Advancing semiconductor technology is boosting the core count on a single chip to achieve continuously increasing performance, posing a growing demand for scalable, efficient and reliable on-chip interconnection. However this advance also makes the electronics increasingly vulnerable to faults. Inter-core connection is increasingly provided by Networks-on-Chip (NoCs), typically using conventional synchronous designs. Scaling makes it increasingly hard to avoid problems with clock distribution and in many chips a single, synchronous domain is inappropriate, anyway. In place of the well-studied synchronous NoCs, event-driven asynchronous NoCs have emerged as a promising replacement. Asynchronous NoCs have many promising advantages over synchronous ones; however, their fault-tolerance has rarely been studied. Implemented in a Quasi-Delay-Insensitive (QDI) fashion, asynchronous NoCs can achieve high timing-robustness but show complicated failure scenarios in the presence of faults and behave differently from synchronous ones, posing a challenge to asynchronous circuit advocates. This research studies the impact of different faults on QDI NoC fabrics and presents thorough and systematic fault-tolerant solutions at the circuit level, providing a holistic, efficient and resilient interconnection solution for QDI NoCs. The contributions of this research include: 1) a thorough analysis of fault impact on QDI NoCs; 2) a Delay-Insensitive Redundant Check (DIRC) coding scheme protecting QDI links from transient faults; 3) a novel time-out technique detecting the fault-caused physical-layer deadlock in a QDI NoC (the adaptability of a QDI circuit to timing variation makes it vulnerable to this kind of deadlock); 4) a fine-grained recovery technique utilising a Spatial Division Multiplexing (SDM) implementation to recover the deadlocked network from a link fault. Both unprotected and protected QDI NoCs are implemented, along with a fault simulation environment, to provide a detailed performance and fault-tolerance evaluation of these techniques. The improvements to the NoC operation, together with the costs in circuit overhead and throughput are enumerated using a typical example of QDI interconnection.

Η μεταπτυχιακή αυτή εργασία μπορεί να χωριστεί σε δύο λογικά μέρη (Μέρος Α’ και Μέρος Β’). Το πρώτο μέρος αφορά τον έλεγχο ορθής λειτουργίας ψηφιακών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Μεταβατικών (Transient) σφαλμάτων και πιο συγκεκριμένα περιλαμβάνει την μελέτη για το μοντέλο, τρόπο λειτουργίας και την υλοποίηση ενός Εξομοιωτή Μεταβατικών Σφαλμάτων (Transition Faults Simulator). Ο εξομοιωτής σφαλμάτων αποτελεί το πιο σημαντικό μέρος της αλυσίδας εργαλείων που απαιτούνται για τον σχεδιασμό και εφαρμογή τεχνικών ελέγχου ορθής λειτουργίας και η ύπαρξη ενός τέτοιου εργαλείου επιτρέπει την μελέτη νέων τεχνικών ελέγχου κάνοντας χρήση του Μεταβατικού μοντέλου σφαλμάτων. Το δεύτερο μέρος της εργασίας συνοψίζει την μελέτη που πραγματοποιήθηκε για την δημιουργία ενός νέου αλγόριθμου επιλογής διανυσμάτων ελέγχου στην περίπτωση των Test Set Embedding τεχνικών ελέγχου. Ο αλγόριθμος επιτυγχάνει σημαντικές μειώσεις τόσο στον όγκο των απαιτούμενων δεδομένων που είναι απαραίτητο να αποθηκευτούν για την αναπαραγωγή του ελέγχου, σε σχέση με τις κλασικές προσεγγίσεις ελέγχου, όσο και στο μήκος των απαιτούμενων ακολουθιών ελέγχου που εφαρμόζονται στο υπό-έλεγχο κύκλωμα σε σχέση με προγενέστερους Test Set Embedding αλγορίθμους. Στο τέλος του μέρους Β’ προτείνεται μία αρχιτεκτονική για την υλοποίηση του αλγόριθμου σε Built-In Self-Test περιβάλλον ελέγχου ορθής λειτουργίας ακολουθούμενη από την εκτίμηση της απόδοσης αυτής και σύγκριση της με την καλύτερη ως τώρα προτεινόμενη αρχιτεκτονική που υπάρχει στην βιβλιογραφία (Βλέπε Παράρτημα Α). / The thesis consists of two basic parts that apply in the field of VLSI testing of integrated circuits. The first one concludes the work that has been done in the field of VLSI testing using the Transient Fault model and more specifically, analyzes the model and the implementation of a Transition Fault Simulator. The transient fault model moves beyond the scope of the simple stuck-at fault model that is mainly used in the literature, by introducing the concept of time and therefore enables the testing techniques to be more precise and closer to reality. Furthermore, a fault simulator is probably the most important part of the tool chain that is required for the design, implementation and study of vlsi testing techniques and therefore having such a tool available, enables the study of new testing techniques using the transient fault model. The second part of the thesis summaries the study that took place for a new technique that reduces the test sequences of reseeding-based schemes in the case of Test Set Embedding testing techniques. The proposed algorithm features significant reductions in both the volumes of test data that are required to be stored for the precise regeneration of the test sequences, and the length of test vector sequences that are applied on the circuit under test, in comparison to the classical proposed test techniques that are available in the literature. In addition to the algorithm, a low hardware overhead architecture for implementing the algorithm in Built-in Self-Test environment is presented for which the imposed hardware overhead is confined to just one extra bit per seed, plus one, very small, extra counter in the scheme’s control logic. In the end of the second part, the proposed architecture is compared with the best so far proposed architecture available in the literature (see Appendix A)

Os circuitos integrados recentes baseados em tecnologias nanoeletrônicas estão significativamente mais vulneráveis a falhas transientes. Os erros gerados são assim também mais críticos do que eram antes. Esta tese apresenta uma nova virtude em termos de confiabilidade dos circuitos assíncronos quase-insensíveis aos atrasos (QDI): a sua grande habilidade natural para mitigar falhas transientes de longa duração, que são severas em circuitos síncronos modernos. Uma metodologia para avaliar comparativamente os efeitos de falhas transientes tanto em circuitos síncronos como em circuitos assíncronos QDI é apresentada. Além disso, um método para obter a habilidade de mitigação de falhas transientes dos elementos de memória de circuitos QDI (ou seja, os C-elements) é também proposto. Por fim, técnicas de mitigação são sugeridas para aumentar ainda mais a atenuação de falhas transientes por parte dos Celements e, por consequência, também a robustez dos sistemas assíncronos QDI. / Recent deep-submicron technology-based ICs are significantly more vulnerable to transient faults. The arisen errors are thus also more critical than they have ever been before. This thesis presents a further novel benefit of the Quasi-Delay Insensitive (QDI) asynchronous circuits in terms of reliability: their strong natural ability to mitigate longduration transient faults that are severe in modern synchronous circuits. A methodology to evaluate comparatively the transient-fault effects on synchronous and QDI asynchronous circuits is presented. Furthermore, a method to obtain the transient-fault mitigation ability of the QDI circuits’ memory elements (i.e., the C-elements) is also proposed. Finally, mitigation techniques are suggested to increase even more the Celements’ transient-fault attenuation, and thus also the QDI asynchronous systems’ robustness.

Os circuitos integrados recentes baseados em tecnologias nanoeletrônicas estão significativamente mais vulneráveis a falhas transientes. Os erros gerados são assim também mais críticos do que eram antes. Esta tese apresenta uma nova virtude em termos de confiabilidade dos circuitos assíncronos quase-insensíveis aos atrasos (QDI): a sua grande habilidade natural para mitigar falhas transientes de longa duração, que são severas em circuitos síncronos modernos. Uma metodologia para avaliar comparativamente os efeitos de falhas transientes tanto em circuitos síncronos como em circuitos assíncronos QDI é apresentada. Além disso, um método para obter a habilidade de mitigação de falhas transientes dos elementos de memória de circuitos QDI (ou seja, os C-elements) é também proposto. Por fim, técnicas de mitigação são sugeridas para aumentar ainda mais a atenuação de falhas transientes por parte dos Celements e, por consequência, também a robustez dos sistemas assíncronos QDI. / Recent deep-submicron technology-based ICs are significantly more vulnerable to transient faults. The arisen errors are thus also more critical than they have ever been before. This thesis presents a further novel benefit of the Quasi-Delay Insensitive (QDI) asynchronous circuits in terms of reliability: their strong natural ability to mitigate longduration transient faults that are severe in modern synchronous circuits. A methodology to evaluate comparatively the transient-fault effects on synchronous and QDI asynchronous circuits is presented. Furthermore, a method to obtain the transient-fault mitigation ability of the QDI circuits’ memory elements (i.e., the C-elements) is also proposed. Finally, mitigation techniques are suggested to increase even more the Celements’ transient-fault attenuation, and thus also the QDI asynchronous systems’ robustness.

Os circuitos integrados recentes baseados em tecnologias nanoeletrônicas estão significativamente mais vulneráveis a falhas transientes. Os erros gerados são assim também mais críticos do que eram antes. Esta tese apresenta uma nova virtude em termos de confiabilidade dos circuitos assíncronos quase-insensíveis aos atrasos (QDI): a sua grande habilidade natural para mitigar falhas transientes de longa duração, que são severas em circuitos síncronos modernos. Uma metodologia para avaliar comparativamente os efeitos de falhas transientes tanto em circuitos síncronos como em circuitos assíncronos QDI é apresentada. Além disso, um método para obter a habilidade de mitigação de falhas transientes dos elementos de memória de circuitos QDI (ou seja, os C-elements) é também proposto. Por fim, técnicas de mitigação são sugeridas para aumentar ainda mais a atenuação de falhas transientes por parte dos Celements e, por consequência, também a robustez dos sistemas assíncronos QDI. / Recent deep-submicron technology-based ICs are significantly more vulnerable to transient faults. The arisen errors are thus also more critical than they have ever been before. This thesis presents a further novel benefit of the Quasi-Delay Insensitive (QDI) asynchronous circuits in terms of reliability: their strong natural ability to mitigate longduration transient faults that are severe in modern synchronous circuits. A methodology to evaluate comparatively the transient-fault effects on synchronous and QDI asynchronous circuits is presented. Furthermore, a method to obtain the transient-fault mitigation ability of the QDI circuits’ memory elements (i.e., the C-elements) is also proposed. Finally, mitigation techniques are suggested to increase even more the Celements’ transient-fault attenuation, and thus also the QDI asynchronous systems’ robustness.

Les injections de fautes laser induisent des fautes transitoires dans les circuits intégrés en générant localement des courants transitoires qui inversent temporairement les sorties des portes illuminées. L'injection de fautes laser peut être anticipée ou étudiée en utilisant des outils de simulation à différents niveaux d'abstraction: physique, électrique ou logique. Au niveau électrique, le modèle classique d'injection de fautes laser repose sur l'ajout de sources de courant aux différents nœuds sensibles des transistors MOS. Cependant, ce modèle ne prend pas en compte les grands composants de courant transitoire également induits entre le VDD et le GND des circuits intégrés conçus avec des technologies CMOS avancées. Ces courants de court-circuit provoquent un significatif IR drop qui contribue au processus d'injection de faute. Cette thèse décrit notre recherche sur l'évaluation de cette contribution. Il montre par des simulations et des expériences que lors de campagnes d'injection de fautes laser, le IR drop induite par laser est toujours présente lorsque l'on considère des circuits conçus dans des technologies submicroniques profondes. Il introduit un modèle de faute électrique amélioré prenant en compte le IR drop induite par laser. Il propose également une méthodologie qui utilise des outils CAD standard pour permettre l'utilisation du modèle électrique amélioré pour simuler des fautes induits par laser au niveau électrique dans des circuits à grande échelle. Sur la base de simulations et de résultats expérimentaux supplémentaires, nous avons constaté que, selon les caractéristiques de l'impulsion laser, le nombre de fautes injectées peut être sous-estimé par un facteur aussi grand que 3 si le IR drop induite par laser est ignorée. Cela pourrait conduire à des estimations incorrectes du seuil d'injection des fautes, ce qui est particulièrement pertinent pour la conception de techniques de contre-mesures pour les systèmes intégrés sécurisés. De plus, les résultats expérimentaux et de simulation montrent que même si l'injection de fautes laser est une technique d'injection de fautes très locale et précise, les IR drops induites ont un effet global se propageant à travers le réseau d'alimentation. Cela donne des preuves expérimentales que l'effet de l'illumination laser n'est pas aussi local que d'habitude. / Laser fault injections induce transient faults into ICs by locally generating transient currents that temporarily flip the outputs of the illuminated gates. Laser fault injection can be anticipated or studied by using simulation tools at different abstraction levels: physical, electrical or logical. At the electrical level, the classical laser-fault injection model is based on the addition of current sources to the various sensitive nodes of MOS transistors. However, this model does not take into account the large transient current components also induced between the VDD and GND of ICs designed with advanced CMOS technologies. These short-circuit currents provoke a significant IR drop that contribute to the fault injection process. This thesis describes our research on the assessment of this contribution. It shows by simulation and experiments that during laser fault injection campaigns, laser-induced IR drop is always present when considering circuits designed in deep submicron technologies. It introduces an enhanced electrical fault model taking the laser-induced IR-drop into account. It also proposes a methodology that uses standard CAD tools to allow the use of the enhanced electrical model to simulate laser-induced faults at the electrical level in large-scale circuits. On the basis of further simulations and experimental results, we found that, depending on the laser pulse characteristics, the number of injected faults may be underestimated by a factor as large as 3 if the laser-induced IR-drop is ignored. This could lead to incorrect estimations of the fault injection threshold, which is especially relevant to the design of countermeasure techniques for secure integrated systems. Furthermore, experimental and simulation results show that even though laser fault injection is a very local and accurate fault injection technique, the induced IR drops have a global effect spreading through the supply network. This gives experimental evidence that the effect of laser illumination is not as local as usually considered.

Nos sistemas de distribuição de alta e média tensão tem-se aumentado a utilização de linhas de distribuição de energia subterrâneas ou cabos subterrâneos. A ocorrência de faltas nas linhas afeta negativamente a qualidade da energia e o correto funcionamento da rede. O processo que leva a uma falta nos cabos é gradual e está caracterizado por uma série de subciclos de faltas incipientes associadas a uma tensão de arco. Estas, muitas vezes, passam despercebidas e, eventualmente, resultam em uma falta permanente. Os métodos clássicos de localização de faltas como as metodologias baseadas no cálculo da impedância aparente, as baseadas na inteligência artificial e as baseadas nas ondas viajantes são, habitualmente, aplicadas ao sistema depois de uma falta permanente acontecer e precisam de um ou mais ciclos do sinal para entregar uma resposta razoável. No entanto, as faltas nos cabos são um processo gradual, de curta duração (entre ¼ e ½ ciclo do sinal) e seria desejável localizar a falta incipiente antes de tornar-se permanente. Nesse contexto, esta pesquisa aborda o problema de localização de faltas incipientes. Assim, nesta tese propõe-se uma nova técnica de localização de faltas incipientes usando medições em um terminal, no domínio do tempo e que utiliza componentes de fase. Desta forma, são desenvolvidas duas novas formulações do modelo elétrico do sistema de distribuição com cabos subterrâneos durante uma falta incipiente. A abordagem proposta considera simultaneamente na sua formulação características da falta incipiente e dos sistemas de distribuição de energia, como a tensão de arco, o modelo Π nominal de parâmetros concentrados do cabo subterrâneo, o desequilíbrio do sistema e a condição da carga. A estimativa da distância da falta, junto com os parâmetros da falta incipiente, é obtida a partir da solução de um sistema sobredeterminado de equações lineares pela aplicação do método de mínimos quadrados ponderados não negativos. As formulações propostas permitem estimar a distância da falta em termos da reatância da linha até a falta. Além disso, é proposto um processo de compensação de corrente para estimar a corrente de falta; é aplicado um pré-processamento dos dados de entrada para suavizar o efeito do ruído que pode conter o sinal e, é aplicado um pós-processamento dos resultados para refinar e entregar a melhor estimativa obtida durante o processo de localização da falta. O desempenho da técnica proposta é avaliado mediante estudos de casos simulados em um circuito real de distribuição no Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considerando análises de sensibilidade e comparativa. Também, o modelo da falta incipiente foi programado utilizando a ferramenta de MODELS do ATP/EMTP. Os resultados obtidos, considerando faltas incipientes simuladas que avaliam a influência da variação da magnitude de tensão de arco, do ruído aleatório inserido na tensão de arco, da distância da falta, da taxa de amostragem, do carregamento do sistema, do modelo de tensão de arco e de incertezas nas medições, indicam claramente que a abordagem proposta possui validade como técnica de localização de faltas incipientes, apresentando erros médios globais de 1,60% e 0,93%, respectivamente para cada formulação proposta. / The use of underground power distribution lines or underground cables in the high and medium voltage distribution systems has increased dramatically in recent years. The fault occurrence in the distribution lines negatively affects the power quality and the correct network operation. The process which leads to a fault in underground cables is gradual and is characterized by a series of sub-cycles of incipient faults associated with an arc voltage. These often are unnoticed and, eventually, results in a permanent fault. Classical fault localization methods such as the based-impedance, the based on artificial intelligent and the based on traveling waves are, usually, applied to the system after a permanent fault occurrence and need one or more signal cycles for providing a reasonable response. However, the faults in cables are a gradual process, with short duration (between ¼ to ½ of signal cycle) and would be desirable to locate the fault before this becomes a permanent fault. In this context, this research approaches the incipient faults location problem. Thus, in this thesis is proposed a new incipient fault location technique using single-end terminal measurement, in time-domain and employing phase components. In this way, two new formulations of the electrical model of the distribution system with underground cables during an incipient fault are developed. The proposed approach considers simultaneously in its formulation, incipient fault type and power distribution systems characteristics as arc voltage, unbalanced operation, load conditions and complete line model. The fault distance estimation, together with the incipient fault parameters, it is obtained from the solution of an overdetermined linear system of equations by the application of the non-negative weighted least squares estimator method. The proposed formulations allow estimating the fault distance in terms of the line reactance up to the fault. In addition, a load current compensation strategy is proposed to reduce its effect in the fault current estimation; an input data pre-processing is applied to smooth out the noise effect and a post-processing of the results is performed for estimation refinement and to provide the best estimate obtained during the fault location process. The proposed technique performance is evaluated through simulated cases studies in a real-life distribution network with underground cable data in the Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considering sensitivity and comparative analyzes. Also, the fault model was programmed using the MODELS tool of ATP/EMTP. The obtained results, considering simulated incipient faults, which evaluate the influence of variations in the arc voltage magnitude, random noise percentage inserted in the arc voltage, fault distance, sampling rate, load dynamics, the arc voltage model and uncertainties in measurements, indicate clearly that the proposed approach is valid as incipient faults location technique, showing overall average errors of 1,60% and 0,93%, respectively for each proposed formulation.

Nos sistemas de distribuição de alta e média tensão tem-se aumentado a utilização de linhas de distribuição de energia subterrâneas ou cabos subterrâneos. A ocorrência de faltas nas linhas afeta negativamente a qualidade da energia e o correto funcionamento da rede. O processo que leva a uma falta nos cabos é gradual e está caracterizado por uma série de subciclos de faltas incipientes associadas a uma tensão de arco. Estas, muitas vezes, passam despercebidas e, eventualmente, resultam em uma falta permanente. Os métodos clássicos de localização de faltas como as metodologias baseadas no cálculo da impedância aparente, as baseadas na inteligência artificial e as baseadas nas ondas viajantes são, habitualmente, aplicadas ao sistema depois de uma falta permanente acontecer e precisam de um ou mais ciclos do sinal para entregar uma resposta razoável. No entanto, as faltas nos cabos são um processo gradual, de curta duração (entre ¼ e ½ ciclo do sinal) e seria desejável localizar a falta incipiente antes de tornar-se permanente. Nesse contexto, esta pesquisa aborda o problema de localização de faltas incipientes. Assim, nesta tese propõe-se uma nova técnica de localização de faltas incipientes usando medições em um terminal, no domínio do tempo e que utiliza componentes de fase. Desta forma, são desenvolvidas duas novas formulações do modelo elétrico do sistema de distribuição com cabos subterrâneos durante uma falta incipiente. A abordagem proposta considera simultaneamente na sua formulação características da falta incipiente e dos sistemas de distribuição de energia, como a tensão de arco, o modelo Π nominal de parâmetros concentrados do cabo subterrâneo, o desequilíbrio do sistema e a condição da carga. A estimativa da distância da falta, junto com os parâmetros da falta incipiente, é obtida a partir da solução de um sistema sobredeterminado de equações lineares pela aplicação do método de mínimos quadrados ponderados não negativos. As formulações propostas permitem estimar a distância da falta em termos da reatância da linha até a falta. Além disso, é proposto um processo de compensação de corrente para estimar a corrente de falta; é aplicado um pré-processamento dos dados de entrada para suavizar o efeito do ruído que pode conter o sinal e, é aplicado um pós-processamento dos resultados para refinar e entregar a melhor estimativa obtida durante o processo de localização da falta. O desempenho da técnica proposta é avaliado mediante estudos de casos simulados em um circuito real de distribuição no Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considerando análises de sensibilidade e comparativa. Também, o modelo da falta incipiente foi programado utilizando a ferramenta de MODELS do ATP/EMTP. Os resultados obtidos, considerando faltas incipientes simuladas que avaliam a influência da variação da magnitude de tensão de arco, do ruído aleatório inserido na tensão de arco, da distância da falta, da taxa de amostragem, do carregamento do sistema, do modelo de tensão de arco e de incertezas nas medições, indicam claramente que a abordagem proposta possui validade como técnica de localização de faltas incipientes, apresentando erros médios globais de 1,60% e 0,93%, respectivamente para cada formulação proposta. / The use of underground power distribution lines or underground cables in the high and medium voltage distribution systems has increased dramatically in recent years. The fault occurrence in the distribution lines negatively affects the power quality and the correct network operation. The process which leads to a fault in underground cables is gradual and is characterized by a series of sub-cycles of incipient faults associated with an arc voltage. These often are unnoticed and, eventually, results in a permanent fault. Classical fault localization methods such as the based-impedance, the based on artificial intelligent and the based on traveling waves are, usually, applied to the system after a permanent fault occurrence and need one or more signal cycles for providing a reasonable response. However, the faults in cables are a gradual process, with short duration (between ¼ to ½ of signal cycle) and would be desirable to locate the fault before this becomes a permanent fault. In this context, this research approaches the incipient faults location problem. Thus, in this thesis is proposed a new incipient fault location technique using single-end terminal measurement, in time-domain and employing phase components. In this way, two new formulations of the electrical model of the distribution system with underground cables during an incipient fault are developed. The proposed approach considers simultaneously in its formulation, incipient fault type and power distribution systems characteristics as arc voltage, unbalanced operation, load conditions and complete line model. The fault distance estimation, together with the incipient fault parameters, it is obtained from the solution of an overdetermined linear system of equations by the application of the non-negative weighted least squares estimator method. The proposed formulations allow estimating the fault distance in terms of the line reactance up to the fault. In addition, a load current compensation strategy is proposed to reduce its effect in the fault current estimation; an input data pre-processing is applied to smooth out the noise effect and a post-processing of the results is performed for estimation refinement and to provide the best estimate obtained during the fault location process. The proposed technique performance is evaluated through simulated cases studies in a real-life distribution network with underground cable data in the Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considering sensitivity and comparative analyzes. Also, the fault model was programmed using the MODELS tool of ATP/EMTP. The obtained results, considering simulated incipient faults, which evaluate the influence of variations in the arc voltage magnitude, random noise percentage inserted in the arc voltage, fault distance, sampling rate, load dynamics, the arc voltage model and uncertainties in measurements, indicate clearly that the proposed approach is valid as incipient faults location technique, showing overall average errors of 1,60% and 0,93%, respectively for each proposed formulation.

Nos sistemas de distribuição de alta e média tensão tem-se aumentado a utilização de linhas de distribuição de energia subterrâneas ou cabos subterrâneos. A ocorrência de faltas nas linhas afeta negativamente a qualidade da energia e o correto funcionamento da rede. O processo que leva a uma falta nos cabos é gradual e está caracterizado por uma série de subciclos de faltas incipientes associadas a uma tensão de arco. Estas, muitas vezes, passam despercebidas e, eventualmente, resultam em uma falta permanente. Os métodos clássicos de localização de faltas como as metodologias baseadas no cálculo da impedância aparente, as baseadas na inteligência artificial e as baseadas nas ondas viajantes são, habitualmente, aplicadas ao sistema depois de uma falta permanente acontecer e precisam de um ou mais ciclos do sinal para entregar uma resposta razoável. No entanto, as faltas nos cabos são um processo gradual, de curta duração (entre ¼ e ½ ciclo do sinal) e seria desejável localizar a falta incipiente antes de tornar-se permanente. Nesse contexto, esta pesquisa aborda o problema de localização de faltas incipientes. Assim, nesta tese propõe-se uma nova técnica de localização de faltas incipientes usando medições em um terminal, no domínio do tempo e que utiliza componentes de fase. Desta forma, são desenvolvidas duas novas formulações do modelo elétrico do sistema de distribuição com cabos subterrâneos durante uma falta incipiente. A abordagem proposta considera simultaneamente na sua formulação características da falta incipiente e dos sistemas de distribuição de energia, como a tensão de arco, o modelo Π nominal de parâmetros concentrados do cabo subterrâneo, o desequilíbrio do sistema e a condição da carga. A estimativa da distância da falta, junto com os parâmetros da falta incipiente, é obtida a partir da solução de um sistema sobredeterminado de equações lineares pela aplicação do método de mínimos quadrados ponderados não negativos. As formulações propostas permitem estimar a distância da falta em termos da reatância da linha até a falta. Além disso, é proposto um processo de compensação de corrente para estimar a corrente de falta; é aplicado um pré-processamento dos dados de entrada para suavizar o efeito do ruído que pode conter o sinal e, é aplicado um pós-processamento dos resultados para refinar e entregar a melhor estimativa obtida durante o processo de localização da falta. O desempenho da técnica proposta é avaliado mediante estudos de casos simulados em um circuito real de distribuição no Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considerando análises de sensibilidade e comparativa. Também, o modelo da falta incipiente foi programado utilizando a ferramenta de MODELS do ATP/EMTP. Os resultados obtidos, considerando faltas incipientes simuladas que avaliam a influência da variação da magnitude de tensão de arco, do ruído aleatório inserido na tensão de arco, da distância da falta, da taxa de amostragem, do carregamento do sistema, do modelo de tensão de arco e de incertezas nas medições, indicam claramente que a abordagem proposta possui validade como técnica de localização de faltas incipientes, apresentando erros médios globais de 1,60% e 0,93%, respectivamente para cada formulação proposta. / The use of underground power distribution lines or underground cables in the high and medium voltage distribution systems has increased dramatically in recent years. The fault occurrence in the distribution lines negatively affects the power quality and the correct network operation. The process which leads to a fault in underground cables is gradual and is characterized by a series of sub-cycles of incipient faults associated with an arc voltage. These often are unnoticed and, eventually, results in a permanent fault. Classical fault localization methods such as the based-impedance, the based on artificial intelligent and the based on traveling waves are, usually, applied to the system after a permanent fault occurrence and need one or more signal cycles for providing a reasonable response. However, the faults in cables are a gradual process, with short duration (between ¼ to ½ of signal cycle) and would be desirable to locate the fault before this becomes a permanent fault. In this context, this research approaches the incipient faults location problem. Thus, in this thesis is proposed a new incipient fault location technique using single-end terminal measurement, in time-domain and employing phase components. In this way, two new formulations of the electrical model of the distribution system with underground cables during an incipient fault are developed. The proposed approach considers simultaneously in its formulation, incipient fault type and power distribution systems characteristics as arc voltage, unbalanced operation, load conditions and complete line model. The fault distance estimation, together with the incipient fault parameters, it is obtained from the solution of an overdetermined linear system of equations by the application of the non-negative weighted least squares estimator method. The proposed formulations allow estimating the fault distance in terms of the line reactance up to the fault. In addition, a load current compensation strategy is proposed to reduce its effect in the fault current estimation; an input data pre-processing is applied to smooth out the noise effect and a post-processing of the results is performed for estimation refinement and to provide the best estimate obtained during the fault location process. The proposed technique performance is evaluated through simulated cases studies in a real-life distribution network with underground cable data in the Alternative Transients Program (ATP/EMTP) considering sensitivity and comparative analyzes. Also, the fault model was programmed using the MODELS tool of ATP/EMTP. The obtained results, considering simulated incipient faults, which evaluate the influence of variations in the arc voltage magnitude, random noise percentage inserted in the arc voltage, fault distance, sampling rate, load dynamics, the arc voltage model and uncertainties in measurements, indicate clearly that the proposed approach is valid as incipient faults location technique, showing overall average errors of 1,60% and 0,93%, respectively for each proposed formulation.