Nowadays two main types of protection schemes widely used in protection of transmission lines are: distance protection and differential protection schemes. However, it has been noticed from industrial practice that the distance protection scheme used today generally is limited in tripping speed and selectivity. Also differential protection scheme is influenced by the time synchronization of samples in both relays installed at transmission line terminals. On the other hand, among various pilot protection schemes for protection of Extra High Voltage (EHV) / Ultra High Voltage (UHV) transmission lines, the schemes which use communication link only for exchange of local decision making about faults’ status are not affected by time synchronization. This master thesis is dealing with the issue of developing reliable and fast fault detection scheme for protection of EHV/UHV transmission lines which is a requirement in modern power systems. The protection algorithm proposed in this thesis is based on the detection and analysis of traveling waves on transmission lines at inception of the faults. This algorithm relies on directional comparison between initial arrivals of traveling waves at each end of the protected line. This will determine whether or not a fault is inside the protected zone. In addition to, based on high voltage transmission network protection requirements proper phase selection algorithm is developed to handle single- phase tripping. Finally, by simulations carried out in PSCAD environment practical design considerations for implementing the new developed protection algorithm in a numerical relay unit is investigated. The results of simulation show that the proposed pilot protection scheme solves several issues encountered by using the conventional schemes and provide reliable and high speed protection for transmission lines.

A proteção de sistemas de energia elétrica possui papel extremamente importante no aspecto de garantir o fornecimento de energia de maneira segura e confiável. Assim, a ação indevida ou a não atuação deste sistema de proteção pode causar danos materiais ou econômicos tanto para as concessionárias quanto para os consumidores de energia elétrica. Dessa forma, o sistema de proteção deve estar bem ajustado para que possa garantir suas funções, sendo sensível, seletivo, confiável e rápido. Para tanto, uma boa coordenação entre os relés de proteção deve ser estabelecida. No caso de um sistema de transmissão, o qual costuma ser um sistema malhado, a proteção é comumente realizada por relés de distância aliados a relés de sobrecorrente com unidade direcional, sendo que estes funcionam como elemento de retaguarda daqueles. O processo de ajuste desses relés é um trabalho muito difícil e demorado, que pode ainda estar sujeito a erros do engenheiro de proteção responsável pelo estudo. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia baseada na otimização por enxame de partículas que obtenha automaticamente os ajustes desses relés de forma a garantir a coordenação e seletividade entre eles, tornando assim o processo de ajuste mais rápido e preciso. Dessa forma, essa metodologia pode constituir uma ferramenta de auxílio muito favorável ao engenheiro de proteção. Além disso, como em todo problema de otimização, a função objetivo e as restrições foram definidas de maneira a retratar o problema de coordenação envolvendo tanto os relés de distância quanto os direcionais de sobrecorrente. A metodologia foi aplicada a dois sistemas, um fictício com 16 relés e um sistema de transmissão real com 44 relés, sendo que em ambos os casos ela apresentou resultados bastante satisfatórios proporcionando ajustes bem coordenados. / Electrical power systems protection has a very important role in the aspect of ensuring energy supply with safety and reliability. Thus, improper action or non-actuation of this protection system can cause materials and/or economics damages to electricity utilities as well as ordinary energy consumers. Therefore the protection system must be well adjusted so it can ensure its functions and thus being sensible, selective, reliable and fast. In order to achieve these characteristics, the protective relays must be well coordinated. In the case of meshed transmission systems, the protection is generally performed by distance relays as primary protection associated with directional overcurrent relays as backup protection. The process of adjusting these relays is very tough, slow and it can even be subject to the protection engineer mistakes. In this context, this work aims to develop a particle swarm optimization based methodology that can automatically obtain these relays adjusts so they can ensure relays coordination and selectivity, and then make this setting process faster and more precise. Thus, this methodology may provide a very favorable tool to aid the protection engineer. Moreover, as in any optimization problem, the objective function and the constraints were defined to represent the coordination problem involving both distance and directional overcurrent relays. The methodology was applied to two systems, a fictitious with 16 relays and a real transmission system with 44 relays, and in both cases it showed satisfactory results providing well-coordinated settings.

A proteção de sistemas de energia elétrica possui papel extremamente importante no aspecto de garantir o fornecimento de energia de maneira segura e confiável. Assim, a ação indevida ou a não atuação deste sistema de proteção pode causar danos materiais ou econômicos tanto para as concessionárias quanto para os consumidores de energia elétrica. Dessa forma, o sistema de proteção deve estar bem ajustado para que possa garantir suas funções, sendo sensível, seletivo, confiável e rápido. Para tanto, uma boa coordenação entre os relés de proteção deve ser estabelecida. No caso de um sistema de transmissão, o qual costuma ser um sistema malhado, a proteção é comumente realizada por relés de distância aliados a relés de sobrecorrente com unidade direcional, sendo que estes funcionam como elemento de retaguarda daqueles. O processo de ajuste desses relés é um trabalho muito difícil e demorado, que pode ainda estar sujeito a erros do engenheiro de proteção responsável pelo estudo. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia baseada na otimização por enxame de partículas que obtenha automaticamente os ajustes desses relés de forma a garantir a coordenação e seletividade entre eles, tornando assim o processo de ajuste mais rápido e preciso. Dessa forma, essa metodologia pode constituir uma ferramenta de auxílio muito favorável ao engenheiro de proteção. Além disso, como em todo problema de otimização, a função objetivo e as restrições foram definidas de maneira a retratar o problema de coordenação envolvendo tanto os relés de distância quanto os direcionais de sobrecorrente. A metodologia foi aplicada a dois sistemas, um fictício com 16 relés e um sistema de transmissão real com 44 relés, sendo que em ambos os casos ela apresentou resultados bastante satisfatórios proporcionando ajustes bem coordenados. / Electrical power systems protection has a very important role in the aspect of ensuring energy supply with safety and reliability. Thus, improper action or non-actuation of this protection system can cause materials and/or economics damages to electricity utilities as well as ordinary energy consumers. Therefore the protection system must be well adjusted so it can ensure its functions and thus being sensible, selective, reliable and fast. In order to achieve these characteristics, the protective relays must be well coordinated. In the case of meshed transmission systems, the protection is generally performed by distance relays as primary protection associated with directional overcurrent relays as backup protection. The process of adjusting these relays is very tough, slow and it can even be subject to the protection engineer mistakes. In this context, this work aims to develop a particle swarm optimization based methodology that can automatically obtain these relays adjusts so they can ensure relays coordination and selectivity, and then make this setting process faster and more precise. Thus, this methodology may provide a very favorable tool to aid the protection engineer. Moreover, as in any optimization problem, the objective function and the constraints were defined to represent the coordination problem involving both distance and directional overcurrent relays. The methodology was applied to two systems, a fictitious with 16 relays and a real transmission system with 44 relays, and in both cases it showed satisfactory results providing well-coordinated settings.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Doctoral Thesis proposes a new methodology for transmission line protection tolerant to power swings. The algorithm developed has the ability to detect, classify and locate all fault types with and without power swings, including those that produce high values of fault resistance. In a first step, it is proposed a fault distance estimator based on the leastsquare curve fitting. The fault locator, for protection proposes, was modeled by a series R-L circuit and differential equations. In a second step, the main causes and consequences of power swings in transmission lines distance relays are introduced. Also in this context, techniques to minimize these effects are presented. Besides, computer simulations of power swings, with different fault scenarios, were carried out to realize comparative analyses between the methods. The results show that none of the methods is efficient in all scenarios. Hence, there is still some concern about the performance of the protection methods against power swings. In a third step, it was developed an algorithm for numerical protection in transmission lines immune to power swings. The detection and classification steps are based on Mathematical Morphology. In order to obtain a safer operation of the relay, especially in the boundaries of threshold set, a counting strategy was developed. The main innovation of the work is based on difference of behavior of the exponentially decaying component (dc component) during a fault and during a power swing. The dc component, obtained by means of morphological filter, is used as a tripping criterion. Finally, in order to evaluate the algorithm performance, tests with different fault and power swings scenarios were performed. The results show that the technique has the speed and safety required even during power swings due to the simplicity of the algorithm used in mathematical operations. / Neste trabalho propõe-se uma nova metodologia de proteção de linhas de transmissão, tolerante as oscilações de potência. O algoritmo desenvolvido tem a capacidade de detectar, classificar e localizar todos os tipos de faltas, com e sem a presença de oscilações de potência, inclusive aquelas que produzem altos valores de resistência de falta. Em uma primeira etapa com o emprego do método de ajuste de curvas por mínimos quadrados desenvolve-se um estimador para localizar a posição das faltas. Para fins de proteção, este é modelado por meio de um circuito R-L série representado por suas equações diferenciais. Em uma segunda etapa são apresentadas as principais causas das oscilações de potência, bem como suas consequências para os relés de distância de linhas de transmissão. Ainda neste contexto, são apresentadas, analisadas e comparadas algumas técnicas destinadas a minimizar estes efeitos. Essas técnicas foram testadas por meio de simulações computacionais, sob condições de oscilação de potência com e sem a presença de curtos-circuitos, considerando-se diversos valores de carregamento e frequências de oscilação. Os resultados mostraram que nenhum método é totalmente eficiente para todos os cenários. Desse modo, ainda há algumas incertezas sobre o desempenho das técnicas de proteção contra as oscilações de potência existentes. Em uma terceira etapa, foi desenvolvido um algoritmo para proteção numérica de linhas de transmissão imune as oscilações de potência. A metodologia faz uso da Morfologia Matemática nas etapas de detecção e classificação das faltas. De modo a se obter uma maior segurança na operação do relé, especialmente na região próxima ao limiar de operação, incorporou-se uma estratégia de contagem diferente das tradicionais. A principal contribuição do trabalho relaciona-se com a análise da diferença comportamental da componente exponencial decrescente (componente dc) para uma situação de falta e de oscilação de potência. Ou seja, a componente dc, obtida por meio de um filtro morfológico, é utilizada como critério de disparo do relé de distância. Para avaliar o desempenho do algoritmo desenvolvido, uma série de testes com diferentes cenários de faltas com e sem a presença de oscilações de potência foram realizadas. Devido à simplicidade das operações matemáticas utilizadas no algoritmo, a técnica apresenta segurança e velocidade na sua operação, mesmo durante oscilações de potência.