Abstract— This work describes an algorithm which allows the trip acceleration on zone 2 of non-communicated distance relays for cases where faults are located inside the protected line. The algorithm is based on the detection of remote breaker operation following a zone 2 fault detection by local distance relay and it uses as a basis the monitoring of changes on a proposed signal. This algorithm is evaluated using data from fault cases generated by an electromagnetic transients program for different fault and operation conditions of a test power system. Real time operation is validated by implementing the proposed algorithm into a distance relay model using generic data acquisition and signal processing hardware. This relay is then evaluated using a real time digital simulator RTDS and throughout the tests, the results show that proposed algorithm is able to provide accelerated zone 2 trips with reduced operating times than those issued by relays using conventional zone 2 trip.

Keywords— protective relaying, real time simulation, transmission lines.

I. INTRODUCCIÓN

N la actualidad, el uso de relevadores de distancia no comunicados para proteger líneas aéreas de transmisión

de alto voltaje es limitado debido al atraso en tiempo de operación que toma la segunda zona de protección de estos dispositivos para propósitos de coordinación y que por tanto no satisfacen los requerimientos de remoción rápida de falla [1], [2]. Una manera de resolver esta limitante es usar un canal de comunicación que permita a los relevadores en ambos extremos de la línea protegida compartir información referente a la falla y de esta forma reducir el tiempo de operación para fallas en segunda zona. Este canal de comunicación sin embargo aun se encuentra sujeto a un posible mal funcionamiento. Por lo tanto, sería muy ventajoso lograr que la línea de transmisión tuviera una cobertura total de protección de alta velocidad sin depender de un canal de comunicación si es que un algoritmo lo suficientemente seguro fuese desarrollado para tal propósito. En la literatura técnica ya se han propuesto algoritmos para acelerar el disparo en segunda zona o disminuir su retardo de tiempo [4]-[7]. Todos estos algoritmos se basan en el hecho de que cuando una falla en segunda zona (en F1 de la Fig. 1) es detectada por el relevador local RA, el interruptor BK2 en la terminal remota abre sin atraso de tiempo ya que la falla es detectada por el relevador RB en su primera zona de

G. Rosas Ortiz, Instituto Politécnico Nacional, México D. F., México,

grosaso@ipn.mx R. Mota Palomino, Instituto Politécnico Nacional, México D. F., México,

rmotap@ipn.mx

operación. De esta forma al detectar la apertura del interruptor remoto y considerando que la falla es detectada en segunda zona, el relevador local RA puede evitar el atraso de tiempo de segunda zona para disparar más rápidamente su interruptor local, de tal forma que la línea de transmisión quede cubierta con protección de alta velocidad. Esto resulta adecuado para los casos en los que el canal de comunicación llegue a fallar o no se encuentre disponible.

BK2 BK3 BK4CB

EB

ECRF

F1

RF

F2BK1A

EA RA RB RB2 RC

ZAB

Zona de protección instantánea

Z1

Z2

ZBC

IA

RB

RA Z1

Z2

Figura 1. Modelo del sistema de potencia de prueba empleado para evaluar el algoritmo propuesto.

Esta lógica puede extenderse de manera razonable para proveer con protección de alta velocidad a una línea de transmisión con tres terminales como la mostrada en la Fig. 2. Para esta condición se considera que el algoritmo propuesto ya debe estar implementado en los tres relevadores que protegen esta configuración de línea y que por lo tanto al momento de la falla en segunda zona (F1 de la Fig. 2) los dos o al menos uno de los dos relevadores RA y/o RD puedan detectar la apertura del interruptor remoto BK2.

Figura 2. Modelo del sistema de potencia de prueba con tres terminales empleado para evaluar el algoritmo propuesto.

II. ALGORITMO PROPUESTO

A. Antecedentes Una revisión de los trabajos anteriores en la literatura técnica permite identificar que la apertura del interruptor remoto que sigue una falla en segunda zona puede detectarse usando los cambios producidos en las corrientes de secuencia negativa y cero para el caso de fallas asimétricas. Cuando estas corrientes de secuencia exceden un valor de ajuste predeterminado y

G. R. Ortiz, Member IEEE and R. M. Palomino, Senior Member IEEE

Implementation and Real Time Test of an Accelerated Zone 2 Trip Scheme for Non-

Communicated Distance Relays

E

1916 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 10, NO. 4, JUNE 2012

cuando las condiciones de falla en segunda zona se satisfacen entonces se habilita el disparo acelerado del interruptor local [4], [5]. Otros trabajos posteriores que usan también el monitoreo de corrientes de secuencia introducen además una zona extra de protección llamada “zona de disparo acelerado” que es ajustada para cubrir el porcentaje de la línea que no está cubierta por la primera zona y que en teoría al incidir la impedancia aparente en esta zona permitiría junto con un cambio en las corrientes de secuencia permitir el disparo acelerado para fallas en segunda zona [5]. Sin embargo, en estos últimos trabajos los errores de medición en los transductores hacen que el uso de la llamada “zona de disparo acelerado” sea impráctica. Todos los algoritmos que detectan cambios en las corrientes de secuencia como una manera de detectar la apertura del interruptor remoto tienen como desventaja principal una baja sensibilidad para el caso de fallas entre líneas que no incluyan al neutro (fallas LL). En este caso los cambios debidos a la apertura del interruptor remoto se deben detectar únicamente en la corriente de secuencia negativa y la cual en muchos casos no es lo suficientemente grande para exceder el valor de ajuste. Otro principio propuesto en [6] monitorea la parte reactiva de la impedancia vista por los elementos de distancia monofásicos no fallados. Estos elementos son usados sin incluir la corrección por retorno del neutro. Esta técnica puede por lo tanto detectar el disparo tripolar del interruptor remoto que sigue a una falla asimétrica en segunda zona. El principio asume que para fallas internas la reactancia en las fases no falladas debe cambiar de una condición de carga u operación normal en la línea a una condición de circuito abierto una vez que el interruptor remoto ha operado, es decir la reactancia cambia de un valor finito a uno “infinito”. Desafortunadamente, las mismas condiciones para operar en una línea de transmisión con más de dos terminales como la que se muestra en la Fig. 2 no se satisfacen ya que aun después de la apertura del interruptor remoto existe flujo entre las dos terminales A y D que quedan y que no permiten que la reactancia en las fases no falladas cambie a un valor infinito. Aunque una línea de transmisión con tres terminales representa una alternativa económica para incrementar la robustez de un sistema de potencia, esta configuración también aumenta la complejidad en cuanto a su protección [1], [2]. Para proteger este tipo de configuración de líneas de manera satisfactoria se usan relevadores de distancia con canal de comunicación. Las desventajas en caso de que el canal de comunicación falle ya se han mencionado. Los relevadores de distancia no comunicados sufren en este tipo de líneas de una variación severa en el alcance de sus zonas de protección debido a la corriente que se inyecta en la terminal intermedia. Normalmente se refleja esto como una reducción en la primera zona que obliga a la segunda a cubrir un mayor porcentaje de la línea. Esta situación por lo tanto afecta severamente el desempeño de este tipo de protección. Por este motivo, sería muy ventajoso proveer a una línea de transmisión de este tipo con un mecanismo que permita reducir el tiempo de disparo de segunda zona en caso de mal funcionamiento del canal de comunicación.

B. Descripción del algoritmo propuesto El algoritmo propuesto en este documento se basa en el monitoreo de una señal compuesta que se usa para detectar la operación del interruptor remoto cuando una falla en segunda zona de protección ha tomado lugar. La señal es elegida entre muchas otras con base en un análisis detallado de los resultados de simulaciones de prueba. La señal a monitorear es la relación X/R definida como el resultado de la división de la reactancia medida en los elementos monofásicos no fallados (X) entre la parte resistiva (R) de la impedancia de los mismos elementos. Tanto R como X son valores obtenidos de los elementos de distancia monofásicos convencionales del relevador local. Para describir el principio, se considera el caso de ocurrencia de una falla monofásica en segunda zona (falla AG zona-2) que toma lugar en F1 de la Fig. 1. Para esta falla, la Figura 3a muestra lo que sería la impedancia aparente medida por el relevador RA en sus elementos monofásicos no fallados (BG y CG). En la misma figura, la línea gruesa que conforma la trayectoria circular muestra los valores posibles que la impedancia no fallada vista por RA tomaría. Esto dependiendo de la cantidad de potencia que se transfiera en la línea a un determinado instante representada por el ángulo de separación δ entre las fuentes (con valores de alrededor de ±60o). La línea punteada en la misma trayectoria circular es la ruta que la impedancia de carga representando la transferencia de potencia en la línea seguiría si δ excediera los valores antes mencionados [2]. Este último caso podría llevar a una condición de pérdida de sincronismo en el sistema, situación que se encuentra fuera del alcance de este documento.

Figura 3. Forma de la impedancia que representa condiciones de carga para a) una línea con dos terminales, b) una línea con tres terminales.

Para un caso especifico en un línea de transmisión de dos terminales, durante una falla asimétrica en segunda zona, la trayectoria de la impedancia no fallada cambia de una condición normal de carga representada por cualquier valor ±δ en la línea circular gruesa cuando el interruptor remoto está cerrado al punto donde δ=0° que representa a la terminal remota abierta o ya sin carga cuando el interruptor remoto abre. En tal escenario, la relación X/R tiene un cambio repentino ya que X incrementa mientras que R disminuye significativamente. Es claro que si la transferencia de potencia en la línea es muy baja (cercana a cero), ocurriría un cambio muy pequeño en la relación X/R cuando el interruptor remoto abriera.

ROSAS AND MOTA : IMPLEMENTATION AND REAL TIME TEST OF AN 1917

Para el caso de una línea con tres terminales como la mostrada en la Fig. 2, un efecto similar al caso anterior se espera para una falla simétrica en F1, sin embargo, el cambio en la relación X/R es menor debido a la inyección intermedia de corriente de la tercera terminal. El radio de la forma de impedancia de la carga en este tipo de línea se reduce tal y como se muestra en la Fig. 3b. Esta reducción del radio es debido a una contribución de corriente que se inyecta desde el bus D (infeed) considerada en este análisis. Una corriente en sentido contrario (outfeed) resulta en un radio de impedancia más grande que el que representa a una línea de dos terminales y aun así el principio que se propone aquí también aplica. La Fig. 4 muestra las trayectorias de la impedancia que representan a las condiciones de carga en líneas con dos y tres terminales. De esta última figura, la impedancia aparente de las fases no falladas medidas en RA cambian de un punto particular de carga (punto 2) en una línea de tres terminales a otro punto particular de carga (punto 1) que representa a una línea de dos terminales cuando el interruptor remoto ya operó. En esta misma figura se puede ver la ventaja de usar una señal que involucre tanto a la parte reactiva como la resistiva de la impedancia compleja no fallada ya que estos dos componentes tienen un cambio debido a la apertura del interruptor remoto BK2. El cambio en la señal X/R por tanto, se puede detectar y debería ser más grande que cualquier otro cambio producido por otros disturbios que ocurran en el sistema al mismo tiempo, específicamente los debidos a variaciones de carga, al asumir que cualquier variación repentina de carga no es comparable a la pérdida total de una terminal durante condiciones de falla a menos que esta terminal sea muy débil. Además, los cambios de carga son por naturaleza lentos y graduales y no deberían afectar el principio propuesto aquí. Los cambios detectados en la señal X/R pueden ser comparados con un valor de preajuste el cual si es excedido por algún tiempo permite asumir que dicho cambio se produjo debido a la apertura del interruptor remoto.

Figura 4. Forma de la impedancia de carga para equivalentes de línea de dos y tres terminales.

C. Pruebas realizadas al algoritmo propuesto El principio propuesto compara cambios de la señal compuesta X/R con un valor de preajuste. Este principio mostrado en el diagrama de flujo de la Fig. 5 comienza a operar cuando una falla no simétrica y en segunda zona es detectada y se mantiene así hasta que las condiciones para dar un disparo acelerado son cubiertas. En caso contrario, un

disparo convencional en segunda zona será dado hasta que el tiempo de atraso se cumpla. El tipo de falla debe determinarse primero para que el algoritmo pueda tomar cualquier decisión puesto que la base del algoritmo es el detector de cambios por fase(s) no fallada(s) X/R, en donde: ΔX/RLG(U1),LG(U2) representa el cambio delta en la relación

X/R de cada uno de los elementos de distancia monofásicos no fallados, es decir, para una falla AG, el subíndice LG(U1) se refiere al valor de la impedancia de el elemento o unidad BG mientras que LG(U2) se refiere a la impedancia de la unidad CG. ΔX/RLG(U1) considera la relación X/R de la única unidad no fallada para el caso de fallas entre líneas (LL o LLG) por lo que para una falla BC la relación X/R a monitorear sería la de la impedancia de la unidad AG. ΔX/Rth es un valor de preajuste. Este valor es el mismo sin

importar si la falla es SLG o entre líneas. Un comando de disparo acelerado es permitido si las condiciones del algoritmo se cumplen por un determinado número de muestras consecutivas, considerando también que el tipo de falla no ha cambiado y que se mantiene en la segunda zona de protección. En caso contrario el algoritmo regresa al inicio para esperar nuevos cambios en la señal monitoreada.

Figura 5. Diagrama de flujo del algoritmo propuesto

El algoritmo propuesto es evaluado usando el programa de transitorios electromagnéticos EMTDC/PSCAD para simular la operación del sistema de potencia de prueba y Matlab para simular un modelo de relevador de distancia con el algoritmo propuesto aquí incluido. Esta fase de prueba consideró la variación de parámetros en el modelo del sistema de potencia de prueba para evaluar el desempeño del algoritmo propuesto. Los detalles del sistema de potencia de prueba usado durante este análisis se muestran en el Apéndice. Una frecuencia de muestreo de 1920 Hz. o 32 muestras por ciclo para las señales de entrada al algoritmo de protección propuesto fue usada para esta fase de simulación. Un filtrado de las señales de entrada fue necesario para remover posibles efectos adversos

1918 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 10, NO. 4, JUNE 2012

debido a fenómenos de enmascaramiento de la señal (aliasing) y a componentes exponenciales decayentes de corriente directa. Una gran cantidad de simulaciones transitorias en EMTDC fueron realizadas para simular distintas condiciones de falla y de operación del sistema de potencia de prueba descrito en el apéndice A. Parámetros tales como el tipo y la localización de falla así como su resistencia se variaron en esta etapa. También valores diferentes de la relación de impedancia de fuente a línea (SIR) fueron usados junto con una variación en el ángulo equivalente de cada una de las fuentes que conforman el sistema de potencia para simular distintas condiciones de operación. La variación de todos los paramentaros anteriores se llevo a cabo para líneas con dos y tres terminales tanto para fallas internas como externas. De lo anterior, considerando fallas en una línea de dos terminales se obtuvieron 252 y 645 casos para fallas internas y externas, respectivamente, mientras que para una línea de tres terminales el número de casos de falla se aumento a 1332 y 990 de manera respectiva. El algoritmo propuesto fue implementado en el relevador RA para una línea de dos terminales mientras que para caso de la línea de tres terminales la implementación se realizo en los relevadores RA y RD. En este documento se presentan un par de ejemplos que muestran la efectividad del algoritmo propuesto, al acelerar el disparo en segunda zona para una falla interna y al evitar disparos acelerados para el caso de fallas en segunda zona externas a la línea protegida. En el primer ejemplo se ilustra una falla entre fases B y C que se produce al 80% de la línea AB de dos terminales de la Fig. 1 (falla bifásica interna en F1 vista por el relevador en el bus A) seguida por la operación del interruptor BK2 de la terminal remota. Para este ejemplo un disparo acelerado del interruptor BK1 se espera. La Fig. 6 muestra el plano de impedancia compleja con las zonas de protección del relevador y la impedancia aparente medida por el relevador.

Figura 6. Plano de impedancia compleja

La Fig. 7 para el mismo caso muestra cuatro graficas que representan de arriba hacia abajo al detector de fallas en segunda zona, el tipo de falla, el estado del interruptor local BK1 (0 cerrado, 1 abierto), y a las señales X/R de las fases no falladas que se usan para detectar la apertura del interruptor remoto. Para este ejemplo, el detector de segunda zona se activa debido a la ocurrencia de la falla. La falla se clasifica y

en este caso se mantiene sin cambio. Se detecta un cambio en la señal X/R debido a la apertura del interruptor remoto BK2. El interruptor local opera ya que el cambio de la señal X/R excede al valor de ajuste. El tiempo del disparo acelerado para este caso es de aproximadamente 50 ms.

Figura 7. Señales que muestran la secuencia del disparo acelerado

El segundo caso muestra una falla externa producida al 105% de la línea AB (en F2 de acuerdo a la Fig. 1) seguida por la operación del interruptor BK4 que se localiza al final de la línea adyacente BC. Debido a que la falla vista por RA es externa a la línea protegida de acuerdo a la impedancia en la Fig. 8 y a que el cambio en la señal X/R no excede el valor de ajuste en ningún momento tal como se ve en la Fig. 9, el interruptor BK1 opera sin acelerar disparo y con un atraso de tiempo convencional de zona 2. Para propósitos de este caso el interruptor BK3 en la línea adyacente no opera para aislar la falla.

Figura 8. Plano de impedancia compleja

Los resultados del algoritmo propuesto se comparan con los resultados con los resultados de otros algoritmos de aceleración de disparo de zona 2 ya disponibles en la literatura técnica usando los casos de prueba ya descritos anteriormente. El primer algoritmo usado en la comparación es basado en el monitoreo de corrientes de secuencia [4] y el segundo es basado en el monitoreo de la reactancia de fase(s) no fallada(s) [6]. Los resultados de esta comparación se muestran en la Fig. 10 en términos de la variación en el valor de SIR, la resistencia de falla, localización de falla y el tipo de falla y son graficados en por ciento del total de operaciones correctas.

ROSAS AND MOTA : IMPLEMENTATION AND REAL TIME TEST OF AN 1919

Figura 9. Señales que muestran la secuencia de no disparo acelerado

a)

Ope

raci

ones

cor

rect

as(%

)

Ope

raci

ones

cor

rect

as(%

)

b)

Figura 10. Comparación del desempeño de las diferentes técnicas para acelerar el disparo en zona 2 de relevadores no comunicados para distintas condiciones de falla en a) línea con dos terminales y b) línea con tres terminales.

De las Figs. 10a y b se puede apreciar que el algoritmo propuesto es el que ofrece en general mejores resultados que los otros principios de la literatura técnica aunque se ve afectado por la reducción de la relación SIR, es decir, cuando la robustez del sistema disminuye, mientras que la variación de otros parámetros del sistema de potencia no afectan su desempeño de forma notable.

D. Implementación en tiempo real del algoritmo propuesto En esta sección se explora la viabilidad de operación en tiempo real del algoritmo propuesto. Esta etapa requiere el uso de un simulador digital en tiempo real RTDS [7] para la simulación transitoria del sistema de potencia de prueba en tiempo real que interactúa con la implementación en hardware del algoritmo propuesto en lazo cerrado. Esta implementación del algoritmo llamado aquí “relevador prototipo” requiere el uso de hardware genérico comercial de adquisición y procesamiento de datos. Para la implementación del algoritmo propuesto en este trabajo se requirió también de un modelo simplificado de un relevador de distancia. Las características del modelo de relevador y los detalles de cada una de las etapas del procesamiento de datos empleado en este trabajo se resumen a continuación: Etapa de pre-filtrado. Se requiere para eliminar los efectos

de enmascaramiento debido a un muestreo limitado. Esta es la etapa de filtrado pasabajos.

Etapa de estimación de fasores. En esta etapa se calculan los fasores correspondientes a las señales de voltajes y corrientes usando filtros de Fourier convencionales para protección con una longitud de ventana de un ciclo (DFT) [1]. Esta etapa también incluye la implementación de filtros para remover el componente decayente exponencial de corriente directa que se produce cuando ocurre un disturbio en el sistema (mimic filters), [8];

Etapa de cálculo de la impedancia aparente (seis unidades). Para esta etapa se calcula la impedancia en las tres unidades de fase a tierra (para fallas monofásicas) y en las tres unidades de fase (para el análisis de fallas bifásicas);

Unidad de control. Realiza la función de control de la lógica completa de operación del relevador y,

Otras unidades de control y cálculos extras. Funciones tales como el cálculo de potencia compleja, detección de fallas (arrancador del relevador), y clasificación del tipo de falla se incluyen aquí.

El modelo de relevador de distancia usado para este trabajo es del tipo Mho convencional con polarización propia. La unidad direccional que resulta ser una parte básica en cualquier modelo de relevador de distancia no se implemento en este trabajo debido a la naturaleza del problema que se trata aquí (fallas en la segunda zona de protección) y que por lo tanto no requiere el uso de una unidad de este tipo. El problema de direccionalidad se relaciona normalmente a fallas cercanas a la localización del relevador. La frecuencia de muestreo usada en este trabajo fue de 1920 Hz, o 32 muestras por ciclo a una frecuencia fundamental de operación del sistema de 60 Hz. Este valor de frecuencia de muestreo es usado en ambas etapas de simulación (simulación en PSCAD y en RTDS) para de esta forma evitar posibles fuentes de error. Los ajustes del modelo del relevador de distancia son los comúnmente usados de acuerdo a la literatura [1], [2]. El ajuste usado para la primera zona de protección de los relevadores de distancia para el caso de una línea de dos terminales es de 80% de la longitud total de la línea AB,

1920 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 10, NO. 4, JUNE 2012

mientras que el valor de ajuste para la segunda zona se fijo al 100% de la línea protegida más un 20% de la longitud total de la línea adyacente. Para el caso del ajuste de los relevadores de distancia que operan en una línea de transmisión con tres terminales, la primera zona se ajusta para cubrir el 80 a 90% de la longitud de la línea más cercana a la terminal remota, es decir, la línea más corta entre las tres terminales. Este ajuste se realiza sin considerar el efecto de la inyección de corriente intermedia de la tercera terminal. El ajuste realizado así permite que no exista un sobrealcance de la primera zona debido al error introducido por la contribución de corriente intermedia, que normalmente se agrega a la corriente total de falla (infeed). De esta forma, durante una falla y ya con la contribución de corriente intermedia, la primera zona de protección que es de disparo instantáneo se reduce lo que obliga a que un porcentaje mayor de la línea deba ser cubierto por la segunda zona de protección, la cual no es instantánea y conlleva las desventajas ya descritas. El algoritmo propuesto para esta sección se implementa con la misma lógica que la que se uso en la sección II-C de simulación en EMTDC, es decir, en el relevador RA de la Fig. 1 para una línea de dos terminales mientras que para la línea de tres terminales de la Fig. 2, la implementación se realizo en los relevadores RA y RD. De esta última configuración de línea, para fallas que ocurren en la segunda zona de protección de los dos relevadores prototipo existen dos modalidades de disparo acelerado que pueden ocurrir: El primer tipo es cuando los relevadores A y D detectan la

apertura del interruptor BK2 de manera simultánea y permiten la apertura de sus interruptores asociados casi al mismo tiempo.

El segundo tipo es cuando al menos uno de los dos relevadores por ejemplo RA detecta la apertura de BK2 y abre su interruptor asociado BK1. Esta segunda apertura de interruptor debe ser detectada por el relevador de la terminal restante ya que los cambios en la señal monitoreada son generalmente mayores y operar su interruptor asociado.

La operación no simultánea de los relevadores lleva a lo que se define aquí como un disparo secuencial acelerado (DSA). De esto resulta claro que durante una operación DSA el tiempo total de remoción de falla (TTRF) aumenta, sin embargo, en ningún caso este tiempo de operación será mayor que el tiempo que toma un disparo convencional en segunda zona. Este TTRF cuando el algoritmo opera en DSA aun representa una mejora sustancial sobre la operación convencional en segunda zona de relevadores no comunicados el cual está en el rango de 20 ciclos ó 300 ms. para una frecuencia de operación del sistema de 60 Hz. El relevador prototipo usado en este trabajo es implementado en un modulo que integra la parte de conversión analógica a digital de las señales de entrada al modelo y un microprocesador para la tarea de ejecución del algoritmo. Este modulo DSP tipo DT9842 es fabricado por Data Translation Inc. [9]. La ventaja de este modulo es en lo referente a la comunicación directa de la unidad de adquisición de datos (tarjeta de conversión de datos analógicos a digitales ADC) con el microprocesador TMS320C6713 de Texas Instruments

y los módulos internos de memoria, por lo cual ya no requiere de la intervención del usuario. La precisión y velocidad de la unidad de adquisición de datos resulta más que suficiente para las tareas de medición y protección, ya que cuenta con 8 canales de conversión de datos analógicos a digitales con una resolución de 16 bits y del tipo de aproximaciones sucesivas. Esta unidad puede realizar un muestreo simultáneo de los ocho canales de entrada a una tasa de muestreo de hasta 100k muestras por ciclo. Este modulo provee una interfaz tipo USB que permite la comunicación con una PC y hace uso de bibliotecas de funciones personalizadas que simplifican la parte de programación. El código que representa al modelo del relevador de distancia modificado con el algoritmo propuesto es creado en lenguaje C usando Code Composer Studio© [10] y se ejecuta en el modulo DSP para tener el relevador prototipo. Físicamente, este relevador prototipo se conecta al simulador en tiempo real RTDS a través de un banco de filtrado analógico que fue desarrollado específicamente para este trabajo y que evita los efectos del aliasing en las señales de entrada al relevador prototipo [11]. La salida dada por el relevador que es una señal binaria de disparo al interruptor controlado, es entonces enviada de regreso al simulador en tiempo real para de esta forma cerrar el lazo. Para los dos relevadores prototipo que fueron requeridos en este trabajo se requirieron dos arreglos de hardware idénticos que incluyeron bancos de filtrado analógicos. Las Figuras 11 y 12 muestran los arreglos esquemático y físico del equipo para esta fase de prueba.

Figura 11. Diagrama esquemático que muestra el arreglo del equipo para la prueba de lazo cerrado.

Un relevador comercial fue empleado también para proteger la línea y tomar control del interruptor BK2 para el caso de fallas en zona 1 (F1 en la Fig. 1). Un tiempo de atraso intencional de 2 ciclos fue agregado a los interruptores en todas las simulaciones transitorias para emular de esta forma el tiempo real que es requerido por interruptores de potencia para abrir sus contactos.

ROSAS AND MOTA : IMPLEMENTATION AND REAL TIME TEST OF AN 1921

Figura 12. Arreglo físico del equipo para la prueba de lazo cerrado.

Las Figuras 13 a 17 representan casos de falla seleccionados debido a limitantes de espacio. Las señales de retroalimentación al simulador RTDS generadas por los relevadores prototipo representan en dichas figuras el disparo de los interruptores asociados a estos relevadores dentro de la simulación, incluyendo ya un tiempo de operación de 2 ciclos. La descripción de cada una de las señales de arriba hacia abajo en estas figuras se describen como sigue. Las primeras cuatro graficas de señales digitales representan la ocurrencia de falla Fstart, y el estado del interruptor BK2 del bus remoto B dados por la interacción del usuario y la respuesta del relevador comercial, respectivamente, seguidas estas por el estado del interruptor BK1 en el bus A y BK5 en el bus D dadas por las respuestas de los relevadores prototipo. Estas graficas tienen una etiqueta asociada que muestra el tiempo en el cual cada una de las acciones ya descritas toma lugar. Las siguientes graficas muestran las señales representando ∆(X/R), ∆(Q/P) y los cambios en las corrientes de secuencia negativa y cero. Estas señales son calculadas usando lógica de bloques dentro de RSCAD y se muestran para el bus A solo para propósitos comparativos. Las dos señales ∆(X/R) y ∆(Q/P), en algunos casos muestran un gran número de oscilaciones en el lapso de tiempo del inicio de la falla a la operación del interruptor local. Estas oscilaciones sin embargo no se encuentran presentes en el proceso llevado a cabo dentro de los relevadores prototipo ya que un filtrado más intensivo y condiciones extra fueron implementados en la programación de su algoritmo para evitar tales oscilaciones. Todos los casos presentados en las siguientes dos secciones incluyen fallas que toman lugar en una línea de transmisión con tres terminales ya que la situación más sensible se presenta en tal configuración de línea. De igual manera, el lugar de falla para fallas internas se mantuvo fija al 80% de la línea AB aunque la evaluación completa del algoritmo propuesto cubre muchas otras localizaciones de falla también. 1) Resultados de casos de fallas internas a la línea. La Fig. 13 muestra la respuesta del relevador prototipo para una falla monofásica a tierra (LT) la cual se aplica al 80% de la línea AB de la Fig. 2 a 19ms del inicio de la grafica a través de una resistencia de falla de 3 ohm, el relevador comercial RB2 en el bus B opera el interruptor remoto BK2 a los 73.2ms. Una combinación de flujo de potencia en el sistema de -20°,0°,-20° representado por el ángulo equivalente de las fuentes A, B y D respectivamente es usado en este ejemplo. El

relevador prototipo RD detecta el cambio debido a la apertura del interruptor BK2 y dispara su interruptor asociado BK5 a los 127ms., esto es, 108ms. después del inicio de falla. El relevador RA detecta esta segunda operación de interruptor y dispara su interruptor asociado a los 175ms., lo que permite aislar la falla en el sistema (156ms. después del inicio de falla). Un disparo convencional de segunda zona para esta condición toma más de 300ms. para remover dicha falla.

Figura 13. Falla AG al 80% de la línea AB con Rf de 3 Ohms.

En la Fig. 14 una falla entre fases (LL) se produce al 80% de la línea AB con una resistencia de falla de 0.5 ohm a los 16ms. Una combinación de flujo de potencia en el sistema de 20°,0°,20° para el ángulo de las fuentes A, B y D respectivamente, es usado en este caso. El interruptor remoto abre en 74.4ms. (58 ms después del inicio de falla).

Figura 14. Falla BC al 80% de la línea AB con Rf =0.5 Ohms.

Los relevadores prototipo RA y RD detectan la transición debido a la operación de BK2 y envían un disparo acelerado a sus respectivos interruptores para remover la falla en 116ms. El TTRF para este caso se logra en alrededor de 100ms.

2) Resultados de casos de fallas externas a la línea Es un requisito básico que el algoritmo propuesto aquí no opere para el caso de fallas externas o de lo contrario la seguridad del esquema de protección complete podría verse comprometido. Para los escenarios de falla empleados para evaluar el algoritmo propuesto no se observan disparos acelerados en falso como se muestra en las Figuras 16 y 17. Los casos totales incluyen combinaciones de flujo de potencia hacia adelante y hacia atrás en el sistema de prueba y combinaciones de estos. Los cambios relativos de las señales monitoreadas en los casos siguientes se mantienen muy por debajo del valor de ajuste propuesto y por tanto ningún disparo en falso es dado. Sin embargo, cabe resaltar aquí que para el principio basado en monitoreo de corrientes de secuencia solamente [4] si se podría llegar a tener un disparo en falso del interruptor local

1922 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 10, NO. 4, JUNE 2012

ya que el ajuste propuesto es muy pequeño y para fallas LT y LLT los cambios en dichas corrientes de secuencia son por lo general más grandes.

Figura 16. Falla AG al 5% de línea BC con Rf de 3 Ohms.

Fig. 17. Falla BC al 5% de línea BC con Rf de 0.5 Ohms.

III. CONCLUSIONES

En este documento se describe el principio de operación y las pruebas de desempeño de un algoritmo capaz de acelerar el disparo en segunda zona de relevadores de distancia no comunicados para el caso de fallas internas que incidan en esa zona de protección. Este algoritmo se basa en la detección de la apertura tripolar del interruptor remoto que se produce después de que una falla en segunda zona toma lugar en la línea protegida. Los resultados de simulaciones muestran que la técnica propuesta tiene un mejor desempeño que las técnicas ya propuestas en la literatura para el caso de líneas con tres terminales, mientras que el desempeño mostrado para el caso de líneas de dos terminales es muy similar. Los tiempos de operación de la técnica propuesta son del orden de 70 a 150 ms. Este último tiempo corresponde a un disparo acelerado de tipo secuencial y que aun representa una reducción de cerca de la mitad del tiempo que toma para operar un disparo convencional en segunda zona, el cual es del orden de 300 ms. La viabilidad de operación de la técnica propuesta para su operación en tiempo real es confirmada con la implementación en hardware de relevadores prototipo los cuales son conectados en una prueba de lazo cerrado con un simulador digital de transitorios electromagnéticos en tiempo real (RTDS). Finalmente, se propone que este algoritmo ya implementando en relevadores de distancia sea usado dentro de un esquema de protección de respaldo de alta velocidad para proteger líneas de transmisión en la eventualidad de que el canal de

comunicación falle, se degrade o no esté disponible.

APÉNDICE: PARÁMETROS DEL SISTEMA DE POTENCIA DE

PRUEBA:

Datos de fuentes: Potencia 100 MVA

Frecuencia base (Hz) 60 Hz

Impedancia de sec(+) Ω * 3.8473 ∠80°

Impedancia de sec(0) Ω * 3.8473 ∠80°

Datos línea de transmisión:

Z1=Z2 (Ohms) a 100km 1.85+38.19i

Z0 (Ohms) 34.584+120.07i

Longitudes de líneas AB (en 2T) = 100km; AT, BT, DT = 50km; BC = 100 km

*valores a los cuales SIR= 0.1 (sistema robusto)

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[10] Texas Instruments, Code Composer Studio User’s Guide, 2005. [11] Active Bessel Filter Unit - Documentation prepared by The Electronics

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Germán Rosas Ortiz received the B. Eng. and MSc degrees from National Polytechnic Institute in Mexico in 1993 and 2000 respectively, and the PhD degree from the University of Western Ontario, London Ontario, Canada in 2007. His main research interests include algorithm development for power system protection, real time applications and digital signal processing.

Ricardo Mota Palomino received the MSc degree from National Polytechnic Institute in Mexico in 1976 and the PhD degree from the University of Waterloo in 1985. He is currently a full-time research professor at National Polytechnic Institute. His research interests include the analysis, planning and protection of distribution networks and power systems

ROSAS AND MOTA : IMPLEMENTATION AND REAL TIME TEST OF AN 1923