formas de onda geralmente são armazenadas para auxiliar a avaliação subjetiva dos transitórios e dos parâmetros de interesse. Consequentemente, a compressão destas formas de onda torna-se de extrema importância para armazenar dados adquiridos por longos períodos de tempo, e estes modos de compressão são tratados nesta dissertação. Em virtude das altas taxas de amostragem utilizadas, uma técnica baseada em Análise de Componentes Principais (PCA – Principal Component Analysis) é proposta para esta representação mais compacta de transitórios. Resultados mostram que o desempenho em compressão versus qualidade de reconstrução é semelhante ao de trabalhos relacionados com a vantagem de atender aos requisitos de altas taxas de amostragem. A análise tempo-frequência é um mecanismo que auxilia na classificação e caracterização dos distúrbios elétricos. Neste trabalho, a Transformada de Hilbert-Huang é estudada e uma proposta de melhoria na Decomposição Empírica de Modos (EMD – Empirical Mode Decomposition) é apresentada. Nossos resultados mostram que a técnica proposta economiza o custo computacional se comparada com o estado da arte. Em virtude disso, a técnica proposta apresenta uma taxa de redução no tempo médio de execução de 99,76 % em relação à técnica do estado da arte. Além disso, uma verificação acerca do desempenho em eficiência de compressão versus qualidade de reconstrução de trabalhos anteriores é também desenvolvida nesta dissertação. Foi utilizada uma sistemática de avaliação experimental com base em amostras de sinais AC, de forma a avaliar as taxas de compressão atingidas pelas técnicas estudadas, como a Transformada Wavelet Discreta. Resultados mostram que a Transformada Wavelet falha para compressão de todo e qualquer tipo de distúrbio elétrico quando analisado o compromisso entre acuidade de reconstrução versus eficiência de compressão. / This work deals with concepts related to the AC Power Quality theoretical framework and, in this scope, proposes techniques for the representation of fast transient data compression and for the power line disturbances time-frequency analysis. The AC power quality is measured by the differences between actual and ideal sinusoidal voltage/current signals. These differences are known as electrical disturbances, which can be classified as quasi-stationary (e.g. harmonic distortion) or events (e.g. surge or fast transients) disturbances. In the AC Power Quality scope, the fast transients have short duration (i.e. typically on the order of microseconds), are detected by high sampling rates (i.e. typically on the order of MHz), and are hard to characterize and parameterize. Hence, the resultant representation of the waveforms is in general stored to help in the subjective evaluation of these fast transients and their parameters of interest. As a consequence the compression turns out to be of main concern, in order to store this information acquired over long periods of time (like weeks or months). In this work, a compression technique is proposed taking into account the high sampling rates. The proposed technique makes use of the Principal Component Analysis (PCA) for such compact representation of fast transients. The Compression efficiency versus reconstruction accuracy results show a similar performance for the proposed technique when compared to the related works. On the other hand, the proposed technique can handle the large amount of data provided by the high sampling rates. The time-frequency analysis helps in the classification and characterization of AC power quality disturbances. In this work, the Hilbert-Huang Transform is studied and a modification is proposed in order to improve the Empirical Mode Decomposition (EMD) performance. Our results show that the proposed modification can save computational cost when compared to the state-of-the-art. Therefore, the average execution time is reduced to 99.76 % in comparison with the state-of-the-art technique. Besides that, this work also revisits previous techniques based on the Discrete Wavelet Transform (DWT) in order to verify the trade-off between reconstruction accuracy versus compression efficiency under a more systematic experimental evaluation setup, considering samples of real AC signals. Results show that DWT fails as a general-purpose technique in AC Power Quality scope.

Orientador: Maria Cristina Dias Tavares / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-05T22:47:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gertrudes_JoaoBosco_M.pdf: 6826873 bytes, checksum: 2b476528549162ae8d62b6920b535fdd (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Um dos requisitos necessários para estudos e simulação de fenômenos transitórios em sistemas de energia elétrica (aterramentos, linhas de transmissão, etc) é a modelagem adequada do comportamento eletromagnético do solo. Na literatura, os parâmetros (condutividade e permissividade) são usualmente considerados independentes da freqüência, com condutividade (s) constante, e permissividade (e) que pode ser desprezada (?e << s). Estas aproximações quase-estacionárias, tradicionalmente usadas em sistemas de potência podem acarretar erros consideráveis ou modelos inadequados para altas freqüências e fenômenos transitórios rápidos, por exemplo, associados à descargas atmosféricas, uma vez que esses parâmetros (s, ?e) são fortemente dependentes da freqüência. Portanto, torna-se necessário o conhecimento do comportamento do solo na faixa de freqüência 0 a 2 MHz, faixa na qual se encontra o espectro de freqüência da maior parte dos distúrbios do sistema elétrico. Neste trabalho apresentamos novas medições de campo de parâmetros do solo, com amostras coletadas na região de Cachoeira Paulista/SP. Os parâmetros são calculados na faixa de 100 Hz a 2 MHz de acordo com os procedimentos de medição em campo e validação propostos Portela em 1997. São também apresentados procedimentos para minimização da dispersão inerente das medições de campo: identificação das componentes de freqüência dos sinais medidos na amostra através de Transformada de Fourier e uso de filtros adequados para filtragem de ¿ruídos¿. Estes procedimentos são necessários para medição das amplitudes e defasagem entre sinais de tensão e corrente injetados na amostra, na componente de primeira harmônica, dados fundamentais para levantamento dos parâmetros do solo. Para evidenciar a importância da correta modelagem do solo em função da freqüência é feito um estudo comparativo da influência dos parâmetros do solo no desempenho de uma linha de transmissão (LT) trifásica, simples, 440 kV, idealmente transposta, considerando modelo de solo com dependência na freqüência versus modelo de solo a parâmetros constantes (abordagem usual) / Abstract: One of the essential requirements for studies and adequate simulation of transient phenomena in power systems (transmission lines, grounding systems, etc) is the adequate representation of ground effect. Most used procedures assume that the ground may be considered frequency independent, having a constant conductivity (s) and an electric permittivity (e) that can be neglected (?e << s). These three assumptions are quite far from reality and can originate an inadequate soil model for some applications, especially, fast transients phenomena involving atmospheric discharges. It is necessary to have a proper knowledge of soil electromagnetic behaviour in a reasonably wide frequency range, typically from 0 to 2 MHz. In this work we present some procedure to measure, analyze and model the soil electromagnetic behaviour (conductivity s and permittivity e) in the frequency domain, with results obtained in ten soil samples collected at Cachoeira Paulista, Brazil southeast region / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Foram desenvolvidos modelos analíticos que descrevem os elementos básicos para irradiações de alvos metálicos em ciclotrons. Parâmetros importantes como valor máximo de corrente de feixe e potência térmica depositada sobre o alvo foram obtidos e confrontados com situações práticas. De forma totalmente inédita, foram determinados analiticamente as características encontradas em situações de intensos transientes térmicos, quando altas concentrações de prótons em uma pequena região do feixe provocam intensos gradientes de temperatura em pequenas regiões do alvo. A comparação dos resultados obtidos com aqueles encontrados na literatura mostraram que os modelos desenvolvidos são satisfatórios, tendo em vista todas as limitações do modelo proposto. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 10560.pdf: 13999156 bytes, checksum: 35d876c05a19cc2168712512431fdb02 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP