O protocolo International Electrotechnical Commission (IEC)-61850 tornou possível integrar os equipamentos das subestações de energia elétrica, através de uma rede de comunicação de dados Ethernet de alta velocidade. A utilização deste protocolo tem como objetivo principal a interligação dos Intelligent Electronic Devices (IEDs) para a automatização dos processos no sistema elétrico. As contribuições deste protocolo para a integração do controle e supervisão do sistema elétrico são diversas, porém, o fato de utilizar uma rede de comunicação de dados Ethernet integrada expõe o sistema elétrico à ataques cibernéticos. A norma IEC-62351 estabelece uma série de recomendações para prover segurança à rede de comunicação do sistema elétrico, dentre elas, o gerenciamento da rede de comunicação, a análise dos campos da mensagem Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e a utilização de sistemas de detecção de intrusão. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um Intrusion Detection System (IDS) que atende os requisitos de segurança propostos pelo protocolo IEC-62351, para a identificação de ataques à comunicação realizada por mensagens GOOSE do protocolo IEC-61850, e entre equipamentos do sistema elétrico. Para o desenvolvimento desta aplicação, foram identificados os campos que compõem as mensagens GOOSE, de forma a reconhecer os valores esperados em diferentes situações de operação do sistema elétrico. Determinaram-se padrões de comportamento a serem utilizados para discernir mensagens falsas na rede de comunicação. Instalou-se e configurou-se um sistema operacional de tempo real embarcado na plataforma de desenvolvimento Zynq Board (ZYBO), juntamente com o controlador Open-Mul, para gerenciar a rede de comunicação da subestação, através do protocolo OpenFlow, realizando otimizações para o tráfego multicast. Foi desenvolvido um sistema de detecção e bloqueio de mensagens GOOSE falsas que utiliza o protocolo OpenFlow para controle da rede de comunicação do Sistema Elétrico. Desenvolveu-se ainda um sistema inteligente, utilizando-se uma Rede Neural Artificial (RNA) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX), para predição do tráfego realizado por mensagens GOOSE e detecção de ataques Distributed Deny of Service (DDOS). Os resultados obtidos demonstraram que o protocolo OpenFlow pode ser uma ferramenta interessante para controle da rede, porém, os fabricantes necessitam amadurecer sua implementação nos switches, para que sejam utilizados em produção nas redes de comunicação das subestações. O sistema de predição do tráfego gerado por mensagens GOOSE apresentou benefícios interessantes para a segurança da rede de comunicação, demonstrando potencial para compor um sistema de detecção de ataques DDOS realizado por mensagens GOOSE, na rede de comunicação das subestações de energia elétrica. / The IEC-61850 made it possible to integrate equipments of electric power system substations to a high-speed Ethernet data communication network. Its main goal is the interconnection of IEDs for the automation of processes in an electrical system. The contributions of this protocol for the integration of the control and supervision of the electrical system are diverse, although an Ethernet network exposes the electrical system for cyber attacks. The IEC-62351 states a series of recommendations to provide security to the communication network of the electrical system, such as the communication network management, the analysis of GOOSE messages and the use of intrusion detection systems. This study describes the development of an IDS that meets the security requirements proposed by the IEC-62351 standard to identify attacks on communication between GOOSE messages exchanged by electrical equipment using IEC-61850. For the development of this application, fields of the GOOSE messages were identified, in order to recognize the expected values in different power system operating conditions. Behaviour patterns were determined to detect false messages on the communication network. A real-time embedded operating system on ZYBO was installed and configured, as well as the OpenMul controller to manage the communication network of the substation through the OpenFlow protocol, performing optimizations for multicast traffic. A detection system and block tamper GOOSE messages, using the OpenFlow protocol for control of the electrical system communication network, were developed. In addition, an intelligent system using an Artificial Neural Network (ANN) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX) for predicting of the GOOSE messages traffic and the detection of Distributed Deny of Service attack (DDOS) were also developed. The results obtained show that the OpenFlow protocol may be a valuable tool for network control, however, manufacturers should maturely carry on with its implementation in the switches, so that it be used in substation communication networks. The traffic prediction system of the GOOSE messages presented interesting benefits for the security of the communication network, demonstrating potential to built a DDOS attack detection system performed by GOOSE messages on the communication network of electric power substations.

A presença de distúrbios na energia elétrica fornecida aos consumidores pode causar a diminuição no tempo de vida útil dos equipamentos, mal funcionamento ou até mesmo sua perda. Desse modo, ferramentas capazes de realizar a detecção, localização, classificação, compressão e o armazenamento de sinais de forma automática e organizada são essenciais para garantir um processo de monitoramento adequado ao sistema elétrico de potência como um todo. Dentre as ferramentas comumente aplicadas às tarefas supramencionadas, pode-se destacar a Transformada Wavelet (TW) e as Redes Neurais Artificiais (RNAs). Contudo, ainda não foi estabelecida uma metodologia para obtenção e validação da TW e seu nível de decomposição, bem como da arquitetura e da topologia de RNAs mais apropriadas às tarefas supracitadas. O principal fato que levou a esta constatação deve-se à análise da literatura correlata, onde é possível notar o uso de distintas TW e RNAs. Neste contexto, a primeira contribuição desta pesquisa foi o projeto e desenvolvimento de um método eficiente de segmentação de sinais com distúrbios associados à Qualidade da Energia Elétrica (QEE). O método desenvolvido se beneficia das propriedades da TW de identificação temporal de descontinuidades em sinais. A segunda contribuição é o desenvolvimento de um algoritmo automático que, por meio do método de segmentação desenvolvido e de classificação por RNAs, indique as melhores ferramentas (Wavelets e RNAs) para as tarefas de segmentação, extração de características e classificação de distúrbios de QEE. Esse algoritmo foi desenvolvido com base nos recursos dos Algoritmos Evolutivos (AEs) e adotou RNAs do tipo Perceptron Multicamadas, pois, esta arquitetura pode ser considerada consagrada no que se refere à classificação de padrões. Por fim, a terceira contribuição é relativa ao desenvolvimento de um procedimentos baseados em AEs, a fim de se aprimorar métodos de compressão de dados que preservem as informações relevantes nos sinais de QEE. Assim, é importante mencionar que os resultados dessa pesquisa poderão determinar mecanismos automáticos a serem utilizados no processo de registro, tratamento e armazenamento de informações que serão importantes para se manter um banco de dados (histórico) atualizado nas concessionárias de energia, a partir do qual, índices e um melhor mapeamento e entendimento de todos os distúrbios relacionados à QEE poderão ser melhor entendidos e solucionados. / The presence of disturbances in the electrical power supplied to consumers can decrease the lifetime of the equipment, cause malfunction or even their breakdown. Thus, tools able to perform detection, localization, classification, compression and storage of signals automatically and organized manner are essential to ensure adequate monitoring process to electric power systems as a whole. Among the tools commonly applied to the tasks mentioned above, one can highlight the Wavelet Transform (WT) and Artificial Neural Networks (ANN). However, the WT has not been established yet and nor its level of decomposition, as well as the most appropriate ANN architecture and topology to the tasks already mentioned. The main fact that has led to this finding is due to the review of related literature, where it is possible to note the use of distinct WT and ANN. Therefore, the first contribution of this research was the design and development of an efficient method of segmentation of signals associate to Power Quality (PQ) disturbances. The developed method take advantage of WT properties of temporal identification of signal discontinuities. The second contribution is the development of an automatic algorithm that, through the segmentation method developed and classification by ANN, indicates the best tools (Wavelets and ANN) for the tasks of segmentation, extraction of characteristics and classification of QEE disturbances. This algorithm was developed based on the resources of the Evolutionary Algorithms and it adopts Multi-layered Perceptron type ANN, once this architecture can be considered consecrated with regard to the pattenrs classification. Finally, the third contribution is related to the development of EA based procedures in order to improve data compression methods that preserve the relevant information in the PQ signals. Thus, it is important to mention that the results of this research may determine automatic mechanisms to be used in the process of recording, processing and storing information that will be important in order to maintain an up-to-date (historical) database in the utilities, from which , indexes and a better mapping and understanding of all PQ related disturbances can be better understood and solved.

Submitted by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2013-02-14T15:22:56Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_InvestigacaoExperimentalEstrategias.pdf: 9412323 bytes, checksum: 50583a37f03cba4a2d9ea1e386b33b19 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-02-14T16:50:29Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_InvestigacaoExperimentalEstrategias.pdf: 9412323 bytes, checksum: 50583a37f03cba4a2d9ea1e386b33b19 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-02-14T16:50:29Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_InvestigacaoExperimentalEstrategias.pdf: 9412323 bytes, checksum: 50583a37f03cba4a2d9ea1e386b33b19 (MD5) Previous issue date: 2012-06-29 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta tese e realizada a investigação experimental de uma estratégia de controle LPV (do inglês, linear parameter varying) aplicada ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potencia. O estudo foi realizado em um modelo de sistema de potencia em escala reduzida de 10kVA, cuja configuração e do tipo maquina interligada a uma barra infinita, alem de testes em campo em uma unidade geradora de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruvi. Primeiramente, foi desenvolvido e testado computacionalmente um conjunto de rotinas para analise e síntese de controlador amortecedor do tipo LPV, bem como para identificação de modelos LPV da planta. Os coeficientes do controlador amortecedor LPV, no caso um Estabilizador de Sistemas de Potencia (ESP), dependem do valor de uma variável de operação selecionada que, neste estudo, foram as potencias ativa (P) e reativa (Q) nos terminais da unidade geradora. Para fins de projeto, a dinâmica da planta foi representada através de um modelo ARX LPV, o qual foi estimado a partir de dados coletados experimentalmente na planta, para uma ampla faixa de condições operacionais. A partir do modelo LPV da planta, os valores dos parâmetros do ESP LPV foram determinados via um problema de otimização convexa, na forma de uma LMI parametrizada (PLMI). A solução da PLMI e obtida a partir de uma relaxação via decomposição em soma de quadrados. O ESP LPV foi projetado de modo a garantir a estabilidade e o desempenho do sistema para uma ampla faixa de condições operacionais da planta, o que geralmente não e possível de obter com controladores convencionais a parâmetros fixos. A lei de controle amortecedor do ESP LPV foi implementada em um sistema embarcado baseado em um controlador digital de sinais. Os resultados experimentais mostraram um excelente desempenho do ESP LPV no amortecimento de oscilações eletromecânicas, tanto no sistema de potencia em escala reduzida, quanto em uma unidade geradora da UHE de Tucurui. / In this thesis is performed an experimental investigation of the performance of a LPV (linear parameter varying) control strategy applied to damp electromechanical oscillations in electric power systems. The study was performed in a 10kVA electric power system, which is configured as a single machine connected to an infinite bus. Furthermore, were also performed field tests on a generating unit of Tucurui Hydroelectric Power Plant. Firstly, a set of routines for the analysis and synthesis of LPV damping controllers were developed and tested computationally, along with routines for the identification of LPV models of the plant. The coefficients of the LPV damping controller, in this case a power system stabilizer (PSS), depends on the value of a variable representative of the system operating condition (scheduling parameter), which in this study, were the terminal active power (P) and reactive power (Q) of the generating unit. For control ends, the dynamics of the plant was represented by an ARX LPV model, which was estimated from experimental data collected in the plant for a wide range of operating conditions. From the LPV model of the plant, the values of the parameters of the LPV controller were determined via an optimization problem, in the form of a parameterized LMI (PLMI). The solution of PLMI is obtained from a relaxation via sum-of-squares decomposition. The LPV PSS was designed to ensure stability and performance for a wide range of operating conditions of the plant, which is generally not possible to obtain with conventional fixed parameter controllers. The LPV PSS control law was implemented in an embedded system based on a digital signal controller. The experimental results showed an excellent performance of the LPV PSS on the damping of the electromechanical oscillations both in the 10kVA electric microgenerator system, and in the Tucurui generating unit.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2013-04-24T22:22:44Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ComparacaoAlgoritmosC45.pdf: 6478832 bytes, checksum: 5b133794170fc1dbb66f65dbedb6dd9c (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-04-29T15:43:06Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ComparacaoAlgoritmosC45.pdf: 6478832 bytes, checksum: 5b133794170fc1dbb66f65dbedb6dd9c (MD5) / Made available in DSpace on 2013-04-29T15:43:06Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ComparacaoAlgoritmosC45.pdf: 6478832 bytes, checksum: 5b133794170fc1dbb66f65dbedb6dd9c (MD5) Previous issue date: 2013 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esse trabalho compara os algoritmos C4.5 e MLP (do inglês “Multilayer Perceptron”) aplicados a avaliação de segurança dinâmica ou (DSA, do inglês “Dynamic Security Assessment”) e em projetos de controle preventivo, com foco na estabilidade transitória de sistemas elétricos de potência (SEPs). O C4.5 é um dos algoritmos da árvore de decisão ou (DT, do inglês “Decision Tree”) e a MLP é um dos membros da família das redes neurais artificiais (RNA). Ambos os algoritmos fornecem soluções para o problema da DSA em tempo real, identificando rapidamente quando um SEP está sujeito a uma perturbação crítica (curto-circuito, por exemplo) que pode levar para a instabilidade transitória. Além disso, o conhecimento obtido de ambas as técnicas, na forma de regras, pode ser utilizado em projetos de controle preventivo para restaurar a segurança do SEP contra perturbações críticas. Baseado na formação de base de dados com exaustivas simulações no domínio do tempo, algumas perturbações críticas específicas são tomadas como exemplo para comparar os algoritmos C4.5 e MLP empregadas a DSA e ao auxílio de ações preventivas. O estudo comparativo é testado no sistema elétrico “New England”. Nos estudos de caso, a base de dados é gerada por meio do programa PSTv3 (“Power System Toolbox”). As DTs e as RNAs são treinada e testadas usando o programa Rapidminer. Os resultados obtidos demonstram que os algoritmos C4.5 e MLP são promissores nas aplicações de DSA e em projetos de controle preventivo. / This work compares the C4.5 and multilayer perceptron (MLP) algorithms applied for dynamic security assessment (DSA) and power system stability transient preventive control design. C4.5 is an algorithm of the decision tree (DT) technique and the MLP is a member of artificial neural network (ANNs) family. The advent of DTs and ANNs provides solution to real-time DSA issues in order to identify quickly when a power system is subjected to a critical disturbance (short-circuit) that may lead to transient instability. In addition, the knowledge obtained by both techniques can be utilized in the preventive control design to restore the power system security against critical disturbances. Based on the data base generation with exhaustive time-domain simulations, some specific critical disturbances are taken as examples to compare the C4.5 and MLP algorithms employed to DSA and guideline to preventive actions. The comparative study is tested on the New England power system. In the case studies, the knowledge database is generated by using PSTv3 (Power System Toolbox) software. The DTs and ANNs are trained and tested by the Rapidminer software. The obtained results have demonstrated a promising application of the C4.5 and MLP algorithms used in power system DSA and preventive control design.

Submitted by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2011-03-30T16:23:46Z No. of bitstreams: 2 ROCHA, Claúdio Alex Jorge daPPGEngenhara Elétrica tese.pdf: 1672175 bytes, checksum: 8c818fe77f66c2ba2126a0888e1abe85 (MD5) license_rdf: 22876 bytes, checksum: 0a4e855daae7a181424315bc63e71991 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-03-30T16:23:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 ROCHA, Claúdio Alex Jorge daPPGEngenhara Elétrica tese.pdf: 1672175 bytes, checksum: 8c818fe77f66c2ba2126a0888e1abe85 (MD5) license_rdf: 22876 bytes, checksum: 0a4e855daae7a181424315bc63e71991 (MD5) Previous issue date: 2009 / A investigação de métodos, técnicas e ferramentas que possam apoiar os processos decisórios em sistemas elétricos de potência, em seus vários setores, é um tema que tem despertado grande interesse. Esse suporte à decisão pode ser efetivado mediante o emprego de vários tipos de técnicas, com destaque para aquelas baseadas em inteligência computacional, face à grande aderência das mesmas a domínios com incerteza. Nesta tese, são utilizadas as redes Bayesianas para a extração de modelos de conhecimento a partir dos dados oriundos de sistemas elétricos de potência. Além disso, em virtude das demandas destes sistemas e de algumas limitações impostas às inferências em redes bayesianas, é desenvolvido um método original, utilizando algoritmos genéticos, capaz de estender o poder de compreensibilidade dos padrões descobertos por essas redes, por meio de um conjunto de procedimentos de inferência em redes bayesianas para a descoberta de cenários que propiciem a obtenção de um valor meta, considerando a incorporação do conhecimento a priori do especialista, a identificação das variáveis mais influentes para obtenção desses cenários e a busca de cenários ótimos que estabeleçam valores, definidos e ponderados pelo usuário/especialista, para mais de uma variável meta. / The study of methods, techniques and tools that can aid the decision processes in power systems, in its many sections, is a subject of great interest. This decision support can be accomplished through many different techniques, particularly those based on computational intelligence, given their applicability on domains with uncertainty. In this proposal, Bayesian networks are used for the extraction of knowledge models from the available data on power systems. Moreover, given the demands of these systems and some limitations imposed to the inferences in Bayesian networks, a method is proposed, using genetic algorithms, capable of extending the power of comprehensibility of the patterns discovered; it aims at finding the optimal scenario in order to attain a given target, considering the incorporation of a priori knowledge from domain specialists, identifying the most influent variables in the domain for the maximization of the target variable.

A presença de distúrbios na energia elétrica fornecida aos consumidores pode causar a diminuição no tempo de vida útil dos equipamentos, mal funcionamento ou até mesmo sua perda. Desse modo, ferramentas capazes de realizar a detecção, localização, classificação, compressão e o armazenamento de sinais de forma automática e organizada são essenciais para garantir um processo de monitoramento adequado ao sistema elétrico de potência como um todo. Dentre as ferramentas comumente aplicadas às tarefas supramencionadas, pode-se destacar a Transformada Wavelet (TW) e as Redes Neurais Artificiais (RNAs). Contudo, ainda não foi estabelecida uma metodologia para obtenção e validação da TW e seu nível de decomposição, bem como da arquitetura e da topologia de RNAs mais apropriadas às tarefas supracitadas. O principal fato que levou a esta constatação deve-se à análise da literatura correlata, onde é possível notar o uso de distintas TW e RNAs. Neste contexto, a primeira contribuição desta pesquisa foi o projeto e desenvolvimento de um método eficiente de segmentação de sinais com distúrbios associados à Qualidade da Energia Elétrica (QEE). O método desenvolvido se beneficia das propriedades da TW de identificação temporal de descontinuidades em sinais. A segunda contribuição é o desenvolvimento de um algoritmo automático que, por meio do método de segmentação desenvolvido e de classificação por RNAs, indique as melhores ferramentas (Wavelets e RNAs) para as tarefas de segmentação, extração de características e classificação de distúrbios de QEE. Esse algoritmo foi desenvolvido com base nos recursos dos Algoritmos Evolutivos (AEs) e adotou RNAs do tipo Perceptron Multicamadas, pois, esta arquitetura pode ser considerada consagrada no que se refere à classificação de padrões. Por fim, a terceira contribuição é relativa ao desenvolvimento de um procedimentos baseados em AEs, a fim de se aprimorar métodos de compressão de dados que preservem as informações relevantes nos sinais de QEE. Assim, é importante mencionar que os resultados dessa pesquisa poderão determinar mecanismos automáticos a serem utilizados no processo de registro, tratamento e armazenamento de informações que serão importantes para se manter um banco de dados (histórico) atualizado nas concessionárias de energia, a partir do qual, índices e um melhor mapeamento e entendimento de todos os distúrbios relacionados à QEE poderão ser melhor entendidos e solucionados. / The presence of disturbances in the electrical power supplied to consumers can decrease the lifetime of the equipment, cause malfunction or even their breakdown. Thus, tools able to perform detection, localization, classification, compression and storage of signals automatically and organized manner are essential to ensure adequate monitoring process to electric power systems as a whole. Among the tools commonly applied to the tasks mentioned above, one can highlight the Wavelet Transform (WT) and Artificial Neural Networks (ANN). However, the WT has not been established yet and nor its level of decomposition, as well as the most appropriate ANN architecture and topology to the tasks already mentioned. The main fact that has led to this finding is due to the review of related literature, where it is possible to note the use of distinct WT and ANN. Therefore, the first contribution of this research was the design and development of an efficient method of segmentation of signals associate to Power Quality (PQ) disturbances. The developed method take advantage of WT properties of temporal identification of signal discontinuities. The second contribution is the development of an automatic algorithm that, through the segmentation method developed and classification by ANN, indicates the best tools (Wavelets and ANN) for the tasks of segmentation, extraction of characteristics and classification of QEE disturbances. This algorithm was developed based on the resources of the Evolutionary Algorithms and it adopts Multi-layered Perceptron type ANN, once this architecture can be considered consecrated with regard to the pattenrs classification. Finally, the third contribution is related to the development of EA based procedures in order to improve data compression methods that preserve the relevant information in the PQ signals. Thus, it is important to mention that the results of this research may determine automatic mechanisms to be used in the process of recording, processing and storing information that will be important in order to maintain an up-to-date (historical) database in the utilities, from which , indexes and a better mapping and understanding of all PQ related disturbances can be better understood and solved.

O protocolo International Electrotechnical Commission (IEC)-61850 tornou possível integrar os equipamentos das subestações de energia elétrica, através de uma rede de comunicação de dados Ethernet de alta velocidade. A utilização deste protocolo tem como objetivo principal a interligação dos Intelligent Electronic Devices (IEDs) para a automatização dos processos no sistema elétrico. As contribuições deste protocolo para a integração do controle e supervisão do sistema elétrico são diversas, porém, o fato de utilizar uma rede de comunicação de dados Ethernet integrada expõe o sistema elétrico à ataques cibernéticos. A norma IEC-62351 estabelece uma série de recomendações para prover segurança à rede de comunicação do sistema elétrico, dentre elas, o gerenciamento da rede de comunicação, a análise dos campos da mensagem Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e a utilização de sistemas de detecção de intrusão. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um Intrusion Detection System (IDS) que atende os requisitos de segurança propostos pelo protocolo IEC-62351, para a identificação de ataques à comunicação realizada por mensagens GOOSE do protocolo IEC-61850, e entre equipamentos do sistema elétrico. Para o desenvolvimento desta aplicação, foram identificados os campos que compõem as mensagens GOOSE, de forma a reconhecer os valores esperados em diferentes situações de operação do sistema elétrico. Determinaram-se padrões de comportamento a serem utilizados para discernir mensagens falsas na rede de comunicação. Instalou-se e configurou-se um sistema operacional de tempo real embarcado na plataforma de desenvolvimento Zynq Board (ZYBO), juntamente com o controlador Open-Mul, para gerenciar a rede de comunicação da subestação, através do protocolo OpenFlow, realizando otimizações para o tráfego multicast. Foi desenvolvido um sistema de detecção e bloqueio de mensagens GOOSE falsas que utiliza o protocolo OpenFlow para controle da rede de comunicação do Sistema Elétrico. Desenvolveu-se ainda um sistema inteligente, utilizando-se uma Rede Neural Artificial (RNA) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX), para predição do tráfego realizado por mensagens GOOSE e detecção de ataques Distributed Deny of Service (DDOS). Os resultados obtidos demonstraram que o protocolo OpenFlow pode ser uma ferramenta interessante para controle da rede, porém, os fabricantes necessitam amadurecer sua implementação nos switches, para que sejam utilizados em produção nas redes de comunicação das subestações. O sistema de predição do tráfego gerado por mensagens GOOSE apresentou benefícios interessantes para a segurança da rede de comunicação, demonstrando potencial para compor um sistema de detecção de ataques DDOS realizado por mensagens GOOSE, na rede de comunicação das subestações de energia elétrica. / The IEC-61850 made it possible to integrate equipments of electric power system substations to a high-speed Ethernet data communication network. Its main goal is the interconnection of IEDs for the automation of processes in an electrical system. The contributions of this protocol for the integration of the control and supervision of the electrical system are diverse, although an Ethernet network exposes the electrical system for cyber attacks. The IEC-62351 states a series of recommendations to provide security to the communication network of the electrical system, such as the communication network management, the analysis of GOOSE messages and the use of intrusion detection systems. This study describes the development of an IDS that meets the security requirements proposed by the IEC-62351 standard to identify attacks on communication between GOOSE messages exchanged by electrical equipment using IEC-61850. For the development of this application, fields of the GOOSE messages were identified, in order to recognize the expected values in different power system operating conditions. Behaviour patterns were determined to detect false messages on the communication network. A real-time embedded operating system on ZYBO was installed and configured, as well as the OpenMul controller to manage the communication network of the substation through the OpenFlow protocol, performing optimizations for multicast traffic. A detection system and block tamper GOOSE messages, using the OpenFlow protocol for control of the electrical system communication network, were developed. In addition, an intelligent system using an Artificial Neural Network (ANN) Nonlinear Autoregressive Model with Exogenous Input (NARX) for predicting of the GOOSE messages traffic and the detection of Distributed Deny of Service attack (DDOS) were also developed. The results obtained show that the OpenFlow protocol may be a valuable tool for network control, however, manufacturers should maturely carry on with its implementation in the switches, so that it be used in substation communication networks. The traffic prediction system of the GOOSE messages presented interesting benefits for the security of the communication network, demonstrating potential to built a DDOS attack detection system performed by GOOSE messages on the communication network of electric power substations.

Diante da crescente penetração da energia elétrica gerada por unidades eólicas no sistema elétrico de inúmeros países, a presente dissertação de mestrado investiga os problemas de estabilidade transitória, para geradores síncronos, de estabilidade de tensão, para geradores síncronos e aerogeradores e de estabilidade de velocidade, para aerogeradores, em sistemas de transmissão de energia elétrica, frente a grandes perturbações. São estabelecidas comparações entre os diferentes comportamentos dinâmicos de cada tipo de unidade eólica, referentes aos tipos A, B, C e D. Também, são verificados os efeitos de contingências aplicadas a sistemas teste, na presença de sistemas de geração convencionais dotados de geradores síncronos e parques eólicos compostos pelos tipos de unidades eólicas citadas, a fim de verificar a relação entre os diferentes sistemas de geração. As simulações realizadas contemplam aspectos dinâmicos de modelos genéricos de aerogeradores. São estudadas as partes constituintes de aerogeradores, realizadas as modelagens e discutidos os métodos de controle usuais. As principais características dos modelos genéricos de unidades eólicas, assim como os respectivos diagramas de bloco para cada modelo são apresentados. As simulações são realizadas no programa computacional PSS/E, cujos modelos, já validados, representam aerogeradores reais de fabricantes distintos. É observado que as diferentes características dos modelos de unidades eólicas e as estratégias de controle empregadas para atenuar os efeitos negativos de contingências impostas ao sistema, influenciam significativamente o perfil da tensão e o fluxo de potência na rede elétrica. Este fato é refletido em diferentes respostas dos sistemas de geração. As unidades eólicas mostram-se resistentes à perderem a estabilidade e apresentam-se capazes de estabilizar um sistema elétrico de potência, devido aos mecanismos de controle de velocidade e potência dos mesmos. A violação da curva LVRT mostra-se a principal causa da desconexão de aerogeradores da rede elétrica. Verifica-se neste trabalho que os aerogeradores somente tornam-se instáveis quando os geradores síncronos perdem o sincronismo, ou quando o controle do torque aerodinâmico é desconsiderado. / Considering the growing penetration of electrical energy generated by wind turbines in the power system of numerous countries, the present masters dissertation investigates the problems of transient stability, for synchronous generators, voltage stability, for synchronous generators and aerogenerators, and velocity stability, for aerogenerators, in transmission systems, before large disturbances. Comparisons are made between the different dynamic behaviors of each type of wind energy conversion system, namely types A, B, C and D. The effects of contingencies in some test systems in the presence of wind farms with different types of aerogenerators and conventional synchronous generators are verified, whose aim of the simulations is to analyze the relation between the different generation systems. The simulations performed contemplate dynamic aspects of generic models of wind turbines. The components of wind turbines are studied, the modeling of these components is elaborated and the usual control methods are discussed. The main characteristics of generic wind models and the diagram blocks are presented. The simulations were performed in software PSS/E, whose models already validated, represent real machines. The different characteristics of aerogenerator models and the control strategies employed to mitigate the negative consequences, from several contingencies, significantly influence the voltage profile and the power flow network. This fact implies in different responses of generation systems. It is verified that wind generators are very robust to perturbations and contribute to the stabilization of synchronous generators in a power system, increasing the average critical clearing times. Unstable modes related to the acceleration of the wind generator rotor are hardly ever observed due to the existing mechanisms of control of speed and generated power. It is observed that violation of the LVRT curve is the main cause of disconnection of wind turbines from the grid and it consists of the main cause of power system collapse triggered by problems in this type of generators.

Este trabalho apresenta um conjunto de métodos para a proteção e o monitoramento de transformadores de potência baseado em sistemas inteligentes e na aplicação das transformadas de Clarke e Wavelet. A abordagem inteligente utilizada permite analisar a condição operativa dos transformadores de potência e detectar a ocorrência de defeito interno, distinguindo-a de outras situações de operação, como, a energização, a energização solidária, a saturação dos transformadores de corrente e a sobreexcitação. As tomadas de decisão das técnicas desenvolvidas são realizadas pela lógica fuzzy após o pré-processamento dos sinais de entrada por meio de diversos métodos, os quais variam de acordo com o algoritmo que esta sendo executado. Os algoritmos propostos foram testados por meio de simulações realizadas através do software Alternative Transients Program (ATP). É importante salientar que nas simulações do ATP foram modelados diversos equipamentos que constituem o sistema elétrico de potência, incluindo um gerador síncrono com regulação de velocidade, linhas de transmissão com variação em frequência, transformadores de potência com suas respectivas curvas de saturação, transformadores de potencial e de corrente. Estas modelagens tiveram por objetivo gerar dados das distintas situações de operação para a verificação e análise da metodologia proposta. Os resultados da pesquisa mostram a aplicabilidade dos algoritmos propostos na proteção e no monitoramento dos transformadores de potência, mesmo nas condições mais adversas, como na ocorrência da saturação dos transformadores de corrente, uma vez que os sinais de entrada distorcidos pela saturação são corrigidos por uma rede neural artificial. Os resultados apresentados comparam as respostas obtidas pelas técnicas propostas em relação às saídas de um relé comercial, habilitado à proteção diferencial percentual. / This work presents a set of methods for protecting and monitoring power transformers based on intelligent systems and the application of Clarke and Wavelet transforms. The intelligent approach allowed us to analyze the operating condition of power transformers and it discriminates between an internal fault and different operating conditions, as energization, sympathetic inrush, saturation of current transformers and overexcitation. Decision making is performed by fuzzy logic after the preprocessing of the input signals through various methods, varying according to which algorithm is running. It is important to point out that in the simulations using ATP many different power system equipment had been modeled, including a synchronous generator with speed regulation, transmission lines with variation in frequency, power transformers with their saturation curves, potential transformers and current transformers. The objective of these tests was to generate data for distinct situations for the verification and the analysis of the proposed methodologies. The results of the research show the applicability of the algorithms considered in protection and monitoring of power transformers, even in adverse conditions, such as saturation of current transformers, since the input signals are distorted by CT saturation corrected by artificial neural network. The results are compared to the ones presented by a commercial percentage differential relay.

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