During the operation in a modern power distribution system, some abnormal events may happen, such as over-voltage, faults, under-frequency and overloading, and so on. These abnormal events may cause a power outage in a distribution system or damages on the equipment in a distribution system. Hence these abnormal events should be identified and isolated by protection systems as quickly as possible to make sure we can maintain a stable and reliable distribution system to supply adequate electric power to the largest number of consumers as we can. To sum up, we need stable and reliable protection systems to satisfy this requirement. Chapter 1 of the dissertation is a brief introduction to my research contents. Firstly, the background of a distribution system and the protection systems in a power system will be introduced in the first subchapter. Then there will be a review of existing methods of optimum coordination of overcurrent relays using different optimal techniques. The dissertation outline will be illustrated in the end. Chapter 2 of the dissertation describes a novel method of optimum online adaptive coordination of overcurrent relays using the genetic algorithm. In this chapter, the basic idea of the proposed methods will be explained in the first subchapter. It includes the genetic algorithm concepts and details about how it works as an optimal technique. Then three different types of simulation systems will be used in this part. The first one is a basic distribution system without distributed generations (DGs); the second one is similar to the first one but with load variations; the last simulation system is similar to the first one but with a distributed generation in it. Using three different simulation systems will demonstrate that the coordination of overcurrent relays is influenced by different operating conditions of the distribution system. In Chapter 3, a larger sized distribution system with more distributed generations and loads will be simulated and used for verifying the proposed method in a more realistic environment. In addition, the effects of fault location on the optimum coordination of overcurrent relays will be discussed here. In Chapter 4, the optimal differential evolution (DE) technique will be introduced. Because of the requirement of the online adaptive function, the optimal process needs to be accomplished as soon as possible. Through the comparison between genetic algorithm and differential evolution on the optimum coordination of overcurrent relays, we found that differential evolution is much faster than the genetic algorithm, especially when the size of the distribution system grows. Therefore, the differential evolution optimal technique is more suited than the genetic algorithm to realize online adaptive function. Chapter 5 presents the conclusion of the research work that has been done in this dissertation.

Um sistema elétrico de potência agrega toda a estrutura pela qual a energia elétrica percorre, desde a sua geração até o seu consumo final. Nas últimas décadas observou-se um significativo aumento da demanda e, consequentemente, um aumento das interligações entre sistemas, tornando assim a operação e o controle destes extremamente complexos. Com o fim de obter a desejada operação destes sistemas, inúmeros estudos na área de Proteção de Sistemas Elétricos são realizados, pois é sabido que a interrupção desses serviços causam transtornos que podem assumir proporções desastrosas. Em sistemas elétricos malhados, nos quais as correntes de curto-circuito podem ser bidirecionais e podem ter intensidades diferentes devido a alterações topológicas nos mesmos, coordenar relés de sobrecorrente pode ser uma tarefa muito trabalhosa caso não haja nenhuma ferramenta de apoio. Neste contexto, este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia eficiente que determine os ajustes otimizados dos relés de sobrecorrente direcionais instalados em sistemas elétricos malhados de forma a garantir a rapidez na eliminação da falta, bem como a coordenação e seletividade, considerando as várias intensidades das correntes de curto-circuito. Seguindo essa linha de raciocínio, observou-se que o uso de técnicas metaheurísticas para lidar com o problema da coordenação de relés é capaz de alcançar resultados significativos. No presente projeto, dentre os algoritmos inteligentes estudados, optou-se por pesquisar a aplicação do Algoritmo Enxame de Partículas Evolutivo (Evolutionary Particle Swarm Optimization) por este apresentar como características as vantagens tanto do Algoritmo Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization) quanto as dos Algoritmos Genéticos, possuindo assim grande potencial para solução destes tipos de problemas. / An electric power system aggregates all the structure in which the electric energy travels, from its generation to the final user. In the last decades it has been observed a significative increase of the demand and, consequently, an increment of the number of interconnections between systems, making the operation and control of them extremely complex. Aiming to obtain a good operation of this kind of systems, a lot of effort in the research area of power system protection has been spent, because it is known that the interruption of this service causes disorders that may assume disastrous proportions. In meshed power systems, in which the shortcircuit currents might be bidirectional and might have different magnitudes due to topological changes on them, to coordinate overcurrent relays may be a really hard task if you do not have a support tool. Look in this context, this work aims the development of and efficient methodology thats determine the optimal parameters of the directional overcurrent relays in a meshed electric power system ensuring the quickness in the fault elimination, as well as the coordination and selectivity of the protection system, considering the various intensities of the short-circuit currents. Maintaining this line, it has been noticed that the use of metaheuristics to deal with the problem of relay coordination is capable of achieving promissory results. In the present research, among the studied intelligent algorithms, it was chosen to use in it the Evolutionary Particle Swarm Optimization, due to its features thats is the advantages of the Particle Swarm Optimization as well as the Genetic Algorithms ones, hence it has great potential do solve theses kind of problems.

Um sistema elétrico de potência agrega toda a estrutura pela qual a energia elétrica percorre, desde a sua geração até o seu consumo final. Nas últimas décadas observou-se um significativo aumento da demanda e, consequentemente, um aumento das interligações entre sistemas, tornando assim a operação e o controle destes extremamente complexos. Com o fim de obter a desejada operação destes sistemas, inúmeros estudos na área de Proteção de Sistemas Elétricos são realizados, pois é sabido que a interrupção desses serviços causam transtornos que podem assumir proporções desastrosas. Em sistemas elétricos malhados, nos quais as correntes de curto-circuito podem ser bidirecionais e podem ter intensidades diferentes devido a alterações topológicas nos mesmos, coordenar relés de sobrecorrente pode ser uma tarefa muito trabalhosa caso não haja nenhuma ferramenta de apoio. Neste contexto, este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia eficiente que determine os ajustes otimizados dos relés de sobrecorrente direcionais instalados em sistemas elétricos malhados de forma a garantir a rapidez na eliminação da falta, bem como a coordenação e seletividade, considerando as várias intensidades das correntes de curto-circuito. Seguindo essa linha de raciocínio, observou-se que o uso de técnicas metaheurísticas para lidar com o problema da coordenação de relés é capaz de alcançar resultados significativos. No presente projeto, dentre os algoritmos inteligentes estudados, optou-se por pesquisar a aplicação do Algoritmo Enxame de Partículas Evolutivo (Evolutionary Particle Swarm Optimization) por este apresentar como características as vantagens tanto do Algoritmo Enxame de Partículas (Particle Swarm Optimization) quanto as dos Algoritmos Genéticos, possuindo assim grande potencial para solução destes tipos de problemas. / An electric power system aggregates all the structure in which the electric energy travels, from its generation to the final user. In the last decades it has been observed a significative increase of the demand and, consequently, an increment of the number of interconnections between systems, making the operation and control of them extremely complex. Aiming to obtain a good operation of this kind of systems, a lot of effort in the research area of power system protection has been spent, because it is known that the interruption of this service causes disorders that may assume disastrous proportions. In meshed power systems, in which the shortcircuit currents might be bidirectional and might have different magnitudes due to topological changes on them, to coordinate overcurrent relays may be a really hard task if you do not have a support tool. Look in this context, this work aims the development of and efficient methodology thats determine the optimal parameters of the directional overcurrent relays in a meshed electric power system ensuring the quickness in the fault elimination, as well as the coordination and selectivity of the protection system, considering the various intensities of the short-circuit currents. Maintaining this line, it has been noticed that the use of metaheuristics to deal with the problem of relay coordination is capable of achieving promissory results. In the present research, among the studied intelligent algorithms, it was chosen to use in it the Evolutionary Particle Swarm Optimization, due to its features thats is the advantages of the Particle Swarm Optimization as well as the Genetic Algorithms ones, hence it has great potential do solve theses kind of problems.

Smart radial distribution grids will include advanced metering infrastructure (AMI) and significant distributed generators (DGs) connected close to loads. DGs in these radial distribution systems (RDS) introduce bidirectional power flows (BPFs) and contribute to fault current. These BPFs may cause unwanted tripping of existing overcurrent (OC) protection devices and result in permanent outages for a large number of customers. This thesis presents a protection approach that modified an existing overcurrent protection scheme to reduce the number of customers affected by faults in RDS with DGs. Further, a technique is presented that utilizes customers loading information from smart meters in AMI to improve the sensitivity of substation OC relays by adaptively changing the pickup settings. The modified protection approach involves predefining zones in RDS with DGs and installing directional OC relays and circuit breakers at the zonal boundaries. Zonal boundary relays determine faulted zones by sharing information on the direction of detected faults current using binary state signals over a communication medium. The technique to adapt the substation relay pickup settings uses the demand measurements from smart meters for two 12-hour intervals from the previous day to determine the maximum diversified demand at the relay?s location. The pickup settings of the substation relay for the two 12-hour intervals during the following day for the zone supplied by the substation are adaptively set based on the current that corresponds to the maximum diversified demand from the previous day. The techniques were validated through simulations in EMTP/PSCAD using an expanded IEEE 34 node radial test feeder that included DGs and a secondary distribution level. By decentralizing the control of the zonal boundary breakers, the single point of failure was eliminated in the modified protection approach. The cases studied showed that the modified protection approach allows for selective identification and isolation of the faulted zones. Also, the sensitivity of the substation OC relay was improved by at least 24% by using the pickup settings for the two 12-hour intervals from the smart meter demand measurements compared to the pickup settings computed using the conventional methodology based on the maximum loading of the zone.

Este trabalho propõe uma metodologia baseada em técnicas inteligentes capaz de fornecer uma coordenação otimizada de relés direcionais de sobrecorrente instalados em sistemas de energia elétrica. O problema é modelado como um caso de programação não linear inteira mista, em que os relés permitem ajustes discretizados de múltiplos de tempo e/ou múltiplos de corrente. A solução do problema de otimização correspondente é obtida através de uma metaheurística nomeada como Discrete Particle Swarm Optimization. Na literatura técnico-científica esse problema geralmente é linearizado e aplicam-se arredondamentos das variáveis discretas. Na metodologia proposta, as variáveis discretas são tratadas adequadamente para utilização na metaheurística e são apresentados os resultados que foram comparados com os obtidos pelo modelo clássico de otimização implementado no General Algebraic Modeling System (GAMS). Tendo em vista os aspectos observados, o método permite ao engenheiro de proteção ter um subsídio adicional na tarefa da coordenação dos relés direcionais de sobrecorrente, disponibilizando uma técnica eficaz e de fácil aplicabilidade ao sistema elétrico a ser protegido, independentemente da topologia e condição operacional. / This work proposes a methodology that based on intelligent technique to obtain an optimized coordination of directional overcurrent relays in electric power systems. The problem is modeled as a mixed integer nonlinear problem, because the relays allows a discrete setting of time and/or current multipliers. The solution of the proposed optimization problem is obtained from the proposed metaheuristic named as Discrete Particle Swarm Optimization. In scientific and technical literature this problem is usually linearized and discrete variables are rounded off. In the proposed method, the discrete variables are modeled adequately in the metaheuristic and the results are compared to the classical optimization solvers implemented in General Algebraic Modeling System (GAMS). The method provides an important method for helping the engineers in to coordinate directional overcurrent relays in a very optimized way. It has high potential for the application to realistic systems, regardless of topology and operating condition.

Este trabalho propõe uma metodologia baseada em técnicas inteligentes capaz de fornecer uma coordenação otimizada de relés direcionais de sobrecorrente instalados em sistemas de energia elétrica. O problema é modelado como um caso de programação não linear inteira mista, em que os relés permitem ajustes discretizados de múltiplos de tempo e/ou múltiplos de corrente. A solução do problema de otimização correspondente é obtida através de uma metaheurística nomeada como Discrete Particle Swarm Optimization. Na literatura técnico-científica esse problema geralmente é linearizado e aplicam-se arredondamentos das variáveis discretas. Na metodologia proposta, as variáveis discretas são tratadas adequadamente para utilização na metaheurística e são apresentados os resultados que foram comparados com os obtidos pelo modelo clássico de otimização implementado no General Algebraic Modeling System (GAMS). Tendo em vista os aspectos observados, o método permite ao engenheiro de proteção ter um subsídio adicional na tarefa da coordenação dos relés direcionais de sobrecorrente, disponibilizando uma técnica eficaz e de fácil aplicabilidade ao sistema elétrico a ser protegido, independentemente da topologia e condição operacional. / This work proposes a methodology that based on intelligent technique to obtain an optimized coordination of directional overcurrent relays in electric power systems. The problem is modeled as a mixed integer nonlinear problem, because the relays allows a discrete setting of time and/or current multipliers. The solution of the proposed optimization problem is obtained from the proposed metaheuristic named as Discrete Particle Swarm Optimization. In scientific and technical literature this problem is usually linearized and discrete variables are rounded off. In the proposed method, the discrete variables are modeled adequately in the metaheuristic and the results are compared to the classical optimization solvers implemented in General Algebraic Modeling System (GAMS). The method provides an important method for helping the engineers in to coordinate directional overcurrent relays in a very optimized way. It has high potential for the application to realistic systems, regardless of topology and operating condition.

Submitted by Miriam Lucas (miriam.lucas@unioeste.br) on 2017-09-04T13:07:47Z No. of bitstreams: 2 Marcos_Tragueta_2017.pdf: 1953593 bytes, checksum: c89f1ba57bb6b1ba944410013aebbde7 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-04T13:07:47Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Marcos_Tragueta_2017.pdf: 1953593 bytes, checksum: c89f1ba57bb6b1ba944410013aebbde7 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-05-05 / The insertion of distributed power sources of low power presents new challenges in the planning and operation of distribution systems. The coordination of the protection system is a challenge which modifies as the insertion of the distributed generation grows at any point in any system. In order to verify how the coordination is altered different indicators have been proposed in literature, seeking to express numerically the effect of this insertion on the pair of relays of a coordinated protection system. The Protection Coordination Index (PCI) and the Protection Miscoordination Index (PMI) are shown as valid indicators for this analysis. The purpose of this paper is to apply these quantifiers in the protection schemes of distribution lines of radial and grid systems that use Inverse Time Overcurrent Relays. By applying these indicators, it will be possible to judge if they will provide enough information to analyze the impact of GD insertion in the SDEE, otherwise, identify if there will be limitations which can be remedied by proposing new indicators. The new indicators proposed in this paper seek to cover the limitations observed, without necessarily using the same information. To achieve this goal, distributed generators will be connected at different points in the network, and its generation capacity will be changed in an increasing way; where for each insertion value and at each point of the system, the Coordination Time Intervals (CTI) between consecutive pairs of relays will be verified, and from these values, the quantitative indicators of the impact of the GD will be calculated. For this, a distribution grid system was modeled with a purpose of obtain the required quantities in the scaling of CT1s and relays, thus obtaining a selective coordinate operation, where for each primary relay there will be an extra relay, forming a protective pair. Next two protective systems were adjusted: one considering one-way relays and another, twoway relays. Finally, for the protection systems dimensioned and coordinated, the indexes found in the literature and the proposed indexes were calculated and compared to the same pair of relays, considering the same GD insertion value at different points of the system. Every indicator were valid to the quantification of the GD insertion impact in the protection schemes applied to SDEE, where IDP indicates a percentage of faults that will cause miscoordination, IDPP indicates the percentage of pairs of relays that will be miscoordinate for each fault, ICP shows wether the ITC variation will occur slowly or rapidly, where the faster variation will result in miscoordination rather than the slower one and ITC (%) imposes a restriction on ITC reduction indicating whether the insertion value will miscoordinate the pairs of relays analyzed through numerical values. / A inserção de fontes de energia distribuídas de baixa potência apresenta novos retos no planejamento e operação de sistemas de distribuição. Um reto é a coordenação do sistema de proteção que se altera a medida que a inserção de Geração Distribuída (GD) cresce em qualquer ponto de qualquer sistema. Para verificar como a coordenação é alterada, tem sido proposto, na literatura, diferentes indicadores que visam expressar numericamente qual é o efeito desta inserção nos pares de relés de um sistema de proteção coordenado. O Protection Coordination Index (PCI) e o Protection Miscoordination Index (PMI), se mostram como indicativos válidos para esta análise. O objetivo deste trabalho é aplicar estes quantificadores nos esquemas de proteção de linhas de distribuição de sistemas radiais e malhados que utilizem Relés de Sobrecorrente Direcionais de Tempo Inverso. Pela aplicação destes indicadores foi possível julgar se as informações obtidas são suficientes para a análise do impacto da inserção de GD nos SDEE, identificando o surgimento de limitações, sanadas pela proposição de novos indicadores. Para alcançar este objetivo, geradores distribuídos foram conectados em diferentes pontos da rede, e sua capacidade de geração foi alterada de forma crescente; onde para cada valor de inserção e em cada ponto do sistema, foram verificados os Intervalos de Tempo de Coordenação (ITC) entre pares de relés consecutivos, e a partir destes valores, os indicadores quantitativos do impacto da inserção de GD, calculados. Para isso, foi modelado um sistema de distribuição malhado, visando a obtenção das grandezas requeridas no dimensionamento dos TC's e relés, obtendo assim uma operação coordenada seletiva, onde para cada relé primário há pelo menos um de retaguarda, formando pares protetores. Em seguida dois sistemas de proteção foram ajustados: um considerando relés unidirecionais e outro, relés bidirecionais. Finalmente, para os sistemas de proteção dimensionados e coordenados, os índices encontrados na literatura e os índices propostos foram calculados e comparados para um mesmo par de relés, considerando um mesmo valor de inserção de GD em diferentes pontos do sistema. Todos os indicadores se mostraram válidos para a quantificação do impacto da inserção de GD nos esquemas de proteção aplicados a SDEE, onde IDP indica a porcentagem de faltas que irá ocasionar descoordenação, IDPP indica a porcentagem de pares de relés que irá se descoordenar para cada falta, ICP mostra se a variação de ITC ocorrerá de forma lenta ou rápida, onde a variação mais veloz resultará antes em descoordenação em relação à mais lenta e ITC (%) impõe uma restrição à redução de ITC indicando se o valor de inserção irá descoordenar os pares de relés analisados, através de valores numéricos.