O objetivo de um sistema elétrico de potência é gerar energia elétrica e fornecer continuamente esta energia aos usuários finais dentro de padrões de qualidade aceitáveis. Neste contexto, diferentes aplicações usando algoritmos genéticos (AGs) para resolver problemas relacionados a sistemas elétricos de potência são apresentadas neste trabalho. A estimação de harmônicos, estudos relativos aos relés de freqüência e aplicações da proteção de distância são os assuntos investigados nesta tese. Para análise harmônica foram consideradas freqüências em sistemas de potência de até a vigésima quinta ordem, as quais foram estimadas pelos AGs e comparadas àquelas resultantes da análise quando da aplicação da Transformada Discreta de Fourier (TDF). Com respeito aos relés de freqüência, o objetivo foi estimar a amplitude, freqüência e ângulo de fase para diversas situações de formas de ondas utilizando uma nova estrutura que possa ser implementada dispondo em FPGAs (Field Programmable Gate Array). Finalmente, aplicados à proteção de distância, o principal propósito dos AGs foi identificar os fasores fundamentais da tensão e corrente e, então, calcular a impedância da linha medida pelo relé de distância associado. Cabe ressaltar que estes resultados também foram comparados ao método clássico da TDF. Todas as três abordagens foram formuladas como problemas de otimização, com objetivo de minimizar o erro estimado das variáveis envolvidas. Os resultados dessas aplicações mostram que o desempenho global dos Algoritmos Genéticos foi altamente satisfatório considerando-se as precisões das respostas encontradas. / The aim of electric power systems is to generate electricity and to deliver it continuously to the end-user in an acceptable standard. Therefore, different applications using genetic algorithms (GAs) to solve electric power system problems are presented in this work. Harmonic estimation, frequency relays and distance protection are the subjects investigated in this thesis. Concerning harmonic analysis, the ones up to the 25th order were considered in this work. They were estimated by GAs and compared to results obtained from the Discrete Fourier Transform (DFT) technique. Concerning frequency relays, the main objective was to estimate the amplitude, frequency and phase angle of waveforms using a new structure capable to be implemented in a FPGA (Field Programmable Gate Array). Finally, concerning distance protection, the main purpose was use the GAs to identify the fundamental voltage and current phasors and to calculate the line impedance seen by the distance relay. These results were also compared to those obtained from the classic DFT method. These three problems were formulated as an optimization problem, and the objective was to minimize the estimation error. The results from these applications show that the global performance of the genetic algorithms was highly satisfactory concerning the precision of the responses.

O objetivo de um sistema elétrico de potência é gerar energia elétrica e fornecer continuamente esta energia aos usuários finais dentro de padrões de qualidade aceitáveis. Neste contexto, diferentes aplicações usando algoritmos genéticos (AGs) para resolver problemas relacionados a sistemas elétricos de potência são apresentadas neste trabalho. A estimação de harmônicos, estudos relativos aos relés de freqüência e aplicações da proteção de distância são os assuntos investigados nesta tese. Para análise harmônica foram consideradas freqüências em sistemas de potência de até a vigésima quinta ordem, as quais foram estimadas pelos AGs e comparadas àquelas resultantes da análise quando da aplicação da Transformada Discreta de Fourier (TDF). Com respeito aos relés de freqüência, o objetivo foi estimar a amplitude, freqüência e ângulo de fase para diversas situações de formas de ondas utilizando uma nova estrutura que possa ser implementada dispondo em FPGAs (Field Programmable Gate Array). Finalmente, aplicados à proteção de distância, o principal propósito dos AGs foi identificar os fasores fundamentais da tensão e corrente e, então, calcular a impedância da linha medida pelo relé de distância associado. Cabe ressaltar que estes resultados também foram comparados ao método clássico da TDF. Todas as três abordagens foram formuladas como problemas de otimização, com objetivo de minimizar o erro estimado das variáveis envolvidas. Os resultados dessas aplicações mostram que o desempenho global dos Algoritmos Genéticos foi altamente satisfatório considerando-se as precisões das respostas encontradas. / The aim of electric power systems is to generate electricity and to deliver it continuously to the end-user in an acceptable standard. Therefore, different applications using genetic algorithms (GAs) to solve electric power system problems are presented in this work. Harmonic estimation, frequency relays and distance protection are the subjects investigated in this thesis. Concerning harmonic analysis, the ones up to the 25th order were considered in this work. They were estimated by GAs and compared to results obtained from the Discrete Fourier Transform (DFT) technique. Concerning frequency relays, the main objective was to estimate the amplitude, frequency and phase angle of waveforms using a new structure capable to be implemented in a FPGA (Field Programmable Gate Array). Finally, concerning distance protection, the main purpose was use the GAs to identify the fundamental voltage and current phasors and to calculate the line impedance seen by the distance relay. These results were also compared to those obtained from the classic DFT method. These three problems were formulated as an optimization problem, and the objective was to minimize the estimation error. The results from these applications show that the global performance of the genetic algorithms was highly satisfactory concerning the precision of the responses.

Este trabalho apresenta um método baseado em algoritmos genéticos – AGs, o qual consiste na estimação dos parâmetros associados as formas de ondas, tais como amplitude, freqüência e ângulo de fase das mesmas, referentes a uma proposição de relé de freqüência. O método proposto é baseado em algoritmos genéticos com representação real, tendo em vista a não necessidade de codificação dos valores logo na entrada do processo. O objetivo do trabalho é apresentar um estudo de uma das várias técnicas da computação evolutiva, conhecida como AG, cuja aplicação é inspirada nos mecanismos da evolução natural das espécies identificado pelo naturalista inglês Charles Darwin. A idéia principal do método é fazer com que os indivíduos da população evoluam ao longo das iterações, chamadas gerações, produzindo soluções cada vez melhores até convergir a uma solução ótima ou aproximadamente ótima. O algoritmo proposto foi testado com dados simulados no software Matlab. Pelos resultados observados têm-se caracterizado a potencialidade desta ferramenta computacional na estimação dos parâmetros desejados. / This work presents a method based on genetic algorithm – GAs, which consists on estimation of parameters in waveforms, such as their amplitude, frequency and phase angles, related to the application of a frequency relay. The proposed study is based on the genetic algorithms with real representation, once there is no need to codify the values on the input of the process. The objective of this work is to present one of the several techniques of artificial intelligence, known as genetic algorithm, in which the main application is inspired in mechanisms of natural evolution of the species identified by Charles Darwin. The main idea of this method is to make the individuals from one population, called generation, to evolute, producing better solutions until they converge to an optimal or approximately optimal solution. The proposed algorithm was tested with simulated data from Matlab software. The results observed have characterized the efficiency of this computational tool for the estimation of the desired parameters.

Este trabalho apresenta um método baseado em algoritmos genéticos – AGs, o qual consiste na estimação dos parâmetros associados as formas de ondas, tais como amplitude, freqüência e ângulo de fase das mesmas, referentes a uma proposição de relé de freqüência. O método proposto é baseado em algoritmos genéticos com representação real, tendo em vista a não necessidade de codificação dos valores logo na entrada do processo. O objetivo do trabalho é apresentar um estudo de uma das várias técnicas da computação evolutiva, conhecida como AG, cuja aplicação é inspirada nos mecanismos da evolução natural das espécies identificado pelo naturalista inglês Charles Darwin. A idéia principal do método é fazer com que os indivíduos da população evoluam ao longo das iterações, chamadas gerações, produzindo soluções cada vez melhores até convergir a uma solução ótima ou aproximadamente ótima. O algoritmo proposto foi testado com dados simulados no software Matlab. Pelos resultados observados têm-se caracterizado a potencialidade desta ferramenta computacional na estimação dos parâmetros desejados. / This work presents a method based on genetic algorithm – GAs, which consists on estimation of parameters in waveforms, such as their amplitude, frequency and phase angles, related to the application of a frequency relay. The proposed study is based on the genetic algorithms with real representation, once there is no need to codify the values on the input of the process. The objective of this work is to present one of the several techniques of artificial intelligence, known as genetic algorithm, in which the main application is inspired in mechanisms of natural evolution of the species identified by Charles Darwin. The main idea of this method is to make the individuals from one population, called generation, to evolute, producing better solutions until they converge to an optimal or approximately optimal solution. The proposed algorithm was tested with simulated data from Matlab software. The results observed have characterized the efficiency of this computational tool for the estimation of the desired parameters.

O ilhamento em sistemas elétricos contendo geração distribuída ocorre quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da concessionária e o subsistema isolado continua a ser energizado por geradores distribuídos. É importante detectar essa condição, que pode, por exemplo, levar a problemas como alteração da qualidade da energia elétrica e religamento automático fora de sincronismo, causando danos irreversíveis aos equipamentos da rede elétrica. Uma forma de detecção do ilhamento é o uso de funções de proteção de frequência e suas variações, tais como a função de taxa de variação de frequência e a função de deslocamento de fase (ou salto de vetor). Neste contexto, é importante que se tenham modelos computacionais e analíticos confiáveis dessas funções de proteção para que sejam executadas simulações, permitindo validar ajustes e verificar condições anormais de operação. O objetivo desta dissertação é desenvolver e validar modelos computacionais e analíticos das funções de proteção de sub/sobre frequência, taxa de variação de frequência e deslocamento de fase, empregados na detecção de ilhamento de geradores distribuídos. Os modelos computacionais são desenvolvidos em uma plataforma que permite realizar simulações dinâmicas em tempo real. A validação dos modelos é efetuada utilizando funções de proteção existentes em relés comerciais. A avaliação de desempenho dos modelos em relação à proteção anti-ilhamento é realizada utilizando o conceito das curvas de desempenho, as quais foram obtidas a partir de simulações computacionais em tempo real e em malha fechada pelo uso de um simulador digital em tempo real. Os resultados permitem comprovar a efetividade dos modelos para representar as funções de proteção dos relés comerciais ensaiados, com erros abaixo de 3% para uma ampla faixa de pontos de operação do sistema elétrico e do gerador distribuído. / Islanding in power distribution systems with distributed generators occurs when part of the electrical network becomes isolated from the electrical company and the isolated area is still energized by distributed generation. It is important to detect this condition which can lead to problems such as low power quality levels and out of step reclosing, causing severe equipment damages. One of the island detection methods is the use of frequency protection functions and their variations, such as the rate of change of frequency relay and phase shift relay (or vector surge relay). In this context, it is important to obtain reliable relay computational and analytical models to execute simulations that allow verifying and validating settings, and investigating abnormal operation conditions. This dissertation aims to develop and validate computational and analytical models of under and over frequency, rate of change of frequency and phase shift protection functions applied to distributed generation islanding detection. The computational model development is performed on a real time dynamic simulation platform. The model validations are performed using protection functions of commercial relays. The models performance evaluation and validation were carried out by using the performance curves, which are obtained through real time closed loop simulations using a real time digital simulator. The results prove the model effectiveness to represent commercial protection functions, with errors below 3% for a wide range of distribution system and distributed generator operating conditions.

O ilhamento em sistemas elétricos contendo geração distribuída ocorre quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da concessionária e o subsistema isolado continua a ser energizado por geradores distribuídos. É importante detectar essa condição, que pode, por exemplo, levar a problemas como alteração da qualidade da energia elétrica e religamento automático fora de sincronismo, causando danos irreversíveis aos equipamentos da rede elétrica. Uma forma de detecção do ilhamento é o uso de funções de proteção de frequência e suas variações, tais como a função de taxa de variação de frequência e a função de deslocamento de fase (ou salto de vetor). Neste contexto, é importante que se tenham modelos computacionais e analíticos confiáveis dessas funções de proteção para que sejam executadas simulações, permitindo validar ajustes e verificar condições anormais de operação. O objetivo desta dissertação é desenvolver e validar modelos computacionais e analíticos das funções de proteção de sub/sobre frequência, taxa de variação de frequência e deslocamento de fase, empregados na detecção de ilhamento de geradores distribuídos. Os modelos computacionais são desenvolvidos em uma plataforma que permite realizar simulações dinâmicas em tempo real. A validação dos modelos é efetuada utilizando funções de proteção existentes em relés comerciais. A avaliação de desempenho dos modelos em relação à proteção anti-ilhamento é realizada utilizando o conceito das curvas de desempenho, as quais foram obtidas a partir de simulações computacionais em tempo real e em malha fechada pelo uso de um simulador digital em tempo real. Os resultados permitem comprovar a efetividade dos modelos para representar as funções de proteção dos relés comerciais ensaiados, com erros abaixo de 3% para uma ampla faixa de pontos de operação do sistema elétrico e do gerador distribuído. / Islanding in power distribution systems with distributed generators occurs when part of the electrical network becomes isolated from the electrical company and the isolated area is still energized by distributed generation. It is important to detect this condition which can lead to problems such as low power quality levels and out of step reclosing, causing severe equipment damages. One of the island detection methods is the use of frequency protection functions and their variations, such as the rate of change of frequency relay and phase shift relay (or vector surge relay). In this context, it is important to obtain reliable relay computational and analytical models to execute simulations that allow verifying and validating settings, and investigating abnormal operation conditions. This dissertation aims to develop and validate computational and analytical models of under and over frequency, rate of change of frequency and phase shift protection functions applied to distributed generation islanding detection. The computational model development is performed on a real time dynamic simulation platform. The model validations are performed using protection functions of commercial relays. The models performance evaluation and validation were carried out by using the performance curves, which are obtained through real time closed loop simulations using a real time digital simulator. The results prove the model effectiveness to represent commercial protection functions, with errors below 3% for a wide range of distribution system and distributed generator operating conditions.

This study concerns frequency relays and voltage relays applied to the protection of synchronous distributed generators operating in reactive power control mode without a frequency regulation function. The effect of active and reactive powers combination, load power factor, and reactive power imbalance are investigated for their implication for the anti-islanding setting of the frequency relay. Results reveal that the effect of these factors must be considered when setting the relay for islanding detection. For the voltage relay, results reveal that the effect of active and reactive powers combination, load power factor, and active power imbalance must be considered when setting the relay for islanding detection. The effect of multi-stage tripping on the frequency relay ability to detect island was also investigated. Results show that multistage tripping can improve the anti-islanding performance of the frequency relay. / Electrical Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)