Técnicas para localização de defeitos em sistemas modernos de distribuição de energia elétrica

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Paulo Anderson Holanda Cavalcante

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ao De Defeitos Em Sistemas

Modernos De Distribui¸

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Campinas 2016

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Tese de doutorado apresentada à Faculdade de En-genharia Elétrica e de Computa¸cão da UNICAMP como parte dos requisitos exigidos para a obten¸cão do t´ıtulo de doutor em Engenharia Elétrica. Área de concentra¸cão: Energia Elétrica.

Orientador: Madson Cortes de Almeida

Este exemplar corresponde `a vers˜ao final da tese defendida pelo aluno Paulo Anderson Holanda Cavalcante, e orientada pelo Prof. Dr. Madson Cortes de Almeida

Campinas 2016

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Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura

Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129

Cavalcante, Paulo Anderson Holanda,

1984-C314t CavTécnicas para localização de defeitos em sistemas modernos de distribuição de energia elétrica / Paulo Anderson Holanda Cavalcante. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.

CavOrientador: Madson Cortes de Almeida.

CavTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.

Cav1. Sistema de energia elétrica - Distribuição. 2. Sistemas de energia elétrica - Estimação de estado. 3. Curtos-circuitos. 4. Sistemas de medição. I. Almeida, Madson Cortes de,1973-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Fault location approaches for modern power distribution systems Palavras-chave em inglês:

Electrical power system - Distribution Power Systems - State Estimation Short circuits

Measuring systems

Área de concentração: Energia Elétrica Titulação: Doutor em Engenharia Elétrica Banca examinadora:

Madson Cortes de Almeida [Orientador] Mário Oleskovicz

Carlos Alberto Castro Júnior Fernanda Caseño Trindade Arioli Manoel Firmino de Medeiros Júnior Data de defesa: 21-12-2016

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Candidato: Paulo Anderson Holanda Cavalcante RA: 134167 Data da defesa: 21 de dezembro de 2016

T´ıtulo da tese: ”Técnicas Para Localiza¸cão De Defeitos Em Sistemas Modernos De Distri-bui¸cão de Energia Elétrica”.

Prof. Dr. Madson Cortes de Almeida (Presidente, FEEC/UNICAMP) Prof. Dr. Manoel Firmino de Medeiros J´unior (UFRN)

Prof. Dr. M´ario Oleskovicz (USP/S˜ao Carlos)

Prof. Dr. Carlos Alberto Castro J´unior (FEEC/UNICAMP) Prof. Dra. Fernanda Case˜no Trindade Arioli (FEEC/UNICAMP)

A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comiss˜ao Julgadora, encontra-se no processo de vida acadˆemica do aluno.

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Agrade¸co, `

A Deus, pela vida e fam´ılia.

Ao professor Madson Cˆortes de Almeida pela oportunidade, confian¸ca, incentivo e dedicada orienta¸c˜ao.

`

A minha mãe, Penha; minha irmã, Paula e meus irmãos, Adirson e Addson pela paciência, incentivo e apoio incondicional para que esse projeto fosse concretizado.

`

A Lauren pela paciˆencia, carinho e compreens˜ao pelos momentos que estive ausente.

Aos professores e funcion´arios do DSE que colaboraram de alguma forma para a realiza¸c˜ao desse trabalho.

Aos amigos e colegas do DSE, em especial ao LE 19 e LE 23. `

A Unicamp por fornecer toda estrutura para a realiza¸c˜ao desse projeto de pesquisa de dou-torado.

`

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Entre os principais fatores que deterioram a confiabilidade de sistemas de energia e a qua-lidade da energia elétrica entregue pelas concessionárias, está a ocorrência de faltas. Esses eventos causam distúrbios e desligamentos, temporários e permanentes, não programados na rede elétrica, resultando na eleva¸cão dos custos operacionais das concessionárias. O uso de técnicas de localiza¸cão de faltas em sistemas de energia permite melhorar a confiabilidade da rede e a qualidade da energia elétrica, pois viabiliza o restabelecimento mais rápido do fornecimento de energia, bem como, pode apontar a¸cões capazes de reduzir a ocorrência de defeitos. Nesse contexto, esta tese investiga técnicas para a localiza¸cão de faltas em siste-mas modernos de distribui¸cão de energia elétrica, caracterizados pela presen¸ca de geradores distribu´ıdos e infraestrutura de monitoramento. São apresentadas duas metodologias inédi-tas que permitem usar medi¸cões de módulos de tensões e/ou correntes, bem como medi¸cões fasoriais sincronizadas e não sincronizadas. A primeira metodologia proposta é baseada em conceitos da teoria de cálculo de curto-circuito. Nesta abordagem, as medidas de tensões e/ou correntes são usadas para estimar as varia¸cões das tensões em todas as barras da rede devidas às faltas, a partir das quais são calculados ´ındices ponderados para todas as barras da rede que permitem identificar o local da falta. Esta metodologia possui um mecanismo de refinamento que permite localizar faltas nas barras e nos ramos com boa precisão. A segunda metodologia se baseia em técnicas de estima¸cão de estado e em um método comumente usado na localiza¸cão de faltas em linhas de transmissão. Este método requer as tensões e as cor-rentes em ambos os terminais do ramo sob falta, as quais são obtidas pelos estimadores de estado propostos. Pseudomedidas são propostas para tornar as redes observáveis permitindo a estima¸cão das grandezas necessárias. Na apresenta¸cão desta metodologia admite-se a dis-ponibilidade de oscilografias de tensões e correntes em diversos pontos da rede, a partir das quais são estimados fasores sincronizados. Para a sincroniza¸cão dos fasores é proposto um mecanismo simples baseado nos afundamentos de tensões devidos às faltas. As metodologias foram testadas em um sistema de distribui¸cão real de 13,8 kV com 134 barras. Para tornar as simula¸cões mais realistas, foram propostos mecanismos de inclusão de erros estatisticamente distribu´ıdos nas principais grandezas que afetam o desempenho das metodologias propostas. Assim, simula¸cões estat´ısticas são adotadas na avalia¸cão de ambos os métodos.

Palavras-chave: Localiza¸cão de faltas, sistemas de distribui¸cão, medi¸cão, curto-circuito, esti-ma¸cão de estado.

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Faults are amongst the events that deteriorate the most the power quality and reliability of power systems. These events cause disturbances and unscheduled outages, either tempo-rary and sustained, increasing the operational costs of the electric utilities. The use of fault location approaches in power distribution systems improves reliability and power quality, since it allows faster power supply restoration as well as avoid recurrence of new events. In this way, this work investigates fault location techniques for modern power distribution sys-tems, characterized by the presence of distributed generators and monitoring infrastructure. Two methodologies are presented that allow the use of voltage and/or current magnitude me-asurements, as well as synchronized and non-synchronized phasor measurements. The first proposed methodology is based on short-circuit theory. In this approach, voltage and current measurements are used to calculate the voltage variations in the whole system, from which a weighted index is calculated for all buses of the power distribution system, allowing the fault location. This methodology includes a refinement scheme that allows the determination of the fault location in branches and buses with good accuracy. The second proposed methodo-logy uses state estimation techniques and a method used in transmission lines. This method require voltages and currents at the two terminals of the faulted branch, which are obtained from proposed state estimators. Pseudomeasurements are proposed to make the networks observable, allowing the estimation of the required quantities. In the development of this methodology, it is assumed the presence of non-synchronized oscillographs of voltages and currents in several points of the network, from which synchronized phasors are estimated. For the synchronization of phasors, a simple mechanism based in sags voltage is proposed. The methodologies were tested for a 13.8 kV real distribution system with 134 buses. In order to make the simulations more realistic, it was proposed mechanisms of inclusion of errors statistically distributed in the main variables that affect the performance of the proposed methodologies. Thus, statistics simulations are adopted in the evaluation of both methods. Keywords: Fault location, distribuiton system, measurement, short-circuits, state estimation.

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3.1 Sistema de distribui¸c˜ao real de 134 barras. . . 30

3.2 Sinal de tens˜ao. . . 34

3.3 Tipos de falta. . . 36

3.4 Ilustra¸c˜ao do crit´erio TVE. . . 40

4.1 Algoritmo da metodologia proposta. . . 48

4.2 Sistema de distribui¸c˜ao com aloca¸c˜ao das medidas. . . 54

4.3 Desempenho considerando a varia¸c˜ao da posi¸c˜ao da falta. . . 55

5.1 Sistema exemplo com 5 barras. . . 65

5.2 Sistema de energia simplificado. . . 65

5.3 Algoritmo da metodologia proposta. . . 67

5.4 Ramo r − s sob falta. . . 68

5.5 Sistema simplificado com falta no ramo 1 − 2 . . . 70

5.6 Sistema de distribui¸c˜ao simplificado com plano de medi¸c˜ao S1. . . 75

5.7 Desempenho do método considerando a varia¸cão da posi¸cão da falta. . . 84

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4.1 Desempenho do m´etodo considerando varia¸c˜ao da Rf. . . 56

4.2 Desempenho do m´etodo considerando erros na estimativa das cargas. . . 57

4.3 Medidas pré-falta na barra 134 considerando os três tipos de medi¸cão . . . 58

4.4 Medidas durante a falta na barra 134 considerando os trˆes tipos de medi¸c˜ao . . 58

4.5 Desempenho considerando a mudan¸ca do tipo de medi¸c˜ao . . . 59

4.6 Desempenho do método considerando a imprecisão dos parâmetros dos ramos. 60 4.7 Desempenho do método considerando erros aleatórios nas medidas de módulos. 61 4.8 Desempenho do método considerando erros aleatórios nos fasores. . . 61

5.1 Conjuntos de medi¸c˜ao utilizados. . . 74

5.2 Desempenho considerando a varia¸c˜ao da taxa de amostragem. . . 76

5.3 Desempenho considerando diversos tipos de falta - Plano S1. . . 77

5.4 Desempenho considerando a varia¸c˜ao de Rf - Plano S1. . . 78

5.7 Desempenho considerando a varia¸c˜ao da quantidade de medidas (nmea). . . 79

5.8 Desempenho com erros de medi¸cão de 2% nos módulos e 2◦ _{nos ângulos. . . . 81}

5.9 Desempenho com erros de medi¸c˜ao de 2◦_{, 10% e 2% nos m´odulos. . . 81}

5.10 Desempenho do m´etodo considerando a mudan¸ca do tipo de medi¸c˜ao . . . 82

5.11 Desempenho considerando a imprecis˜ao dos parˆametros dos ramos. . . 83

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1 Introdu¸c˜ao 13

1.1 Organiza¸c˜ao da Tese . . . 16

2 Localiza¸cão de Faltas em Sistemas de Distribui¸cão - Estado da Arte 18 2.1 Técnicas Baseadas em Impedância . . . 18

2.2 T´ecnicas Baseadas em Ondas Viajantes . . . 21

2.3 T´ecnicas Baseadas em Medidas de Tens˜oes . . . 22

2.4 T´ecnicas Baseadas em Medidas de Correntes . . . 23

2.5 T´ecnicas Baseadas no Mapeamento da Zona da Falta . . . 24

2.6 T´ecnicas Baseadas em Conhecimento . . . 25

2.7 Conclus˜oes Parciais . . . 27

3 Contexto para Apresenta¸cão dos Métodos Propostos 28 3.1 Princ´ıpios e Caracter´ısticas dos Sistemas de Distribui¸cão . . . 29

3.2 Tipos de Medidas Consideradas . . . 31

3.2.1 Medi¸c˜oes Fasoriais . . . 31

3.2.2 Medi¸c˜oes Convencionais . . . 32

3.3 Faltas em Sistemas de Distribui¸c˜ao . . . 35

3.4 Fontes de Erros em M´etodos de Localiza¸c˜ao de Faltas . . . 36

3.5 Avaliando M´etodos de Localiza¸c˜ao de Faltas . . . 38

3.5.1 Erros nas Medi¸c˜oes Convencionais e nas Cargas . . . 39

3.5.2 Precis˜ao das medi¸c˜oes fasoriais sincronizadas . . . 39

3.5.3 Erros em Parˆametros da rede . . . 40

3.5.4 Procedimento para inclus˜ao dos erros . . . 41

4 Uma Abordagem Baseada na Teoria de Curto-Circuito 44 4.1 C´alculo de curto-circuito usando Zbarra . . . 45

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4.4 Refinamento da localiza¸c˜ao de falta . . . 52

4.5 Medi¸c˜oes consideradas . . . 52

4.6 Modelagem das Cargas . . . 53

4.7 Estudo de Casos . . . 54

4.7.1 Influˆencia da posi¸c˜ao da falta . . . 55

4.7.2 Influˆencia da resistˆencia da falta . . . 56

4.7.3 Precis˜ao na estimativa das cargas . . . 56

4.7.4 Tipos de medi¸c˜oes . . . 57

4.7.5 Precisão dos parâmetros do sistema de distribui¸cão . . . 59

4.7.6 Precis˜ao das medi¸c˜oes . . . 60

5 Uma T´ecnica Baseada em Estima¸c˜ao de Estado 63 5.1 Estimador de Estado Linear . . . 64

5.2 Descri¸c˜ao geral da metodologia proposta . . . 64

5.3 C´alculo da posi¸c˜ao da falta . . . 66

5.4 Critério para Sele¸cão da Posi¸cão da Falta . . . 68

5.5 Estima¸c˜ao das Correntes nos Ramos . . . 68

5.6 Estima¸c˜ao das Tens˜oes nas Barras . . . 71

5.7 Estudo de Casos . . . 73

5.7.1 Influˆencia da taxa de amostragem das oscilografias . . . 75

5.7.2 Influˆencia do tipo da falta . . . 77

5.7.3 Influˆencia da resistˆencia de falta . . . 77

5.7.4 Influˆencia da quantidade e posi¸c˜ao das medidas . . . 79

5.7.5 Influˆencia dos erros nas medi¸c˜oes . . . 79

5.7.6 Influˆencia dos tipos de medi¸c˜oes . . . 81

5.7.7 Influˆencia dos erros nos parˆametros dos ramos . . . 82

5.7.8 Influˆencia da posi¸c˜ao da falta . . . 83

6 Conclus˜oes Gerais 86 6.1 Publica¸c˜oes resultantes desta tese . . . 88

6.2 Trabalhos Futuros . . . 90

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Cap´ıtulo 1

Introdu¸c˜

ao

Nas últimas décadas, consumidores residenciais, comerciais e industriais vêm se tor-nando cada vez mais sens´ıveis à qualidade da energia elétrica. Além disso, a desverticaliza-¸cão do setor elétrico que resultou no estabelecimento de normas regulatórias mais severas, tem exigido que as concessionárias entreguem energia elétrica com um padrão de qualidade cada vez mais elevado. Entre os fatores que deterioram a qualidade da energia, as inter-rup¸cões no fornecimento são consideradas cr´ıticas e estão associadas à ocorrência de faltas (ou curtos-circuitos) nos sistemas de distribui¸cão (ALWASH et al., 2015). Essas faltas causam interrup¸cões temporárias e sustentadas, e estão diretamente associadas à eleva¸cão dos custos operacionais das concessionárias (DENNY; DISMUKES, 2002), (SHORT, 2006).

Nesse contexto, a utiliza¸cão de técnicas eficientes de localiza¸cão de faltas em redes de distribui¸cão de energia pode contribuir significativamente para a melhoria da confiabilidade e da qualidade da energia elétrica fornecida e, portanto, para a redu¸cão dos custos operacio-nais das concessionárias distribuidoras de energia elétrica. Métodos de localiza¸cão de faltas podem ser muito úteis para a redu¸cão dos tempos de restaura¸cão da oferta de energia elétrica às unidades consumidoras (SAHA et al., 2010). As técnicas de localiza¸cão de faltas podem fornecer estimativas tanto para faltas temporárias quanto faltas sustentadas. A indica¸cão de pontos onde ocorrem faltas sustentadas permite que a equipe de manuten¸cão do sistema elétrico chegue mais rapidamente ao local da falta, diminuindo o tempo de interrup¸cão da energia elétrica. Consequentemente, multas e custos operacionais são reduzidos, pois a confi-abilidade do sistema de energia e os indicadores de continuidade do fornecimento de energia elétrica são melhorados. A localiza¸cão de faltas temporárias é um importante indicativo de locais que carecem de manuten¸cão ou refor¸co. A manuten¸cão preventiva nesses pontos pode

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evitar futuros danos e preju´ızos à rede elétrica, à concessionária e aos consumidores.

Em um primeiro momento, as técnicas de localiza¸cão de faltas foram concebidas para os sistemas de transmissão pois, além de serem mais suscet´ıveis à ocorrência de faltas, as consequências de faltas nesses sistemas impossibilitam o fornecimento de energia elétrica a um grande número de consumidores. Além disso, os investimentos na moderniza¸cão dos sistemas de transmissão é anterior aos atuais investimentos nos sistemas de distribui¸cão. Dentre as principais metodologias de localiza¸cão de faltas em sistemas de transmissão destacam-se as baseadas em impedância, com dados coletados em um (TAKAGI et al., 1981) e dois (CRUZ et al., 2016) terminais da linha de transmissão, bem como as metodologias baseadas em ondas viajantes com dados coletados em um (CAVALCANTE et al., 2013b) e dois (CAVALCANTE et al., 2013a) terminais da linha de transmissão. Contudo, as metodologias de localiza¸cão de faltas para sistemas de transmissão não são aplicadas com sucesso em sistemas de distribui¸cão de energia, devido às caracter´ısticas desses sistemas. Normalmente, nos sistemas de distribui¸cão de energia a localiza¸cão de faltas é realizada por meio de processos que não requerem a utiliza¸cão de medidas, como a indica¸cão da opera¸cão de fus´ıveis, a presen¸ca de cabos ca´ıdos, a falta de energia nos consumidores, etc. (SAHA et al., 2010).

A partir da década de 1980, foram desenvolvidas técnicas espec´ıficas para localiza-¸cão de faltas para sistemas de distribuilocaliza-¸cão baseadas em medidas coletadas na subestalocaliza-¸cão (SALIM et al., 2011). Atualmente, as principais metodologias para localiza¸cão de faltas em re-des de distribui¸cão são baseadas em impedância, devido à simplicidade e ao baixo custo de implanta¸cão. Essas técnicas utilizam apenas a medi¸cão dos fasores de tensão e cor-rente na subesta¸cão, a topologia da rede e os parâmetros dos ramos (NOVOSEL et al., 1998), (MORALES-ESPAñA et al., 2010), (HERRERA-OROZCO et al., 2014). Algumas das técnicas de lo-caliza¸cão de faltas baseadas em impedância requerem as estimativas das cargas (SENGER et al., 2005), (SALIM et al., 2011), (DASHTI; SADEH, 2014), (ALWASH et al., 2015). Geralmente, es-tas metodologias são sens´ıveis ao valor da resistência de falta e apresentam o problema da múltipla localiza¸cão da falta.

Técnicas de localiza¸cão de faltas baseadas em ondas viajantes também foram propostas para sistemas de distribui¸cão de energia (HIZMAN et al., 2002), (GUO; YAN, 2010). Para esti-mar a posi¸cão da falta, essas técnicas utilizam o tempo de propaga¸cão das ondas viajantes geradas pela falta (HIZMAN et al., 2002) ou as ondas viajantes geradas por dispositivos ativos (GUO; YAN, 2010). As ondas viajantes percorrem a rede até atingirem o ponto da falta e voltarem ao local de monitoramento. Conhecendo os instantes de chegada das frentes de onda ao local de monitoramento e a velocidade de propaga¸cão das frentes de onda, o local da

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falta pode ser estimado. Os grandes desafios destas técnicas são a sensibilidade das frentes de onda aos ru´ıdos, o alto custo de implanta¸cão devido à necessidade de elevadas taxas de amostragem e a dificuldade na identifica¸cão da origem das múltiplas frentes de ondas refle-tidas nos diversos pontos de descontinuidade da rede elétrica, como as barras e o ponto da falta.

Quanto à precisão, as limita¸cões das classes de métodos apresentados impulsionou o desenvolvimento de técnicas baseadas em conhecimento para localiza¸cão de faltas em sistemas de distribui¸cão. As metodologias de localiza¸cão de faltas que utilizam aprendizagem de máquina (LOVISOLO et al., 2012), (MORA-FLOREZ et al., 2007), (THUKARAM et al., 2005) se baseiam em reconhecimento de padrões de faltas reais a partir de padrões de faltas já ocorridas ou simuladas. Infelizmente, banco de dados com registros reais de medidas em situa¸cão de falta são bastante raros. Assim, tipicamente, os bancos de dados de faltas são obtidos via simula¸cão computacional. Esses bancos de dados devem ser bastante representativos, contendo uma grande variedade de pontos de opera¸cão do sistema de distribui¸cão, bem como de condi¸cões de falta, o que limita a aplica¸cão de tais abordagens.

A partir do come¸co do século XXI, os sistemas de distribui¸cão têm sido beneficiados pelo emprego de dispositivos inteligentes contendo diversas fun¸cões em um mesmo equipa-mento, tais como prote¸cão, monitoraequipa-mento, coleta de medidas e controle. Os dados coletados por esses dispositivos, que estão alocados em diversos pontos da rede, podem ser transferidos para as centrais de gerenciamento (SENGER et al., 2005), (MOMOH, 2007). Utilizando as infor-ma¸cões providas por tais dispositivos inteligentes, têm sido propostos na literatura métodos mais elaborados para a localiza¸cão de faltas em redes de distribui¸cão. Em compara¸cão com as metodologias tradicionais, como as que não requerem a utiliza¸cão de medidas e as baseadas em medi¸cão apenas na subesta¸cão, os métodos que utilizam medidas esparsas são mais preci-sos, menos sens´ıveis ao valor da resistência de falta e são capazes de minimizar o problema da múltipla localiza¸cão da falta. Em geral, os métodos baseados em medidas esparsas utilizam medidas de tensões e correntes, dados da topologia da rede, dados dos parâmetros da rede e dados das cargas.

Neste contexto, este trabalho apresenta duas técnicas para a localiza¸cão de faltas em sistemas modernos de distribui¸cão de energia elétrica. Os sistemas modernos consideram que, atualmente, diversas áreas dos sistemas de distribui¸cão de energia elétrica têm sido beneficiadas pelo emprego de dispositivos inteligentes, contendo diversas fun¸cões em um mesmo equipamento, tais como: prote¸cão, monitoramento, coleta de medidas e controle. Esses dispositivos podem ser integrados através de sistemas de comunica¸cão que permitem,

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por exemplo, que dados coletados em diversos pontos da rede sejam transferidos para as centrais de gerenciamento. Os processos de aquisi¸cão, transferência e tratamento dos dados necessários para a execu¸cão das técnicas propostas fogem do escopo desse trabalho.

As metodologias propostas são adequadas para o uso com medi¸cões fasoriais sincroniza-das e não sincronizasincroniza-das. Além disso, a primeira técnica apresentada, baseada em conceitos da teoria de cálculo de curto-circuito, pode ser aplicada com medi¸cões convencionais de módulos de tensões e correntes. A segunda técnica apresentada faz uso de modelos de estima¸cão de estado. Na sua apresenta¸cão, admite-se a disponibilidade de oscilografias não sincronizadas, das quais são extra´ıdos os fasores sincronizados. Para a sincroniza¸cão dos fasores é proposto um mecanismo que utiliza com referência de tempo os afundamentos nas tensões devidos às faltas. Alternativamente, os fasores para ambas as metodologias podem ser obtidos direta-mente de unidades de medi¸cão fasorial, ou de medidores convencionais mais sofisticados para fornecer os módulos e os ângulos das tensões e das correntes medidos com rela¸cão ao ângulo da tensão de uma das fases monitoradas. Além das metodologias de localiza¸cão de faltas, no cap´ıtulo 3 é proposto um mecanismo que permite contabilizar e incluir nas simula¸cões os erros inerentes às medi¸cões e aos parâmetros do sistema de energia.

1.1 Organiza¸c˜

ao da Tese

Este trabalho foi organizado em seis cap´ıtulos. Até aqui foi apresentada uma introdu¸cão onde são estabelecidas as motiva¸cões para a escolha do tema e os objetivos gerais da tese. No cap´ıtulo 2 é realizada uma revisão bibliográfica a respeito de metodologias de localiza¸cão de faltas voltadas a sistemas de distribui¸cão de energia elétrica. Nesta revisão os métodos são apresentados em classes e cada uma das classes é devidamente caracterizada. No cap´ıtulo 3 são apresentados os princ´ıpios e caracter´ısticas dos sistemas de distribui¸cão e das faltas tratadas na tese. Além disso, são abordados os principais fatores que causam imprecisões nas metodologias de localiza¸cão de faltas, e é apresentado um mecanismo que permite con-siderar tais fatores nos estudos de caso que serão apresentados. Este mecanismo é uma das contribui¸cões desta tese. O cap´ıtulo 4 apresenta uma metodologia de localiza¸cão de faltas baseada na teoria de curto-circuito. São apresentados os princ´ıpios teóricos, estudos de casos, discussão dos resultados e conclusões parciais. O cap´ıtulo 5 apresenta uma técnica de loca-liza¸cão de faltas baseada em técnicas de estima¸cão de estado. Todos os conceitos utilizados, exemplos, testes e conclusões parciais são apresentadas. As duas metodologias de localiza¸cão de falta apresentadas são contribui¸cões desta tese. Por fim, no cap´ıtulo 6 são apresentadas

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as conclus˜oes gerais do trabalho desenvolvido, as publica¸c˜oes realizadas e algumas propostas para a continuidade desse trabalho.

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Cap´ıtulo 2

Localiza¸c˜

ao de Faltas em Sistemas de

Distribui¸c˜

ao - Estado da Arte

Esta tese está voltada ao desenvolvimento de técnicas de localiza¸cão de faltas para Sistema Modernos de Distribui¸cão de Energia Elétrica e que, portanto, requerem a disponi-bilidade de várias medidas de tensão e/ou corrente. As fun¸cões de deteçcão e classifica¸cão de faltas não são tratadas neste trabalho, pois há na literatura técnicas eficientes e con-solidadas para deteçcão (SAMANTARAY, 2011), (SHAHID et al., 2012), (JIANG et al., 2013), (COSTA, 2014) e classifica¸cão de faltas (SUDHA; BASAVARAJU, 2007), (SHAHID et al., 2012), (JIANG et al., 2013), (YADAV; SWETAPADMA, 2015).

Em geral, as metodologias para localiza¸cão de faltas em Sistemas Modernos de Distribui-¸cão de Energia Elétrica podem ser classificadas pela disponibilidade de medidas e informa¸cões requeridas. Assim, por exemplo, há os métodos baseados em medidas das tensões, medidas das correntes e no mapeamento das zonas de falta. A seguir, é apresentado um estudo biblio-gráfico de metodologias aplicáveis a Sistemas Modernos de Distribui¸cão de Energia Elétrica. As metodologias revisadas são classificadas por tipo de medidas utilizadas e conceitos em-pregados.

2.1 T´

ecnicas Baseadas em Impedˆ

ancia

A classe de métodos mais difundida na literatura é a baseada em impedância. Es-sas técnicas utilizam apenas medidas obtidas na subesta¸cão, são fortemente influenciados

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pelo valor da resistência de falta e requerem mecanismos auxiliares para a estimativa das cargas (SENGER et al., 2005), (SALIM et al., 2011). Adicionalmente, quando são considera-dos geradores distribu´ıconsidera-dos, as medi¸cões devem ser sincronizadas e é necessário considerar as contribui¸cões de cada gerador individualmente ((MORA-FLOREZ et al., 2015), (ALWASH et al., 2015)). Apesar da simplicidade, essas técnicas apresentam o problema da múltipla localiza¸cão e, tipicamente, são pouco precisas.

Em (ALWASH et al., 2015) propõe-se um novo esquema baseado em impedância que utiliza medidas da subesta¸cão e de geradores distribu´ıdos. Este método utiliza o mesmo equacionamento para qualquer tipo de falta a terra, obtido com a premissa de que a potência reativa da falta é nula. O método consiste no cálculo da posi¸cão da falta em cada ramo do sistema, a partir da matriz de impedâncias nodais modificada. Portanto, esta técnica requer o conhecimento da topologia da rede, parâmetros dos ramos e os parâmetros das cargas obtidos no regime pré-falta. Das múltiplas estimativas obtidas, a estimativa final é selecionada a partir da correspondência entre os valores das tensões medidas e calculadas nos geradores distribu´ıdos. De forma similar, em (MORA-FLOREZ et al., 2015) é proposta uma técnica de localiza¸cão de faltas baseada na medi¸cão na subesta¸cão e em geradores distribu´ıdos, considerando incertezas associadas à resistência de falta, ao tipo da falta e ao modelo da carga. O método possui equacionamentos independentes para faltas a montante e a jusante dos geradores distribu´ıdos, bem como para cada tipo de falta. Os equacionamentos partem dos diagramas de sequência positiva, negativa e zero, supondo cada ramo do sistema de distribui¸cão sob falta.

A influência da resistência de falta é eliminada em muitas metodologias a partir da considera¸cão de medidas esparsas, como em (HE et al., 2014), que utiliza medidas sincroni-zadas alocadas no alimentador da rede. A partir da posi¸cão dos medidores, a metodologia reduz o sistema de distribui¸cão para dois cenários poss´ıveis: faltas entre duas medi¸cões ou faltas a jusante das medi¸cões. A posi¸cão e a resistência das faltas entre duas medi¸cões são obtidas por um método de dois terminais aplicado em cada ramo da rede. Para situa¸cões de falta a jusante das medi¸cões, a posi¸cão e a resistência das faltas são determinadas por um método baseado em impedância com dados de um terminal. Entre as várias posi¸cões de falta estimadas, a correta é aquela cuja distância estimada está dentro do ramo analisado e com resistência de falta maior que zero. Para a execu¸cão da metodologia é necessário estimar as cargas através de uma técnica de otimiza¸cão ou regressão. Esta metodologia não foi proposta para atender a sistemas de distribui¸cão com geradores distribu´ıdos.

(20)

método onde a distância da falta é calculada usando informa¸cões de um ou dois terminais. São consideradas medi¸cões na subesta¸cão e em geradores distribu´ıdos. O método iterativo de um terminal é utilizado quando não há medi¸cões a jusante do ramo analisado. Já o método de dois terminais é utilizado quando existem medi¸cões a jusante e a montante do ramo analisado. Como não é poss´ıvel conhecer o ramo sob falta, a metodologia é aplicada em todos os ramos da rede, levando à possibilidade de obten¸cão de múltiplas estimativas para a posi¸cão da falta. Caso as medidas não sejam sincronizadas, algoritmos de m´ınimos quadrados não lineares são utilizados para calcular a posi¸cão da falta para o método de dois terminais e a tensão na barra inicial no método de um terminal. Quando as medidas são sincronizadas, algoritmos de m´ınimos quadrados ponderados são utilizados para calcular a posi¸cão da falta no método de dois terminais, e a tensão na barra terminal no método de um terminal. Os erros de medi¸cão e nos parâmetros da rede são inseridos no equacionamento da posi¸cão da falta através da matriz de covariância dos erros das medidas e parâmetros. Na execu¸cão do método é necessário o conhecimento das cargas da rede para obten¸cão do fluxo de carga pré-falta no método de um terminal e para o cálculo das tensões nas barras dos ramos analisados no método de dois terminais.

No que se refere aos sistemas de transmissão, o uso de várias medidas em conjunto com métodos baseados em impedância são encontrados em (ABE et al., 1995), (LIEN et al., 2005). Essas abordagens são concebidas para atender as caracter´ısticas dos sistemas de transmissão, além de se tornarem bastante complexas quando o número de terminais de medi¸cão aumenta. Em (ABE et al., 1995), a posi¸cão da falta é calculada considerando uma linha de transmissão com medidas não sincronizadas nos dois terminais da linha, assumindo que a parte imaginária do produto interno entre a tensão de falta e a corrente de falta é nula. Para linhas de transmissão com múltiplos terminais, uma rotina de sele¸cão do trecho sob falta é executada. Essa rotina assume a falta em cada linha de transmissão, em que é calculada a norma euclidiana das quedas de tensão em cada linha do sistema de transmissão. A linha de transmissão sob falta é definida a partir dos valores das normas euclidianas obtidas. Para a execu¸cão da equa¸cão da localiza¸cão da faltas, a linha sob falta é reduzida a um sistema com dois terminais. A técnica assume que as medidas são sincronizadas e, portanto, as equa¸cões das tensões nos pontos de encontro das linhas de transmissão em regime pré-falta são igualadas.

Da mesma forma que em (ABE et al., 1995), a metodologia proposta em (LIEN et al., 2005) minimiza um sistema de transmissão multiterminal para um sistema de dois terminais, onde o equacionamento da posi¸cão da falta é baseado na transformada de Clarke e em medidas sincronizadas. Assumindo uma barra como referência, as tensões e correntes na barra remota

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da linha de transmissão equivalente de dois terminais são obtidas por meio de cada barra do sistema real com medi¸cão (exceto a barra de referência). Para cada tensão e corrente obtida, a equa¸cão de localiza¸cão da falta baseada em medidas de dois terminais é executada. Índices de localiza¸cão de faltas baseados em cada solu¸cão e no comprimento da linha de transmissão conectada à barra de referência, são utilizados para a determina¸cão da se¸cão sob falta.

2.2 T´

ecnicas Baseadas em Ondas Viajantes

As técnicas baseadas em ondas viajantes usam informa¸cão dos transitórios para calcular a posi¸cão da falta (ZHAO et al., 2011), (ROBSON et al., 2014). Esses métodos são bastante precisos e não são influenciados pelas condi¸cões das faltas ou pelo ponto de opera¸cão da rede. No entanto, a implanta¸cão dessas técnicas requer medidores sincronizados com altas taxas de amostragem capazes de detectar as ondas incidentes nos pontos de medi¸cão (ZHAO et al., 2011). Adicionalmente, o processo de deteçcão das ondas viajantes pode ser complexo devido às múltiplas reflexões dessas ondas nos pontos de descontinuidade da rede.

A técnica proposta em (ZHAO et al., 2011) utiliza o tempo de chegada da primeira onda viajante aos pontos de medi¸cão. A posi¸cão da falta é estimada para cada ponto de medi¸cão, assim, o número de estimativas é igual ao número de pontos de medi¸cão. O mecanismo de elei¸cão da posi¸cão da falta não é apresentado. A deteçcão do instante de incidência da primeira frente de onda viajante em cada um dos pontos de medi¸cão é realizada por um DSP (Digital Signal Processor ) em conjunto com o sinal de sincroniza¸cão fornecido por um GPS (Global Positioning System).

Em (ROBSON et al., 2014) é proposta uma abordagem similar à de (ZHAO et al., 2011). Assumindo que todas as ondas viajantes se propagam na mesma velocidade, o método elimina a dependência entre a posi¸cão da falta e a velocidade de propaga¸cão. Para cobrir todo o sistema de distribui¸cão, o método assume que em cada barra terminal há um equipamento de monitoramento capaz de detectar a primeira onda viajante incidente. Um GPS é usado para sincroniza¸cão das medidas. Assim, os instantes de incidência das frentes das ondas viajantes podem ser usados no cálculo da distância entre o local da falta e os medidores. A posi¸cão final da falta é obtida comparando as etiquetas de tempo das frentes de onda com os tempos esperados para cada posi¸cão de falta.

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2.3 T´

ecnicas Baseadas em Medidas de Tens˜

oes

As metodologias baseadas em medidas de tensão fazem uso dos afundamentos nas ten-sões, devidos à ocorrência das faltas (GALIJASEVIC; ABUR, 2002). Essas metodologias ne-cessitam da topologia da rede para executar cálculos de fluxos de carga ((PEREIRA et al., 2009), (DONG et al., 2013)), realizar cálculos de curtos-circuitos ((TRINDADE et al., 2014),

(MAJIDI et al., 2015)) e estimar a resistˆencia das faltas ((GALIJASEVIC; ABUR, 2002), (LOTFIFARD et al. 2011)).

A técnica proposta em (PEREIRA et al., 2009) utiliza as tensões e correntes medidas na subesta¸cão e os módulos das tensões coletadas ao longo do sistema de distribui¸cão. As medi-das coletamedi-das na subesta¸cão são utilizamedi-das para estimar as cargas do sistema de distribui¸cão por meio de um programa de fluxo de carga. Em seguida, fluxos de carga são executados admitindo faltas alocadas nas barras da rede e as tensões medidas são comparadas com as tensões obtidas do fluxo de carga. Por meio da compara¸cão entre as tensões medidas e cal-culadas é poss´ıvel indicar a barra sob falta. Segundo (DONG et al., 2013), uma confusão na metodologia proposta em (PEREIRA et al., 2009) pode ocorrer caso não existam medidas co-letadas a jusante do ponto de ocorrência da falta. Dessa forma, em (DONG et al., 2013) se propõe uma técnica adicional para superar essas limita¸cões. A técnica proposta é baseada em árvores de decisão, que tem o objetivo de identificar o segmento da rede sob falta antes de aplicar a técnica proposta em (PEREIRA et al., 2009). Adicionalmente, a barra sob falta é obtida por um ´ındice que, além de levar em considera¸cão a compara¸cão entre os módulos das tensões calculadas e medidas, também leva em considera¸cão o ângulo das tensões e das correntes de falta calculadas.

A metodologia proposta em (GALIJASEVIC; ABUR, 2002) utiliza a teoria de cálculo de curto-circuito para calcular as tensões nas barras da rede que possuem medi¸cão de tensão, assumindo uma falta por vez em todas as barras da rede. Para o cálculo das tensões é necessário o conhecimento da resistência de falta que, por sua vez, é estimada a partir da utiliza¸cão da lógica Fuzzy. A posi¸cão da falta é obtida associando as tensões calculadas com as tensões medidas. Em (LOTFIFARD et al., 2011) também são utilizados conceitos da teoria de cálculo de curto-circuito. A resistência de falta é estimada por um processo iterativo que utiliza a teoria de cálculo de curto-circuito para calcular a corrente de falta na subesta¸cão, que é comparada à corrente de falta medida.

Em (TRINDADE et al., 2014) e (MAJIDI et al., 2015) a corrente de curto-circuito calcu-lada a partir de medi¸c˜oes coletadas por medidores inteligentes s˜ao usadas para determinar

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a posi¸cão da falta. Em (TRINDADE et al., 2014), os módulos das tensões pré-falta e durante a falta, medidos em vários pontos do sistema de distribui¸cão, são usadas para calcular a corrente de falta para todas as barras da rede a partir de todas as medi¸cões. A barra sob falta é aquela em que as correntes de falta estimadas a partir das medi¸cões convergem para valores próximos entre si. Em (MAJIDI et al., 2015), é proposto um método baseado nos com-ponentes de sequência para localiza¸cão de faltas simples e simultâneas, a partir de medi¸cões pré-falta e durante a falta das tensões ao longo do alimentador do sistema de distribui¸cão. A metodologia é baseada em lógica nebulosa, aprendizagem de máquina e nas correntes de falta calculadas a partir de um sistema sobredeterminado de equa¸cões que relaciona a matriz de impedâncias nodais da rede às medi¸cões de tensão. O sistema de equa¸cões é resolvido via m´ınimos quadrados e m´ınima norma.

2.4 T´

ecnicas Baseadas em Medidas de Correntes

Os métodos baseados em medidas de corrente levam em conta nas eleva¸cões das am-plitudes e das dire¸cões das correntes na presen¸ca de curto-circuitos. Muitos desses métodos consideram a presen¸ca de geradores distribu´ıdos nos sistemas de distribui¸cão.

Em (GUO-FANG; YU-PING, 2008) é apresentado um método que utiliza medidores de corrente localizados nos ramos do sistema. Nesse método é calculado um ´ındice chamado de taxa de corrente diferencial. Para cada segmento da rede, o ´ındice é calculado e a posi¸cão da falta é determinada de acordo com os valores dos ´ındices encontrados para cada segmento testado.

Da mesma forma que (GUO-FANG; YU-PING, 2008), os métodos propostos por (WU et al., 2011) e (CHAO et al., 2008) utilizam somente as correntes medidas nos ramos do sistema de energia. Porém, em (WU et al., 2011) e (CHAO et al., 2008) é necessário que sejam instalados medidores em cada nó do sistema com a capacidade de detectar a corrente de falta e o seu sentido. A partir da topologia da rede é constru´ıda a matriz de conectividade da rede e com a informa¸cão do sentido da dire¸cão da corrente de falta, obtida pelas unidades remotas, é constru´ıda matriz de informa¸cão da falta. Combinando as duas matrizes e aplicando algumas regras é poss´ıvel obter o ramo da linha sob falta. Nos testes apresentados em (CHAO et al., 2008) foram consideradas faltas simultâneas.

Um método baseado em dados de corrente medidos é proposto em (MA et al., 2008). A obten¸cão do ramo sob falta em sistemas contendo gera¸cão distribu´ıda é obtido através da

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análise de curto-circuito. Nesta técnica, é necessário conhecer a corrente de curto-circuito no in´ıcio e no fim de cada ramo, obtida através de um programa de cálculo de curto-circuito. Dados os limites da corrente de curto-circuito nas extremidades dos ramos, é poss´ıvel saber em qual ramo ocorreu a falta comparando as correntes de curto-circuito calculadas e as correntes medidas em cada gerador. Esta técnica pode fornecer mais de um resultado do ramo sob falta. Para contornar esse problema, a magnitude das correntes dos ramos candidatos é calculada e o ramo sob falta é o que apresentar a maior magnitude.

Também baseado em análise de curto-circuito, em (DAS et al., 2011) é proposta uma metodologia que auxilia métodos baseados em impedância a indicar a posi¸cão da falta. Para cada circuito que vai da subesta¸cão até uma barra terminal, é tra¸cado uma curva de corrente de curto × reatância de sequência positiva dos ramos. Na ocorrência de uma falta, por meio da corrente de falta medida é poss´ıvel indicar a posi¸cão da falta consultando a curva e associando a reatância à corrente de falta medida.

2.5 T´

ecnicas Baseadas no Mapeamento da Zona da Falta

Essas metodologias utilizam informa¸cões obtidas por medidores, dispositivos de prote-¸cão e até de consumidores. Ao contrário das técnicas apresentadas anteriormente, as técnicas baseadas em mapeamento indicam apenas uma região provável para a localiza¸cão da falta e não o local da falta. Para isso é necessário conhecer a posi¸cão geográfica do local onde as informa¸cões são originadas.

Em (RODRIGO et al., 1996) apresenta-se uma abordagem para localizar desligamentos permanentes em sistemas de distribui¸cão a partir de uma rotina de inferência estat´ıstica de vários tempos de interrup¸cão, obtidos em medidores alocados nos consumidores. Na concep¸cão da metodologia foram considerados erros associados ao relógio de cada dispositivo, à sincroniza¸cão das medi¸cões e ao canal de comunica¸cão, o que tornou a metodologia mais robusta. Para processar os tempos de interrup¸cão corretamente de forma estat´ıstica, os diferentes padrões de desligamentos foram divididos em três grupos: falta de alta impedância com rompimento do condutor, falta de baixa impedância com rompimento do condutor e falta de baixa impedância sem rompimento do condutor. Essa divisão permite que a resposta de cada consumidor a montante e a jusante da falta seja caracterizado corretamente. A posi¸cão da falta é obtida arbitrando o local da falta e associando os tempos de interrup¸cão dos consumidores por meio da análises estat´ısticas.

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A técnica proposta em (MAK, 2006) utiliza apenas as respostas de transponders alocados nos consumidores para indicar a parte do sistema de distribui¸cão sob falta. Após a deteçcão da falta e da atua¸cão dos dispositivos de prote¸cão (disjuntores e fus´ıveis), o estado de opera¸cão dos transponders é solicitado, indicando se estão energizados ou não. A partir das respostas dos transponders e das suas localiza¸cões f´ısicas no sistema de distribui¸cão, é poss´ıvel saber em que por¸cão da rede está a falta.

Em (DZAFIC et al., 2010) é proposto um método para localiza¸cão de faltas que utiliza informa¸cões obtidas de dispositivos indicadores de falta e chaves operáveis. Além disso, é usada uma metodologia de localiza¸cão baseada em impedância. Os indicadores de faltas são tratados como elos entre duas áreas limitadas a montante e a jusante do ponto de instala¸cão. Cada elo assume um coeficiente (-1, 0 e 1) de acordo com o estado do indicador de falta. Uma matriz que relaciona os elos com as áreas é formada, e a área sob falta é aquela que apresenta maior soma dos coeficientes associados aos elos. Em seguida, um método baseado em impe-dância é aplicado à área sob falta para se determinar a posi¸cão da falta. Adicionalmente, se dispositivos de chaveamento estão presentes na rede, são realizadas sucessivas opera¸cões de chaveamento até que nenhum indicador de falta acuse falta no sistema de distribui¸cão. Dessa forma, é poss´ıvel garantir a menor área sem fornecimento de energia.

A técnica de localiza¸cão do ramo sob falta proposta em (TENG et al., 2014) utiliza apenas indicadores de falta direcionais e não direcionais em sua concep¸cão. Esta técnica é válida para redes contendo geradores distribu´ıdos e até sob faltas simultâneas. Os ramos entre indicadores de falta adjacentes são tratados como Poss´ıvel Localiza¸cão da Falta (PLF) e a corrente de falta detectada pelo indicador de falta pode ser considerada como Corrente de Linha (CL) fluindo através das PLFs adjacentes. O ramo sob falta é obtido a partir da matriz de rela¸cão entre as PLFs e as CLs. O método é imune aos fatores que causam imprecisão nos métodos baseados em medi¸cão de tensão e corrente. No entanto, para uma boa precisão do método, é necessária uma quantidade razoável de indicadores de falta.

2.6 T´

ecnicas Baseadas em Conhecimento

Entre os conceitos mais recentes utilizados para localiza¸cão de faltas, tem-se as técni-cas baseadas em algoritmos de reconhecimento de padrões. Essas técnitécni-cas podem ajudar a melhorar a precisão da localiza¸cão da falta (SAHA et al., 2010) e, como principal vantagem, não requerem os parâmetros do sistema de distribui¸cão para indicar a posi¸cão da falta.

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En-tretanto, requerem um vasto histórico de dados referentes às medi¸cões e posi¸cão da falta que retrate com generalidade as situa¸cões a serem reconhecidas, tornando-as pouco atrativas para contextos com monitoramento recente. Estas técnicas podem se tornar atrativas se utilizadas como suporte às técnicas anteriores.

Em (JAVADIAN et al., ) é desenvolvida uma metodologia para a classifica¸cão e a localiza-¸cão de faltas em redes de distribuilocaliza-¸cão de energia elétrica na presen¸ca de geradores distribu´ıdos. Na etapa de localiza¸cão são usadas redes neurais artificiais baseadas em perceptrons de m´ ul-tiplas camadas (MLP - Multilayer Perceptron). Na classifica¸cão da faltas são utilizadas as correntes normalizadas medidas na subesta¸cão. Para cada tipo de falta uma rede de percep-trons de múltiplas camadas é utilizada. O sistema de distribui¸cão é dividido em zonas, cujos limites são definidos segundo a posi¸cão dos disjuntores e o alcance do suprimento dos gera-dores distribu´ıdos. As entradas das redes neurais são constitu´ıdas pelas correntes medidas na subesta¸cão e nos geradores distribu´ıdos. Segundo os autores, as entradas de corrente na subesta¸cão e nos geradores distribu´ıdos melhoram o desempenho do algoritmo para as faltas com alta resistência. Como sa´ıda da rede neural treinada para a localiza¸cão da falta tem-se a distância da falta até a subesta¸cão e aos geradores distribu´ıdos, portanto, mais de uma distância é obtida. Com a finalidade de indicar qual ramo do sistema de distribui¸cão está sob falta, a metodologia utiliza a informa¸cão de vários disjuntores.

A proposta apresentada em (ZAYANDEHROODI et al., 2013) utiliza fun¸cões de base radial (RBF - Radial Basis Function) como técnica de aprendizagem de máquina. Os dados de entrada do treinamento da primeira RBF são as correntes da subesta¸cão e dos geradores distribu´ıdos, obtidas através de simula¸cões de curto-circuito, considerando várias posi¸cões da falta, tipos da falta e carregamentos do sistema. Para treinamento da segunda RBF, os dados de entrada são as sa´ıdas da primeira RBF, que são a posi¸cão da falta vista a partir da subesta¸cão e dos geradores distribu´ıdos. Como sa´ıda da segunda RBF tem-se o ramo em que ocorreu a falta. O primeiro passo do algoritmo é detectar o tipo de falta pela corrente da subesta¸cão. Em seguida, é usada a primeira RBF para determinar a distância da falta com rela¸cão à subesta¸cão e para os geradores distribu´ıdos. Finalmente, é executada a segunda RBF, que indica o ramo em que ocorreu a falta. Em uma publica¸cão anterior dos mesmos autores, (ZAYANDEHROODI et al., 2010), são comparadas duas metodologias baseadas em redes neurais artificiais para a localiza¸cão de faltas em sistemas de distribui¸cão contendo geradores distribu´ıdos, a primeira utiliza perceptrons de múltiplas camadas e a segunda utiliza fun¸cão de base radial. Os autores concluem que o uso de RBF resulta em maior precisão para a localiza¸cão de faltas.

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O método proposto em (AGRAWAL; THUKARAM, 2013) é baseado em multi-classes de máquinas de vetor de suporte (SVM - Support Vector Machine) para localizar e diagnosticar faltas em sistemas de distribui¸cão contendo geradores distribu´ıdos. Diferente das duas téc-nicas anteriores, a abordagem utiliza as medidas das tensões nos geradores e na subesta¸cão, além das medidas de corrente. O objetivo do método é identificar a se¸cão de linha sob falta e o tipo de falta para, em seguida, identificar a localiza¸cão e impedância de falta. Primei-ramente, uma SVM é utilizada para determinar o tipo de falta, posteriormente, um par de SVMs é usado para determinar a localiza¸cão da falta e a impedância de falta.

2.7 Conclus˜

oes Parciais

Este cap´ıtulo apresentou um estudo bibliográfico sobre metodologias para a localiza¸cão de faltas em sistemas modernos de distribui¸cão de energia elétrica. Muitas metodologias consideram a presen¸ca de geradores distribu´ıdos conectados à rede e admitem a presen¸ca de medidores esparsos de tensão e/ou corrente. Na maioria dos casos, os medidores dispon´ıveis fornecem apenas as amplitudes das grandezas monitoradas, entretanto, há casos onde são uti-lizadas medi¸cões fasoriais sincronizadas. As metodologias apresentadas foram classificadas quanto aos tipos de medi¸cões requeridas e aos conceitos teóricos utilizados em suas con-cep¸cões. Assim, as metodologias foram classificadas em: métodos baseados em impedância, métodos baseados em ondas viajantes, métodos baseados em medidas de tensões, métodos baseados em medidas de correntes, métodos baseados no mapeamento automático de zonas da falta e métodos baseados em conhecimento.

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Cap´ıtulo 3

Contexto para Apresenta¸c˜

ao dos

M´

etodos Propostos

Tipicamente, sistemas de energia elétrica são compostos por grandes unidades gerado-ras que, por meio de uma rede de transmissão em alta tensão, alimentam um grande número de subesta¸cões de distribui¸cão de energia. Uma subesta¸cão de distribui¸cão de energia pode atender a vários circuitos alimentadores em média tensão, que podem conter inúmeras rami-fica¸cões laterais e estão conectadas a inúmeras cargas.

A dependência da sociedade em rela¸cão à energia elétrica, no setor público, industrial, comercial e residencial, fez com que os sistemas de distribui¸cão crescessem em dimensão e complexidade. Essa conjuntura tem exigido das concessionárias a disposi¸cão de equipamentos e ferramentas capazes de monitorar a energia elétrica fornecida. Nesse contexto, para tornar a rede mais observável, controlável e flex´ıvel, os sistemas de distribui¸cão têm recebido inves-timentos para implanta¸cão dos chamados sistemas de medi¸cão modernos. Nestes sistemas, as medi¸cões são integradas por meio de uma rede de comunica¸cão, que tem a finalidade de enviar as medidas coletadas até uma central de gerenciamento ou concentrador de dados.

Nos últimos anos, devido a incentivos governamentais, o interesse em gerar energia limpa e renovável, e a necessidade de melhorar o aproveitamento dos recursos energéticos locais, as redes de distribui¸cão têm recebido a conexão de geradores de energia distribu´ıdos. Tais geradores trazem benef´ıcios tanto para o sistema elétrico quanto para os consumidores, pois permitem a redu¸cão de perdas, a posterga¸cão de investimentos, a redu¸cão de impactos ambientais, a melhoria do n´ıvel de tensão das redes e a diversifica¸cão da matriz energética (ANEEL, 2016). Do ponto de vista dos consumidores, a instala¸cão desses geradores pode

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melhorar a qualidade do servi¸co de energia elétrica e resultar na diminui¸cão da fatura. Em contrapartida, a implanta¸cão de geradores distribu´ıdos altera paradigmas dos sistemas de distribui¸cão. Por exemplo, os ajustes do sistema de prote¸cão devem ser revistos na presen¸ca desses geradores, já que os n´ıveis de curto-circuito são afetados. Além disso, as redes de distribui¸cão podem apresentar fluxo de potência bidirecional (da subesta¸cão para as cargas e vice-versa), requerendo mudan¸cas na opera¸cão e no planejamento dos sistemas de distribui¸cão de energia. Consequentemente, redes de distribui¸cão com geradores distribu´ıdos requerem recursos adicionais para o seu controle, coordena¸cão e monitoramento. Assim, neste trabalho, entende-se a moderniza¸cão das redes de distribui¸cão como a incorpora¸cão de tecnologias de monitoramento, medi¸cão e comunica¸cão que permitem a coleta de grandezas a partir de sistemas de medi¸cão.

Neste contexto, este cap´ıtulo inicialmente apresenta as principais caracter´ısticas de sis-temas de distribui¸cão que são importantes para a apresenta¸cão dos mecanismos de localiza¸cão de faltas propostos. As faltas em sistemas de distribui¸cão são caracterizadas e as principais fontes de erros presentes em metodologias para localiza¸cão de faltas em sistemas de distri-bui¸cão são discutidas. Por fim, com objetivo de permitir a incorpora¸cão de erros t´ıpicos na avalia¸cão das metodologias apresentadas na tese, é proposto um mecanismo simples que permite inserir esses erros na execu¸cão dos testes, permitindo uma avalia¸cão mais real e consistente das técnicas de localiza¸cão de faltas.

3.1 Princ´ıpios e Caracter´ısticas dos Sistemas de

Distri-bui¸c˜

ao

Os sistemas de distribui¸cão no Brasil podem ser divididos em três outros segmentos: sistema subtransmissão, sistema de distribui¸cão primário e sistema de distribui¸cão secun-dário. O sistema de subtransmissão serve como elo para captar grandes blocos de energia das subesta¸cões de subtransmissão e entregá-los às subesta¸cões de distribui¸cão. Esse sistema normalmente opera em n´ıveis de tensão de 34,5 kV, 69 kV e 138 kV (KAGAN, 2008). O sistema de distribui¸cão primário (média tensão) normalmente fornece energia em 13,8 kV, atendendo consumidores primários e transformadores que suprem o sistema secundário de distribui¸cão (baixa tensão), os quais normalmente fornecem energia em tensões de 220/127 V e 380/220 V. As metodologias desenvolvidas nesta tese são mais adequadas aos sistemas de subtransmissão e distribui¸cão primária, devido aos requisitos de medi¸cão admitidos.

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No que se refere aos sistemas de distribui¸cão primários, os principais componentes são: transformador de potência, alimentador principal, ramifica¸cões trifásicas, bifásicas e monofásicas, reguladores de tensão, capacitores em deriva¸cão, e cargas trifásicas, bifásicas e monofásicas. As cargas podem ser indústrias de porte médio, complexos comerciais, bairros residenciais, ilumina¸cão pública e etc. Esses sistemas podem ser de distribui¸cão por cabos subterrâneos ou, mais comumente, aéreos, como o sistema aéreo de distribui¸cão primário adotado neste trabalho, mostrado na Figura 3.1. Os ramos do sistema de distribui¸cão ado-tado são compostos por cabos com diferentes comprimentos e bitolas, em que somente os parâmetros longitudinais foram utilizados para representar as impedâncias concentradas dos ramos. O sistema adotado é real e já foi utilizado na avalia¸cão de técnicas de natureza similar às propostas nesta tese, o que facilita a compara¸cão dos resultados obtidos. Os detalhes a respeito deste sistema de distribui¸cão estão dispon´ıveis e são encontrados no apêndice desta tese. 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 15 16 17 18 21 19 20 12 13 14 22 27 28 23 24 25 26 31 29 30 32 33 34 37 36 38 35 39 40 44 45 42 43 41 46 47 48 49 50 51 54 52 53 56 57 58 55 59 60 76 77 78 61 62 88 63 64 65 66 67 68 71 72 73 74 75 69 70 79 80 81 83 82 84 85 86 128 87 129 89 90 91 119 122 123 127 126 120 121 125 124 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 130 131 104 132 133 134 106 107 108 109 110 105 111 112 113 115 116 117 118 114 - carga

Figura. 3.1: Sistema de distribui¸c˜ao real de 134 barras.

O sistema de distribui¸cão da Figura 3.1 foi modelado utilizando o software ATP (Al-ternative Trasient Program) (CENTER, 1987). Este software realiza simula¸cões do tipo tran-sitórios eletromagnéticos, nas quais as varia¸cões no tempo de todas as tensões e correntes da rede podem ser obtidas antes, durante e após a ocorrência de um evento, como por exem-plo, uma falta. A modelagem trifásica da rede foi adotada, dessa forma, as assimetrias da rede e os desbalan¸cos das cargas poderão ser adequadamente representados. Os sinais das

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tensões e correntes gerados pelo ATP foram usados como base para a gera¸cão das medi¸cões. Os sinais de tensão e corrente foram processados no MATLAB, onde as metodologias foram desenvolvidas. Os geradores distribu´ıdos considerados foram modelados no ATP como gera-dores s´ıncronos trifásicos ideais conectados em estrela com neutro solidamente aterrado. Os parâmetros dos geradores consistem da reatância subtransitória em série com a resistência de armadura e a tensão interna, que é igual à tensão nominal do sistema de distribui¸cão (KUNDUR, 1994).

3.2 Tipos de Medidas Consideradas

As técnicas de localiza¸cão de faltas propostas nos cap´ıtulos 4 e 5 assumem a dispo-nibilidade de medi¸cões pré-falta e durante a falta de tensão e corrente em vários pontos do sistema de distribui¸cão. Essas medi¸cões são enviadas por meio de um sistema de comunica¸cão para as centrais de gerenciamento, onde são processadas para e execu¸cão das técnicas. No-vamente, vale ressaltar que as etapas de aquisi¸cão, conversão, transferência e processamento das medi¸cões não são objetos de estudo nesse trabalho.

As grandezas requisitadas podem ser disponibilizadas por meio de equipamentos de medi¸cão com capacidade de registrar as medidas associadas aos eventos de faltas. Os registros podem ser valores dos módulos ou oscilografias. Nesse trabalho, essas medidas são chamadas de medi¸cões convencionais. Alternativamente, os medidores podem reportar os valores dos fasores sincronizados ou não sincronizados. A defini¸cões e caracter´ısticas desses tipos de medi¸cões são mostradas a seguir.

3.2.1 Medi¸c˜

oes Fasoriais

Na medi¸cão fasorial assume-se que os medidores reportam a central de gerenciamento dos dados, as medidas de módulos e ângulos das tensões e correntes, pré-falta e durante a falta. Para obten¸cão dos ângulos das medidas, é necessário uma referência de tempo para que todos os ângulos sejam obtidos a partir da referência. A referência pode ser global e externa ao medidor, por exemplo, via GPS (Global Positioning System). De outra forma, a referência pode ser apenas local e interna, a partir do próprio relógio interno do medidor. A origem da referência de tempo classifica as medi¸cões em sincronizadas e não sincronizadas, mostradas a seguir.

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Medi¸c˜ao Fasorial Sincronizada

As medi¸cões fasorias sincronizadas são medi¸cões dos fasores de tensão e corrente co-letadas em vários pontos do sistema de distribui¸cão, em que possuem referência de tempo comum, obtida via GPS. Medi¸cões sincronizadas podem ser obtidas de equipamentos cha-mados de PMU’s (Phasor Measurement Units). Entretanto, em sistemas de distribui¸cão, a utiliza¸cão de PMU’s é limitada devido ao alto custo. De outra forma, essas medidas po-dem ser obtidas via equipamentos denominados µPMU’s, que são PMU’s de baixo custo e pequena dimensão (MEIER et al., 2014), (PINTE et al., 2015) desenvolvidas para sistemas de distribui¸cão. As µPMU’s dispon´ıveis no mercado foram projetadas pela Universidade da Ca-lifórnia em parceria com Power Standards Laboratory (PSL) e Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) (PSL, 2015).

Medi¸c˜ao Fasorial N˜ao Sincronizada

Sabendo da capacidade de alguns medidores em amostrar formas de onda de tensão e corrente, esses medidores podem ser alterados para calcular e reportar mais informa¸cão, além dos módulos das grandezas monitoradas, que são os ângulos entre as medidas coletadas em um ponto do sistema de distribui¸cão (JANSSEN et al., 2012). Para isso, basta uma referência temporal local, originada do próprio relógio do medidor, ou tomando-se uma medida como referência. Assim, cada medidor é capaz fornecer os módulos e os ângulos das tensões e correntes monitoradas pelo medidor em rela¸cão à tensão da fase a do próprio medidor. Note que os diversos medidores não estão sincronizados entre si.

3.2.2 Medi¸c˜

oes Convencionais

Medi¸cões convencionais são aquelas mais comumente dispon´ıveis pelos equipamentos de medi¸cão, portanto, referem-se as formas de onda armazenadas ou apenas os valores dos módulos das grandezas elétricas. Os dados das oscilografias de faltas são armazenadas na memória do medidores de qualidade de energia (SIEMENS, 2016;SCHWEITZER, 2013a) ou em registradores de faltas (ABB, 2014; SIEMENS, 2015) após o evento ser detectado pelo equi-pamento. No que se refere somente as medi¸cões dos módulos, medidores menos sofisticados poderão ser utilizados para a execu¸cão das técnicas, desde que tenham, ao menos, a capa-cidade de enviar os valores dos módulos das tensões e correntes armazenados em memória, logo após a ocorrência da falta (ABB, 2012).

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As técnicas de localiza¸cão de faltas propostas consideram a modelagem estática do sistema de distribui¸cão em corrente alternada, ou seja, requerem a utiliza¸cão de fasores. Quando estão dispon´ıveis medidas de módulos ou oscilografias, faz-se necessário a utiliza¸cão de processos adicionais para a obten¸cão desses fasores.

Medi¸c˜oes Convencionais de M´odulos

Quando medidores menos sofisticados estão instalados no sistema de distribui¸cão, são medidos apenas os módulos das tensões e correntes. Dessa forma, para transformar essas medidas em fasores, atribuem-se aos ângulos das fases a, b, c das grandezas monitoradas, os ângulos de 0◦_{, −120}◦_{, 120}◦_{, respectivamente. Essas aproxima¸cões são consideradas tanto} para as medi¸cões de tensão pré-falta e durante a falta, quanto para as medi¸cões de corrente pré-falta e durante a falta. Este cenário corresponde a um sistema equilibrado sob falta equilibrada.

Medi¸c˜oes Convencionais de Oscilografias

Sabendo-se que muitos equipamentos de medi¸cão reportam oscilografias de faltas, a seguir é apresentado um algoritmo que tem o objetivo de extrair e sincronizar os fasores de tensão e corrente, pré-falta e durante a falta. Esse algoritmo é uma das contribui¸cões desse trabalho, servindo como alternativa à obten¸cão de medi¸cões fasoriais sincronizadas a partir de

µPMU’s. O algoritmo proposto utiliza o próprio dist´urbio gerado pela falta como referência de tempo para sincronizar os fasores, bem como separar os sinais pré-falta e durante a falta. No momento e no local da falta ocorrem afundamentos de tensão nas fases sob falta que se propagam para toda rede. Esses distúrbios se propagam com velocidade próxima a da luz (MILIOUDIS et al., 2012) e podem ser identificados nos pontos de medi¸cão. Como o sistema de distribui¸cão é pouco extenso, podemos assumir que os distúrbios incidem nos pontos de medi¸cão ao mesmo tempo. Consequentemente, as amostras de tensão e corrente coletadas pelos medidores podem ser sincronizadas usando o instante de deteçcão do afundamento de tensão como referência temporal.

Alguns trabalhos aplicam a teoria de ondas viajantes para sincronizar amostras, o que requerem técnicas de processamento de sinais ou um gerador de sinal de distúrbio (GRILO et al., 2014) contendo componentes ativos. Nesta tese é usado um algoritmo sim-ples baseado nas amplitudes dos sinais de tensão medidos para detectar a varia¸cão brusca

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nos módulos das tensões. Para executar a sincroniza¸cão das amostras é necessário que os me-didores tenham taxa de amostragem suficiente e capacidade de armazenamento dos registros da falta.

Em cada medidor, a oscilografia da tensão em uma fase sob falta é analisada. Uma janela de meio ciclo da frequência fundamental do sinal se move a cada amostra, e para cada janela é calculada a amplitude do sinal por (3.1), onde S é o valor instantâneo do sinal de tensão e N é o n´umero de amostras por ciclo.

S_{RM S}k = v u u u t 2 N k X n=1+k−N/2 S2_(n) _(3.1)

A sincroniza¸cão é feita com base no instante da amostra k, onde a condi¸cão (3.2) é satisfeita. Em (3.2) ∆Sk ₌ S k RM S− SRM Sk−1

. A Figura 3.2 ilustra o processo de varredura de uma oscilografia de falta, coletada no medidor com 16 amostras/ciclo, até a amostra de sincroniza¸cão k. A amostra de sincroniza¸cão k também é utilizada para separar o sinal pré-falta e o sinal durante a falta.

∆Sk_{> 2 × max (∆RMS)} (3.2) ∆RMS = " ∆Sk−1; ∆Sk−2; ...; ∆Sk−N # (3.3) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 x 104 janela 1

janela 2 janela 10_{janela 11} amostra 8 amostra 9 amostra k − 1 amostra k amostras te n s˜a o (V )

Figura. 3.2: Sinal de tens˜ao.

O vetor ∆RMS mostrado em (3.3) contém as varia¸cões de amplitude entre meio ciclos consecutivos. Essas varia¸cões, ∆Sk_{, são próximas de zero na condi¸cão pré-falta. Portanto, o}

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súbita na amplitude do sinal. Para extrair os fasores das oscilografias em cada medidor, é utilizada a transformada discreta de Fourier (SMITH, 1999), executada nos sinais de tensão e corrente pré-falta entre as amostras [k − N, k − 1] e nos sinais de tensão e corrente em regime permanente da falta entre as amostras [k + 2N, k + 3N − 1].

3.3 Faltas em Sistemas de Distribui¸c˜

ao

Os sistemas de distribui¸cão de energia são suscet´ıveis à ocorrência de faltas, que podem ser definidas como desligamentos não programados temporários ou permanentes, causados principalmente por: (a) condi¸cões climáticas adversas (e.g. vento e descargas atmosféricas); (b) contato de objetos, animais ou árvores com as redes elétricas; (c) manuten¸cão inade-quada, defeito e deteriora¸cão de equipamentos e componentes do sistema elétrico (ZAMBONI, 2013). As faltas temporárias são aquelas que são extintas após as tentativas de religamento da rede pelo sistema de prote¸cão, e estão, tipicamente, associadas a descargas atmosféricas, ventanias e contato de objetos, animais ou árvores com as redes elétricas. Nessas faltas, a continuidade do fornecimento de energia não é afetada de forma permanente. As faltas permanentes são aquelas que não se extinguem após as tentativas de religamento do sistema de energia, provocando a atua¸cão dos equipamentos de prote¸cão a montante mais próximos, interrompendo o fornecimento de energia para parte da rede.

As faltas também podem ser divididas em dois grupos: faltas série e em deriva¸cão (ANDERSON, 1995). As faltas série correspondem à ruptura dos cabos e não envolvem o neutro, a terra e muito menos entre as fases. As faltas em deriva¸cão estão associadas com curtos-circuitos envolvendo a terra, as fases ou entre as fases e a terra. As faltas em deriva-¸cão são estudadas nesta tese, e podem ser classificadas em cinco tipos: (a) fase-terra; (b) bifásicas; (c) bifásicas-terra; (d) trifásicas; (e) trifásicas-terra. Estas faltas são ilustradas na Figura 3.3. Nesta tese, é dada ênfase ao estudo de faltas fase-terra, por se tratar das faltas mais comuns em sistemas de energia elétrica (PAITHANKAR; BHIDE, 2010), entretanto, os métodos propostos podem ser aplicados para todos os tipos de falta em deriva¸cão.

A ocorrência das faltas prejudica a confiabilidade da rede e a qualidade da energia elé-trica. Os principais eventos que deterioram a qualidade da energia elétrica, provocados pela ocorrência de faltas, são os transitórios impulsivos e as varia¸cões de tensão de curta dura-¸cão (elevadura-¸cão, afundamento e interrupdura-¸cão) (IEEE. . ., 2009). Os transitórios eletromagnéticos impulsivos são gerados no momento e no local da falta e se propagam por toda a rede com

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(a) fase-terra (b) bif´asicas (c) bif´asicas-terra

(d) trif´asicas (e) trif´asicas-terra

Figura. 3.3: Tipos de falta.

velocidade próxima a da luz. A amplitude dos transitórios depende principalmente do ângulo de incidência da falta, da resistência de falta e dos parâmetros do sistema de energia. Esses transitórios não alteram a condi¸cão de opera¸cão em regime permanente do sistema de ener-gia, mas podem causar falhas nos isolamentos de equipamentos e em componentes do sistema elétrico, bem como podem causar danos aos dispositivos eletrônicos. O eleva¸cão de tensão é definido como o aumento no valor eficaz da tensão durante meio ciclo da componente de frequência fundamental por até 1 minuto, a uma faixa de 1,1 a 1,8 p.u. O afundamento de tensão é a diminui¸cão temporária do valor eficaz de tensão durante meio ciclo da componente de frequência fundamental por até 1 minuto, a uma faixa de 0,1 a 0,9 p.u. A interrup¸cão de tensão é a diminui¸cão da tensão a um valor menor que 0,1 p.u, durante meio ciclo da componente de frequência fundamental por até 1 minuto.

3.4 Fontes de Erros em M´

etodos de Localiza¸c˜

ao de

Fal-tas

Na concep¸cão de novas técnicas para localiza¸cão de faltas em Sistemas Modernos de Distribui¸cão de Energia Elétrica busca-se minimizar a influência dos principais agentes cau-sadores de imprecisões, que estão relacionados com as condi¸cões de falta, bem como às ca-racter´ısticas f´ısicas e operacionais da rede. Os principais fatores são: