Future naval ships will be all-electric, with an integrated power system that combines the propulsion power system with the rest of the ship?s electrical distribution system. Reconfiguration of the power system will increase fight-through and survivability of ships, but will also require the systems that support the power system, such as the protection system, to be automatically updated to match current power system needs. This thesis presents an adaptive relaying scheme for shipboard power systems, to automatically modify relay settings after power system topology changes. Multiple Groups of relay settings are predetermined and stored in the digital relays that are protecting the power system. The active Group of settings is automatically determined based on the open/close status of breakers and switches. The developed protection scheme is tested on two test cases by digital simulation using CAPE software and on one case by closed-loop simulation with RTDS and SEL-351S relays.

This thesis explores the application of the Virtual Test Bed (VTB) and its real-time extension, VTB-RT, for protective relay modeling, simulation, and testing. An instantaneous overcurrent relay model was developed in VTB for a transmission line protection. The same relay model was built in Matlab/Simulink for validation purposes. Both models were tested for various fault conditions on a radial power system and results were compared. Moreover, a low cost real-time Hardware-In-the-Loop (HIL) simulation platform was implemented for relay model testing using VTB-RT and public domain software packages such as Real-Time Application Interface (RTAI), Comedi, and Comedilib, and notebook computer hardware. The applicability of VTB-RT was verified through an open-loop simulation and a HIL simulation of a simple dynamic system using dSPACE as the control hardware and NI DAQCard-6062E as the input/output interface. Simulation results are presented showing the effectiveness of the VTB-RT platform for model testing.

Este trabalho apresenta um procedimento completo de simulação da proteção digital diferencial aplicada a transformadores de potência, visando o emprego deste à avaliação do comportamento de relés comercialmente disponíveis. Foi escolhido o software ATP (Alternative Transients Program) como ferramenta para a simulação de distintas situações sobre um sistema diferencial de proteção aplicado a um transformador de 25 MVA. Dentre as ocorrências evidenciadas, destacam-se: situações de faltas internas, faltas externas, situações de energização e energização com falta interna do transformador, condição de sobreexcitação e de saturação de TC (Transformador de Corrente). Cabe comentar que das simulações a real caracterização sobre o relé em teste, fez-se necessário todo um pré-processamento e análise da informação que será convenientemente abordada e justificada no trabalho apresentado, denotando-se um procedimento comum de teste a ser adotado a esta filosofia de proteção. A metodologia e esquema prático adotado trazem uma contribuição importante para a análise laboratorial de modelagens e simulações aplicadas a relés de proteção presentes no mercado e contribui de maneira substancial para os estudos teóricos de possíveis soluções para limitações eventualmente encontradas / This dissertation presents a complete procedure of simulation of digital differential protection applied to power transformers, focusing on its use to evaluate of the behavior of commercially available relays. Software ATP (Alternative Transients Program) was chosen as a tool for the simulation of distinct situations in a differential protection system applied to a 25 MVA three-phase transformer. Amongst the evidenced occurrences internal and external fault conditions, energization with or without internal fault of a three-phase transformer, overexcitation and CT (Current Transformer) saturation conditions were distinguished. It should be mentioned that from simulations to the characterization the real situations on the relay in test, a pre-processing and analysis of the information were necessary, and will be justified in the present study, denoting a common test procedure to be adopted to this philosophy of protection

A proteção diferencial é o esquema preferido para proteção de equipamentos e linhas de transmissão. A proteção diferencial exige que informações de todos terminais de zona sob proteção sejam usados para calcular a corrente diferencial. Se esta corrente excede um determinado limite significa que uma falta pode existir na zona protegida. Tais cálculos devem ser executados em cada terminal, consequentemente deve existir um rápido canal de comunicação entre todos os terminais de linha. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do algoritmo de uma proteção diferencial digital de linhas de transmissão com compensação em série. O algoritmo proposto foi implementado em Matlab e foi testado com os mais diferentes tipos de faltas simuladas no programa ATP (Alternative Transients Program). Os resultados comprovam o correto funcionamento do algoritmo. O uso de tecnologias atuais de sincronização por GPS (Global Positioning System) e transmissão de dados em banda larga, resolvem antigos problemas da implementação de proteções diferenciais em linhas de transmissão. / The differential protection is the preferred scheme to protect equipment and transmission lines. The differential protection needs information from all terminals of a protected zone to be used to calculate the differential current. If the current exceeds the threshold level, it means that a fault may exist in the protected zone. These computations must be made on each terminal, consequently a fast communication channel connecting all terminals must exist. This work presents the development of a digital differential protection algorithm for series compensated transmission lines. The algorithm was implemented in Matlab and it was tested with the most different variety of faults simulated with ATP (Alternative Transients Program) software. The results proved the correct operation of the algorithm. The use of modern technologies of synchronization such as GPS (Global Positioning System) and data transmission by wide band solved old problems presented by the implementation of differential protection in transmission lines.

Este trabalho apresenta um procedimento completo de simulação da proteção digital diferencial aplicada a transformadores de potência, visando o emprego deste à avaliação do comportamento de relés comercialmente disponíveis. Foi escolhido o software ATP (Alternative Transients Program) como ferramenta para a simulação de distintas situações sobre um sistema diferencial de proteção aplicado a um transformador de 25 MVA. Dentre as ocorrências evidenciadas, destacam-se: situações de faltas internas, faltas externas, situações de energização e energização com falta interna do transformador, condição de sobreexcitação e de saturação de TC (Transformador de Corrente). Cabe comentar que das simulações a real caracterização sobre o relé em teste, fez-se necessário todo um pré-processamento e análise da informação que será convenientemente abordada e justificada no trabalho apresentado, denotando-se um procedimento comum de teste a ser adotado a esta filosofia de proteção. A metodologia e esquema prático adotado trazem uma contribuição importante para a análise laboratorial de modelagens e simulações aplicadas a relés de proteção presentes no mercado e contribui de maneira substancial para os estudos teóricos de possíveis soluções para limitações eventualmente encontradas / This dissertation presents a complete procedure of simulation of digital differential protection applied to power transformers, focusing on its use to evaluate of the behavior of commercially available relays. Software ATP (Alternative Transients Program) was chosen as a tool for the simulation of distinct situations in a differential protection system applied to a 25 MVA three-phase transformer. Amongst the evidenced occurrences internal and external fault conditions, energization with or without internal fault of a three-phase transformer, overexcitation and CT (Current Transformer) saturation conditions were distinguished. It should be mentioned that from simulations to the characterization the real situations on the relay in test, a pre-processing and analysis of the information were necessary, and will be justified in the present study, denoting a common test procedure to be adopted to this philosophy of protection

Submitted by Maria Aparecida (cidazen@gmail.com) on 2017-08-24T15:00:02Z No. of bitstreams: 1 Ronnie.pdf: 3320281 bytes, checksum: 56be4f928c1366ece428d2ae6caf9627 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-24T15:00:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ronnie.pdf: 3320281 bytes, checksum: 56be4f928c1366ece428d2ae6caf9627 (MD5) Previous issue date: 2012-08-31 / This work aims to monitor and analyze the data from the instrumentation system of a substation as a way to identify false alarms, which can result in a decision by the mistaken maintenance and operation. This project was conceived because of the need for a research and development project which is called Maintenance Management Center (MMC) whose overall objective is to assist in the maintenance of their equipment operational intervention. Data is extracted from the automation system that has digital relay protection function and measurement of the electric grid, passing through a sequence of data processing to achieve the results that will serve for the detection and diagnosis of faults. We applied methods based on quantitative model by transforming the data system of continuous variables (SVC) and qualitative data by transforming the system of discrete event (SDE) applying analytical redundancy techniques and neural networks respectively, thus aiming a simplified model for detection and diagnosis fault (DDF). The model has been designed taking into account the characteristics DDF due to its stages, thereby providing a good system failure recovery. Know filter if certain event is real or a false alarm is not an easy task, but this system will have to meet this purpose. Technological resources are used fairly consolidated in the industrial process for the integration of the solution, because the time factor and information processing are critical in the results generated by the system recovery. Another key point of this trial was to have developed a system based on experiential knowledge, because it has higher robustness in results. / Este trabalho tem como objetivo monitorar e analisar os dados provenientes do sistema de instrumentação de uma subestação como forma de identificar falsos alarmes, que pode acarretar em uma tomada de decisão equivocada por parte da manutenção e operação. Este projeto foi concebido devido à necessidade de um projeto de pesquisa e desenvolvimento que se intitula Centro de Gestão da Manutenção (CGM) cujo objetivo global é auxiliar a manutenção na intervenção operacional de seus equipamentos. Os dados são extraídos do sistema de automação provenientes dos reles digitais que tem função de proteção e medição da rede elétrica, passando por um sequencia de transformação dos dados até chegar aos resultados, que servirá para detecção e diagnostico de falhas. Foram aplicados métodos baseados no modelo quantitativo através da transformação dos dados do sistema de variáveis contínuas (SVC) e qualitativo através da transformação dos dados do sistema de eventos discretos (SED) aplicando técnicas de redundância analítica e redes neurais respectivamente, objetivando assim um modelo simplificado para detecção e diagnóstico da falha (DDF). O modelo foi concebido levando em consideração as características DDF decorrente de suas etapas, propiciando assim um bom sistema de recuperação de falha. Saber filtrar se determinado evento é real ou um falso alarme não é uma tarefa fácil, porém este sistema terá que atender este propósito. Foram utilizados recursos tecnológicos bastante consolidados no processo industrial para garantir a integração da solução, pois o fator tempo e o processamento da informação são decisivos nos resultados gerados pelo sistema de recuperação. Outro ponto fundamental neste trabalho foi ter desenvolvido um sistema baseado no conhecimento experimental, pois se tem maior robustez nos resultados.

A proteção diferencial é o esquema preferido para proteção de equipamentos e linhas de transmissão. A proteção diferencial exige que informações de todos terminais de zona sob proteção sejam usados para calcular a corrente diferencial. Se esta corrente excede um determinado limite significa que uma falta pode existir na zona protegida. Tais cálculos devem ser executados em cada terminal, consequentemente deve existir um rápido canal de comunicação entre todos os terminais de linha. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do algoritmo de uma proteção diferencial digital de linhas de transmissão com compensação em série. O algoritmo proposto foi implementado em Matlab e foi testado com os mais diferentes tipos de faltas simuladas no programa ATP (Alternative Transients Program). Os resultados comprovam o correto funcionamento do algoritmo. O uso de tecnologias atuais de sincronização por GPS (Global Positioning System) e transmissão de dados em banda larga, resolvem antigos problemas da implementação de proteções diferenciais em linhas de transmissão. / The differential protection is the preferred scheme to protect equipment and transmission lines. The differential protection needs information from all terminals of a protected zone to be used to calculate the differential current. If the current exceeds the threshold level, it means that a fault may exist in the protected zone. These computations must be made on each terminal, consequently a fast communication channel connecting all terminals must exist. This work presents the development of a digital differential protection algorithm for series compensated transmission lines. The algorithm was implemented in Matlab and it was tested with the most different variety of faults simulated with ATP (Alternative Transients Program) software. The results proved the correct operation of the algorithm. The use of modern technologies of synchronization such as GPS (Global Positioning System) and data transmission by wide band solved old problems presented by the implementation of differential protection in transmission lines.

A utilização de equipamentos digitais e de meios de comunicação de dados, na conexão entre os dispositivos de uma subestação de energia elétrica oportunizam o uso de tecnologias para aprimorar e elevar as potencialidades de controle e supervisão do sistema elétrico de potência. As concessionárias de energia elétrica demandam altos investimentos na construção e implantação de sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados. A partir destes sistemas é possível visualizar em um mapa da rede elétrica, os pontos de instalação dos relés e os status do seu funcionamento, possibilitando a concretização de um diagnóstico e o controle destes equipamentos. A World Wide Web se tornou um meio conveniente para acesso às informações devido ao fato dos browsers serem capazes de integrar diferentes serviços de rede em uma única e amigável interface com o usuário. A implementação de um sistema de supervisão e controle utilizando tecnologias web gratuitas pode, com custo competitivo, agregar dados que estejam dispostos geograficamente, em uma plataforma computacional ergonômica, coesa e flexível, provendo acesso aos mesmos a partir de qualquer dispositivo conectado a Internet. Como resultado deste trabalho, foi implementado um sistema Web de controle e supervisão de um bay típico de saída de linha com interface simples, geração de relatórios pertinentes e anunciação de eventos. Foi implementado um segundo sistema Web de supervisão de uma lógica de corte e restabelecimento de cargas conhecido como ERAC (Esquema Regional de Alívio de Carga) que, utilizando recursos distribuídos, exibe em uma interface intuitiva as regiões de atuação dos estágios de cortes, anunciando os eventos e gerando relatórios de interesse. Por fim, foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados de frequência e tensão de um medidor de qualidade da energia elétrica, construção de gráficos com os dados variantes no tempo, exportação dos dados de acordo com um período selecionado e implementação de uma rede neural perceptron multicamadas Time Delay Neural Network para predição dos valores de frequência futuros. As aplicações de supervisão e controle do sistema elétrico foram desenvolvidas com tecnologias Web e testadas em uma rede Intranet, de forma a avaliar a pertinência da implementação de aplicações para o sistema elétrico de potência, que podem ser acessadas de um browser padrão. Cabe ressaltar que todo sistema desenvolvido foi testado em equipamentos reais que fazem parte de uma estrutura laboratorial disponível, aos alunos de pós-graduação da Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica onde duas subestações com relés digitais comerciais são simuladas em bastidores interligados por um backbone de fibra óptica, os quais estão conectados a rede local do laboratório, permitindo o acesso remoto aos equipamentos. Tais sistemas, por estarem em plataforma Web, podem agregar recursos, que estão distribuídos, na construção de interfaces amigáveis e intuitivas, além da disponibilidade de acesso a informação de qualquer ponto conectado à Internet que uma aplicação Web oportuniza. / The use of digital equipment and data communication for the connection of the devices in an electric power substation provides the implementation of new technologies to improve and upgrade the potentialities of control and supervision of an electrical power system. The utilities demand high investments in the establishment and implementation of supervision, control and data acquisition systems. Based on these systems, it is possible to visualize a map of the electrical network, the installation points of digital relays and the status of their functions, making it possible the diagnosis and control of such equipment. The World Wide Web started a convenient access to information due to the friendly interface with the user. The implementation of a supervising and control system using free web technologies can, in a competitive cost, join data which are geographically available to an ergonomic computational platform and also provides access to the users from any device connected to the web. As a result of this work, a supervision Web control System of a typical bay with a simple interface was set up, as well as the development of reports and announcement of events. A second network supervision system for cutting load and for power reestablishment, known as regional load relief scheme, was implemented. Finally, a voltage and frequency data acquisition system from a power quality equipment with time varying graphics was developed as well as a implementation of a multiple neural perception net (Time Delay Neural Network) in order to predict future values of the frequency. The supervision and control applications were developed with web technologies and tested using an intranet in order assure the application on the electrical power system, which can be accessed by a standard browser. It is relevant to mention that the whole system was tested in actual equipment which belongs to a laboratorial structure available to the post graduation students at the University of São Paulo, School of Engineering of São Carlos, Power Systems Laboratory where two substations with commercial digital relays are simulated and interconnected by a fiber optics backbone and also connected to the local laboratory network which allows remote access to the equipment. Such system as set up in a web platform that can add resources which are distributed in the development of a friendly and intuitive interface in addition to the availability of access to the information from any point connected to the web.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta. / Protection systems play a critical role in the safety and reliability of electric power systems. The non-operation or wrong operation of protective relays during a fault in a network element can evolve to a systemic event in large scale (blackout). These events bring risks and high economic losses to society. Despite the high cost and complexity, the protection of synchronous generators has not received much attention in the literature devoted to protection of other network elements, such as transmission lines. This stems from the smaller number of generators in the network and also the idea that the faults in this type of equipment are less frequent. This research discusses the main aspects involved in the design of a protection system for large synchronous generators. Initially, it discusses the key concepts of interest to the generation protection. Particular attention is given to grounding techniques and the criteria adopted for the design of grounding resistors used in those equipment. Then the main protection functions applicable to generators are presented, particularly those related to fault detection in the stator windings. The criteria for setting the parameters of these functions are also discussed. After that, the use of a laboratory shelf, based on Real-Time Digital Simulator (RTDS) for testing and analysis of the protection system, is described in order to validate the correct performance in face of possible operating conditions in the field. Finally, a study case is developed using the concepts developed throughout the research. Then, the design and implementation of the protection system of generators of a hypothetical hydroelectric plant are carried out. To evaluate and analyze the performance of this example network protection system, parameterized up IED G60 (GE) and held numerous simulations in the proposed test platform.

A utilização de equipamentos digitais e de meios de comunicação de dados, na conexão entre os dispositivos de uma subestação de energia elétrica oportunizam o uso de tecnologias para aprimorar e elevar as potencialidades de controle e supervisão do sistema elétrico de potência. As concessionárias de energia elétrica demandam altos investimentos na construção e implantação de sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados. A partir destes sistemas é possível visualizar em um mapa da rede elétrica, os pontos de instalação dos relés e os status do seu funcionamento, possibilitando a concretização de um diagnóstico e o controle destes equipamentos. A World Wide Web se tornou um meio conveniente para acesso às informações devido ao fato dos browsers serem capazes de integrar diferentes serviços de rede em uma única e amigável interface com o usuário. A implementação de um sistema de supervisão e controle utilizando tecnologias web gratuitas pode, com custo competitivo, agregar dados que estejam dispostos geograficamente, em uma plataforma computacional ergonômica, coesa e flexível, provendo acesso aos mesmos a partir de qualquer dispositivo conectado a Internet. Como resultado deste trabalho, foi implementado um sistema Web de controle e supervisão de um bay típico de saída de linha com interface simples, geração de relatórios pertinentes e anunciação de eventos. Foi implementado um segundo sistema Web de supervisão de uma lógica de corte e restabelecimento de cargas conhecido como ERAC (Esquema Regional de Alívio de Carga) que, utilizando recursos distribuídos, exibe em uma interface intuitiva as regiões de atuação dos estágios de cortes, anunciando os eventos e gerando relatórios de interesse. Por fim, foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados de frequência e tensão de um medidor de qualidade da energia elétrica, construção de gráficos com os dados variantes no tempo, exportação dos dados de acordo com um período selecionado e implementação de uma rede neural perceptron multicamadas Time Delay Neural Network para predição dos valores de frequência futuros. As aplicações de supervisão e controle do sistema elétrico foram desenvolvidas com tecnologias Web e testadas em uma rede Intranet, de forma a avaliar a pertinência da implementação de aplicações para o sistema elétrico de potência, que podem ser acessadas de um browser padrão. Cabe ressaltar que todo sistema desenvolvido foi testado em equipamentos reais que fazem parte de uma estrutura laboratorial disponível, aos alunos de pós-graduação da Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica onde duas subestações com relés digitais comerciais são simuladas em bastidores interligados por um backbone de fibra óptica, os quais estão conectados a rede local do laboratório, permitindo o acesso remoto aos equipamentos. Tais sistemas, por estarem em plataforma Web, podem agregar recursos, que estão distribuídos, na construção de interfaces amigáveis e intuitivas, além da disponibilidade de acesso a informação de qualquer ponto conectado à Internet que uma aplicação Web oportuniza. / The use of digital equipment and data communication for the connection of the devices in an electric power substation provides the implementation of new technologies to improve and upgrade the potentialities of control and supervision of an electrical power system. The utilities demand high investments in the establishment and implementation of supervision, control and data acquisition systems. Based on these systems, it is possible to visualize a map of the electrical network, the installation points of digital relays and the status of their functions, making it possible the diagnosis and control of such equipment. The World Wide Web started a convenient access to information due to the friendly interface with the user. The implementation of a supervising and control system using free web technologies can, in a competitive cost, join data which are geographically available to an ergonomic computational platform and also provides access to the users from any device connected to the web. As a result of this work, a supervision Web control System of a typical bay with a simple interface was set up, as well as the development of reports and announcement of events. A second network supervision system for cutting load and for power reestablishment, known as regional load relief scheme, was implemented. Finally, a voltage and frequency data acquisition system from a power quality equipment with time varying graphics was developed as well as a implementation of a multiple neural perception net (Time Delay Neural Network) in order to predict future values of the frequency. The supervision and control applications were developed with web technologies and tested using an intranet in order assure the application on the electrical power system, which can be accessed by a standard browser. It is relevant to mention that the whole system was tested in actual equipment which belongs to a laboratorial structure available to the post graduation students at the University of São Paulo, School of Engineering of São Carlos, Power Systems Laboratory where two substations with commercial digital relays are simulated and interconnected by a fiber optics backbone and also connected to the local laboratory network which allows remote access to the equipment. Such system as set up in a web platform that can add resources which are distributed in the development of a friendly and intuitive interface in addition to the availability of access to the information from any point connected to the web.