I detta examensarbete utreds möjligheten att med hjälp av nya smarta elmätare få en ökad inblick i elkvalitén i elnäten samt att ge nätägare möjligheten att automatiskt eller via fjärrsignal koppla bort solcellsanläggningar i de fall de orsakar dålig elkvalité. Motiveringen till studien har varit att en ökad utbyggnad av solcellsanläggningar med tilhörande växelriktare och en trolig framtida ökning av snabbladdare och andra olinjära laster i näten ökar utmaningen för elnätsföretag att klara gällande krav på elkvalité. Samtidigt har utvecklingen av elmätare gjort att de idag har många funktioner som elnätsföretag kan dra nytta av på sätt som tidigare inte varit möjligt. Studien inleddes med en litteratur-studie där information om vad elmätare idag är kapabla till togs fram. Ett praktiskt test genomfördes på en solcellsanläggning där en elmätare installerades och konfigurerades att koppla bort solcellerna vid över-spänning. Studien har visat att smarta elmätare bör kunna användas som ett långsammare, sekundärt skydd som kopplar bort solceller i de fall som växelriktarna brister i sina säkerhetsfunktioner. Elmätarna kommer också kunna ge nätägare en mängd intressant information om elkvalitén. / In this thesis the possibility for smart meters to give utility companies an increased knowledge about the power quality in the grid has been investigated. During the investigation the possibility to use smart meters to automatically or by remote control disconnect solar power units in case of poor power quality caused by the production units has also been researched. The motivation to perform the study was that a future increase in distributed generation, rapid chargers for electric vehicles and other non-linear loads will make it harder for utility companies to meet the demands concerning power quality. At the same time electricity meters has developed over time and are today capable of providing grid operators with functions that has not been possible in the past. The first part of the study focused on obtaining information about what smart meters are capable of today through a literary study. A practical test was conducted on a solar power unit where a smart meter was installed and configured to automatically disconnect the solar power unit in case of over voltage. The study has shown that smart meters could be used as a slower, secondary protection that disconnects the solar power units in cases where the solar inverters safety functions fails. The smart meters will also be able to give grid operators a large amount of information about the power quality in the grid.

Nos sistemas de distribuição, a grande ramificação, radialidade, heterogeneidade, dinâmica das cargas e demais particularidades, impõem dificuldades à localização de faltas, representando um desafio permanente na busca por melhores indicadores de continuidade e confiabilidade no fornecimento de energia elétrica. A regulação incisiva dos órgãos do setor, a penetração de geração distribuída e a tendência de modernização trazida pelas redes inteligentes, demandam detalhados estudos para readequação dos sistemas elétricos a conjuntura atual. Neste contexto, esta tese propõe o desenvolvimento de uma metodologia para localização de faltas em sistemas de distribuição empregando a capacidade dos medidores inteligentes de monitoramento e de aquisição de tensão em diferentes pontos da rede elétrica. A abordagem proposta baseia-se na estimação, por ferramentas de aprendizado de máquina, das impedâncias de sequência zero e positiva entre os pontos de alocação dos medidores inteligentes e de ocorrência de falta, e do estado de sensibilização destes medidores frente a correntes de falta. Assim, calculando-se as respectivas distâncias elétricas em função das impedâncias estimadas e definidas as direções das mesmas em relação a topologia da rede, busca-se identificar o ponto ou área com maior sobreposição de distâncias elétricas como o local ou a região de maior probabilidade da falta em relação aos medidores inteligentes. Para tanto, faz-se uso combinado de ferramentas convencionais e inteligentes pela aplicação dos conceitos de análise de sistemas elétricos, diagnóstico dos desvios de tensão, e classificação de padrões por meio da técnica de aprendizado de máquina denominada Árvore de Decisão. Os resultados obtidos pela aplicação desta metodologia demonstram que o uso de informações redundantes fornecidas pelos medidores inteligentes minimiza os erros de estimação. Além disso, para a maior parte dos casos testados o erro absoluto máximo de localização da falta se concentra entre 200 m e 1000 m, o que reduz a busca pelo local de ocorrência da falta pelas equipes de manutenção da rede elétrica. / In distribution systems, the dense branching, radial pattern, heterogeneity, dynamic of the loads, and other characteristics create several difficulties in defining the fault location, representing a great challenge in the search for better continuity and reliability indicators of the electrical energy supply. The intense government regulations, the increasing use of distributed generation, and the trend towards modernization via smart grids require a detailed study in order to upgrade the current systems. In this context, this thesis proposes a methodology development for fault location in distribution systems with the use of smart meters monitors and the acquisition of voltage at different points in the electrical network. The proposed method is based on the estimation, using machine learning, of the state of awareness of smart meters across the fault currents and of the zero and positive sequence impedance between the location of these meters and of the fault occurrence. Therefore, by calculating the electrical distances as a function of the estimated impedances and defining its the direction in relation to the network topology, the point/region with the biggest superposition of the electrical distances can be assigned as the point/region with the highest probability of fault occurrence in relation to the smart probes. For this purpose, a machine learning technique named decision tree is used to apply concept analyses to the electrical systems, diagnosis of voltage deviations, and pattern recognition of the electrical systems. The results obtained by the application of this methodology demonstrate that the use of redundant information provided by the smart meters minimizes estimation errors. In addition, for most of the cases tested, the maximum absolute error of the fault location is concentrated between 200 m and 1000 m, which reduces the search for the fault location by the maintenance teams of the electrical network.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho é proposto e apresentado um medidor inteligente de energia elétrica considerando os métodos de medição classe S especificados no PRODIST e na norma IEC 61000-4-30. O medidor proposto calcula os valores eficazes de tensão e corrente, as potências aparente, ativa e reativa, o fator de potência, a frequência, as distorções harmônicas e detecta a ocorrência de variações de tensão de curta duração. Como principais contribuições deste trabalho, pode-se citar a avaliação de métodos existentes e a proposta de um novo método para detectar a origem de distúrbios em relação à localização do medidor. Propôs-se também uma interface gráfica que permite o monitoramento dos parâmetros elétricos e de qualidade de energia, e ainda possibilita a interação do consumidor para a obtenção o de informações detalhadas sobre o estado da rede. O medidor pode ser utilizado como um registrador de dados e permite o acesso à sua interface gráfica por meio da utilização da porta de comunicação ethernet. Para a validação inicial, realizaram-se simulações computacionais, a partir de um modelo de consumidor residencial, em diferentes cenários de operação. Na etapa de validação experimental, foi utilizada uma fonte de geração de sinais e realizaram se testes com o medidor conectado à rede de distribuição de baixa tensão. A partir destas etapas foi possível verificar o funcionamento da interface gráfica e validar o funcionamento do medidor inteligente proposto. / In this study, a smart meter is presented, which considers the class S measurement methods specified at IEC 61000-4-30 standard and PRODIST. The proposed smart meter calculates RMS voltage and current values, active, reactive and apparent powers, power factor, frequency, harmonic distortions and detects short duration voltage variations. As main contributions of this study, it can be mentioned the evaluation of existing methods and the proposal of a new method to determine on which side of a recording device a disturbance originates. It’s also developed a graphical interface that allows the monitoring of electrical and power quality parameters and it enables consumer interaction to get detailed power grid information. The smart meter can also be used as a data logger and it allows access to its graphical interface through ethernet communication port. For the initial validation, computer simulations were performed through a residential consumer model in different operating scenarios. The experimental validation tests were carried out using an AC power source and the smart meter has been connected to low-voltage distribution grid. Through these steps, it was possible to verify the interface operation and to validate the proposed smart meter operation.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:34:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:07Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:20Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Os impactos causados por precipitações em áreas urbanas indicam a necessidade da abordagem de medidas para gerenciamento da drenagem urbana, de modo a evitar prejuízos originados dos escoamentos superficiais, como as inundações. A drenagem urbana brasileira é considerada defasada, visto que o conceito da canalização prevalece sobre a reservação e a infiltração, priorizando o rápido escoamento ao invés do descarte controlado dos volumes reservados. A cidade de Curitiba-PR conta com o Decreto Municipal Número 176/2007, responsável pelos critérios para implantação dos mecanismos de contenção de cheias. Porém, as diretrizes de projeto estabelecidas não garantem eficiência mínima para os reservatórios de contenção, visto que a mesma pode variar em função da sua área de base, lâmina de água e diâmetro do orifício regulador de vazão. Nesta pesquisa é proposto um método de dimensionamento, estabelecendo critérios que relacionam as áreas impermeabilizadas dos lotes aos parâmetros de dimensionamento dos reservatórios, garantindo a função desta medida de controle. Considerando que os reservatórios devem proporcionar à dada área impermeabilizada retornar à sua condição de pré-urbanização em termos de vazões de contribuição, estima-se o valor necessário para a redução de vazão de pico em 70,24%, obtido da relação entre os coeficientes de escoamento superficial em ambas as condições de impermeabilização. A partir de simulações de propagação de vazão com o Método de Pulz em áreas impermeabilizadas genéricas em intervalos constantes adotados para o estudo, são obtidos gráficos das características geométricas dos reservatórios em função da vazão de contribuição que cada área genérica recebe. A partir da análise comportamental dos mesmos são propostas equações de dimensionamento para os parâmetros de volume, área de base, altura da lâmina de água e diâmetro do orifício regulador de vazão, relacionando-os às áreas impermeabilizadas presentes, de modo que seja garantida a eficiência mínima necessária. Ao comparar os resultados obtidos com o previsto na legislação municipal, além da possibilidade de melhoria na eficiência dos reservatórios com a utilização de outros parâmetros de dimensionamento, há condição de redução de 24,14% do volume em relação ao cálculo atual. / The impacts caused by rainfall in urban areas indicate the need to approach measures for managing urban drainage, in order to avoid losses arising from runoff, such as floods. Brazilian urban drainage is considered outdated, because the concept of channeling is more used than the reservation and infiltration, prioritizing fast flowing instead of controlled disposal of reserved volumes. The city of CuritibaPR has a Municipal Decree Number 176/2007, responsible for the criteria for implementation of flood containment mechanisms. However, the established design guidelines do not guarantee minimum performance for flood detention tanks, since it may vary depending on their base area, water depth and flow regulator’s orifice diameter. In this research is proposed a sizing method, establishing criteria that relate waterproofed areas of the lots to the tank design parameters, ensuring the function of this control measure. Considering that tanks must provide the given waterproofed area return to its condition before urbanization in contributing flows, determine the value of the required peak flow reduction in 70,24%, obtained from the relation between the coefficients of runoff in both waterproofing conditions. From flow propagation simulations with Pulz Method in generic waterproofed areas at constant intervals adopted for the research, graphs of the geometric characteristics of the reservoirs are obtained as a function of the contribution flow that each generic area receives. From the behavioral analysis, sizing equations are proposed for the parameters of volume, base area, water depth and flow regulator’s orifice diameter, relating them to the present waterproofed areas and ensuring the required efficiency. When comparing the results obtained with the provisions of municipal legislation, in addition to the possibility of improving the efficiency of the reservoirs using other sizing parameters, it points to the possibility of reducing the calculated volume of 24,14% in relation to the current calculation.

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Banca: Júlio Borges de Souza / Banca: Denizar Cruz Martins / Resumo: O estudo da confiabilidade operacional de equipamentos se tornou fundamental para as empresas possuírem o devido controle dos seus ativos, tanto pelo lado financeiro quanto em questões de segurança. O estudo da taxa de falha de equipamentos prevê quando as falhas irão ocorrer possibilitando estabelecer atitudes preventivas, porém, seu estudo deve ser realizado em condições de operação estabelecidas e fixas. Os medidores de energia elétrica, parte do ativo financeiro das concessionárias de energia, são equipamentos utilizados em diversas condições de operação, tanto nas condições do fluxo de energia, tais como presenças de harmônicos, subtensões, sobre-tensões e padrões de consumo distintos, quanto pelo local físico de instalação, tais como maresia, temperatura, umidade, etc. As falhas nos medidores eletromecânicos de energia elétrica são de difícil constatação uma vez que a maioria dos erros de medição, ocasionados principalmente por envelhecimento de componentes, não alteram a qualidade da energia fornecida e nem interrompem o seu fornecimento. Neste sentido, este trabalho propõe uma nova metodologia de determinação de falhas em medidores eletromecânicos de energia elétrica ativa. Faz-se uso de banco de dados de uma concessionária de energia elétrica e do processo de descoberta de conhecimento em bases de dados para selecionar as variáveis mais significativas na determinação de falhas em medidores eletromecânicos de energia elétrica ativa, incluindo no conjunto de falhas a operação com erros de medição acima do permitido pela legislação nacional (2010). Duas técnicas de mineração de dados foram utilizadas: regressão stepwise e árvores de decisão. As variáveis obtidas foram utilizadas na construção de um modelo de agrupamento de equipamentos associando a cada grupo uma probabilidade... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The operational reliability study of equipments has become primal in order to enterprises have the righteous control over their assets, both by financial side as by security reasons. The study for the hazard rate of equipments allows to foresee the failures for the equipments and to act preventively, but this study must be accomplished under established and fixed operation conditions. The energy meters, for their part, are equipments utilized in several operating conditions so on the utilization manner, like presence of harmonics, undervoltages and over-voltages and distinct consumption patterns, as on the installation location, like swel, temperature, humidity, etc. Failures in electromechanical Wh-meters are difficult to detect once that the majority of metering errors occurred mainly by aging of components do not change the quality of offered energy neither disrupt its supply. In this context, this work proposes a novel methodology to obtain failure determination for electromechanical Whmeters. It utilizes Wh-databases from an electrical company and of the process of knowledge discovery in databases to specify the most significant variables in determining failures in electromechanical Wh-meters, including in the failure set the operation with metering errors above those permitted by national regulations (2010). Two techniques of data mining were used in this work: stepwise regression and decision trees. The obtained variables were utilized on the construction of a model of clustering similar equipments and the probability of failure of those clusters were determined. As final results, an application in a friendly platform were developed in order to apply the methodology, and a case study was accomplished in order to demonstrate its feasibility. / Mestre

Este estudo desenvolve uma técnica para caracterizar o escoamento bifásico, utilizando sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibras ópticas. Esses sensores apresentam características relevantes, a pequena dimensão e a possibilidade de medição com precisão em um grande número de parâmetros em condições diversas. A unidade sensora é constituída por uma rede de Bragg em fibra óptica posicionada transversalmente em relação ao escoamento e fixado nas paredes do tubo. A pressão hidrodinâmica aplicada pelo escoamento de líquido ou pelo escoamento de líquido e gás induz deformação na fibra óptica, a qual pode ser detectada pela rede de Bragg. Como a pressão aplicada está diretamente relacionada com a vazão mássica, é possível estabelecer uma relação usando o deslocamento do comprimento de onda da ressonância da rede de Bragg para determinar a vazão mássica quando a velocidade de escoamento é bem conhecida. No escoamento bifásico, há uma alteração significativa na força aplicada na fibra óptica, a qual contabiliza as densidades distintas das referidas substâncias. Logo, a deformação da fibra óptica e a correspondente mudança de comprimento de onda de rede de Bragg serão muito diferentes quando no escoamento houver uma bolha de ar ou um pistão de líquido, permitindo, assim a sua detecção à medida que o escoamento flui através do tubo. Devido a sua capacidade de multiplexação e versatilidade, o uso de sensores de redes de Bragg em fibra óptica mostrou ser particularmente adequado para esta aplicação. Uma ferramenta de detecção de 18 sensores quase distribuídos uniformemente ao longo do tubo foi desenvolvida tornando possível a caracterização do escoamento, bem como o acompanhamento das bolhas de ar ao longo de uma grande parte do escoamento. Os ensaios foram realizados em uma planta piloto de escoamento bifásico gás-líquido, onde diversas condições operacionais foram geradas e analisadas. A técnica desenvolvida foi validada através de comparações com modelos termodinâmicos empíricos disponíveis na literatura e também com o sensor wire-mesh, apresentando boa concordância com os valores de referência. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados na obtenção de parâmetros importantes nos modelos de escoamento multifásico, abrindo muitas oportunidades para ferramentas de medição de laboratório e aplicações de campo. / This study developed a technique to characterize the two phase flow using optical fiber Bragg grating strain sensors. These sensors have features such as small size, flexibility, allowing to accurately measure a number of parameters under adverse conditions. The sensor unit consists of optical fiber Bragg grating positioned transversely to the flow and fixed in the pipe walls. The hydrodynamic pressure applied by the liquid or air/liquid flow to the optical fiber induces deformation that can be detected by the optical fiber Bragg grating. Given that the applied pressure is directly related to the mass flow it is possible to establish a relationship using the grating resonance wavelength shift to determine the mass flow when the flow velocity is well known. For two phase flows of air and liquid there is a significant change in the force applied to fiber that is accounted for the very distinct densities of these substances. As a consequence the optical fiber deformation and the correspondent grating wavelength shift as function of the flow will be very different for an air bubble or a liquid slug allowing their detection as they flow through the pipe. Due to its versatility and multiplexing capabilities optical fiber Bragg gratings are particularly suitable for this application. The experiments were performed in a pilot plant using air-water two-phase flows, in which various operating conditions were generated and analyzed. A quasi-distributed sensing tool with 18 sensors evenly spread along the pipe is developed and characterized making possible the characterization of the flow as well as the tracking of the bubbles over a large section of the test bed. The technique developed was validated through comparisons with available empirical mechanical models and also with the wire- mesh sensor, showing good agreement with the reference values. The study allows for the future construction of sensors that can be used to assist empirical models of multiphase flows, and open up plenty of opportunities to both laboratory measurement tools as well as field applications.

Este estudo desenvolve uma técnica para caracterizar o escoamento bifásico, utilizando sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibras ópticas. Esses sensores apresentam características relevantes, a pequena dimensão e a possibilidade de medição com precisão em um grande número de parâmetros em condições diversas. A unidade sensora é constituída por uma rede de Bragg em fibra óptica posicionada transversalmente em relação ao escoamento e fixado nas paredes do tubo. A pressão hidrodinâmica aplicada pelo escoamento de líquido ou pelo escoamento de líquido e gás induz deformação na fibra óptica, a qual pode ser detectada pela rede de Bragg. Como a pressão aplicada está diretamente relacionada com a vazão mássica, é possível estabelecer uma relação usando o deslocamento do comprimento de onda da ressonância da rede de Bragg para determinar a vazão mássica quando a velocidade de escoamento é bem conhecida. No escoamento bifásico, há uma alteração significativa na força aplicada na fibra óptica, a qual contabiliza as densidades distintas das referidas substâncias. Logo, a deformação da fibra óptica e a correspondente mudança de comprimento de onda de rede de Bragg serão muito diferentes quando no escoamento houver uma bolha de ar ou um pistão de líquido, permitindo, assim a sua detecção à medida que o escoamento flui através do tubo. Devido a sua capacidade de multiplexação e versatilidade, o uso de sensores de redes de Bragg em fibra óptica mostrou ser particularmente adequado para esta aplicação. Uma ferramenta de detecção de 18 sensores quase distribuídos uniformemente ao longo do tubo foi desenvolvida tornando possível a caracterização do escoamento, bem como o acompanhamento das bolhas de ar ao longo de uma grande parte do escoamento. Os ensaios foram realizados em uma planta piloto de escoamento bifásico gás-líquido, onde diversas condições operacionais foram geradas e analisadas. A técnica desenvolvida foi validada através de comparações com modelos termodinâmicos empíricos disponíveis na literatura e também com o sensor wire-mesh, apresentando boa concordância com os valores de referência. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados na obtenção de parâmetros importantes nos modelos de escoamento multifásico, abrindo muitas oportunidades para ferramentas de medição de laboratório e aplicações de campo. / This study developed a technique to characterize the two phase flow using optical fiber Bragg grating strain sensors. These sensors have features such as small size, flexibility, allowing to accurately measure a number of parameters under adverse conditions. The sensor unit consists of optical fiber Bragg grating positioned transversely to the flow and fixed in the pipe walls. The hydrodynamic pressure applied by the liquid or air/liquid flow to the optical fiber induces deformation that can be detected by the optical fiber Bragg grating. Given that the applied pressure is directly related to the mass flow it is possible to establish a relationship using the grating resonance wavelength shift to determine the mass flow when the flow velocity is well known. For two phase flows of air and liquid there is a significant change in the force applied to fiber that is accounted for the very distinct densities of these substances. As a consequence the optical fiber deformation and the correspondent grating wavelength shift as function of the flow will be very different for an air bubble or a liquid slug allowing their detection as they flow through the pipe. Due to its versatility and multiplexing capabilities optical fiber Bragg gratings are particularly suitable for this application. The experiments were performed in a pilot plant using air-water two-phase flows, in which various operating conditions were generated and analyzed. A quasi-distributed sensing tool with 18 sensors evenly spread along the pipe is developed and characterized making possible the characterization of the flow as well as the tracking of the bubbles over a large section of the test bed. The technique developed was validated through comparisons with available empirical mechanical models and also with the wire- mesh sensor, showing good agreement with the reference values. The study allows for the future construction of sensors that can be used to assist empirical models of multiphase flows, and open up plenty of opportunities to both laboratory measurement tools as well as field applications.