BR0005389B1

BR0005389B1 - Método para filtragem de um sinal elétrico e filtro associado a um relé de proteção

Info

Publication number: BR0005389B1
Application number: BRPI0005389-9A
Authority: BR
Inventors: Louis Chi Hoi Cheng
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2014-01-07
Also published as: DE60045232D1; CA2329127C; AU771746B2; EP1078431B1; JP4325970B2; WO2000055952A1; ES2352413T3; CN1296656A; CN100392931C; EP1078431A1; ATE488897T1; BR0005389A; JP2002539755A; AU3877100A; CA2329127A1; US6473723B1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “MÉTODO PARA FILTRAGEM DE UM SINAL ELÉTRICO E FILTRO ASSOCIADO A UM RELÉ DE PROTEÇÃO".

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

Quando monitorando um sistema de energia para detectar falhas de sistema, o equipamento de proteção é tipicamente configurado para executar um número de rotinas de diagnóstico, ou de monitoração. Uma tal rotina inclui determinar se os componentes de freqüência de corrente fundamental estão dentro de uma faixa ou envelope aceitável. Mais especificamente, o equipamento de proteção está configurado para determinar periodicamente o componente de freqüência do sistema de energia fundamental dos sinais de corrente do sistema de energia para cada fase. Uma vez que o componente de freqüência fundamental do sinal de corrente é determinado para cada fase, cada componente é comparado com um envelope desejado pré-selecionado. Se o componente fundamental determinado estiver dentro do envelope, então o teste de diagnóstico do assunto é aprovado. Se, no entanto, o componente fundamental não estiver dentro do envelope, uma tal condição pode ser indicativa de um defeito em potencial ou de outro problema. Se uma tal condição persiste, o equipamento de proteção pode operar para abrir o circuito associado com o componente fora de faixa. Uma vez que o circuito é aberto, um operário da instalação tipicamente deve localizar e corrigir a causa raiz do componente de corrente fora de faixa, e então fechar o mecanismo de disjuntor no equipamento de proteção.

De modo a identificar precisamente o local de um defeito, por exemplo, o componente de corrente fundamental é analisado para determinar a distância do equipamento de proteção para o defeito. No desempenho de tal análise, é desejável remover os desvios decadentes do componente de freqüência do sistema de energia fundamental do sinal de corrente para melhorar a precisão. Os desvios decadentes usualmente ocorrem nas correntes de linha durante os transientes de sistema de energia e são causados pela resposta das impedâncias indutivas e resistivas na linha. A correção para um tal desvio decadente deve compensar a natureza variável no tempo do deslocamento.

Uma vez que o desvio decadente tenha sido removido, o componente de freqüência fundamental do sinal corrente pode ser analisado para facilitar localizar o defeito.

Os circuitos e os filtros de imitação são conhecidos os quais modelam matematicamente o comportamento da linha de transmissão de acordo com a função IZ (t) = i(t) · R + v(t), onde v(t) = L(di(t) / dt). Este sinal de saída é a soma de dois termos: o primeiro termo proporcional ao produto da resistência de imitação e da corrente de linha, e o segundo termo proporcional ao produto da indutância de imitação e a derivada de tempo da corrente de linha. A função acima é geralmente utilizada para remover os desvios decadentes. Geralmente, uma transformada de Fourier discreta (DFT) é utilizada para determinar o componente de freqüência do sistema de energia fundamental e o harmônico de cada corrente de linha. A técnica de imitação tem limitações. Por exemplo, a diferenciação do sinal de entrada amplifica os harmônicos de alta freqüência, particularmente em dispositivos industriais tais como os acionamentos a motor e os cicloconversores. A amplificação destes harmônicos de alta freqüência pode resultar em falsos picos de corrente, os quais podem fazer com que o relé de proteção abra em um momento incorreto. Este problema se tornou mais problemático conforme a velocidade do equipamento de proteção aumentou.

Em uma implementação digital, os filtros de imitação tipicamente baseiam-se na diferenciação de duas amostras de entrada. De modo a compensar um pico de sinal falso, os ganhos diferenciais são reduzidos pelo aumento do período de amostragem. No entanto, o aumento no período de amostragem tende a diminuir a largura de banda do filtro.

Outras técnicas são conhecidas. Por exemplo, para reduzir o número de computações necessárias para executar a correção de deslocamento, a Patente dos EUA 5.798.932 descreve a separação de detecção de defeito e a determinação de localização de defeito. Mais especificamente, esta patente reconhece que os desvios decadentes não necessariamente têm que ser removidos dos fasores de corrente de modo a determinar se um defeito existe, e que os desvios decadentes necessitam somente ser removidos quando utilizando os fasores para localizar o defeito. Pela inversão da ordem das etapas de processo executados de modo que os valores de fasor sejam gerados e então, quando necessário, removendo os desvios decadentes dos valores de fasor gerados, a carga computacional pode ser significativamente reduzida em certas aplicações. A Patente dos EUA 5.796.630 descreve um sistema de relé protetor determinado em parte para remover a influência de componentes harmônicos que podem estar presentes em uma corrente defeituosa. O sistema inclui um filtro digital para emitir um primeiro e um segundo dados variáveis elétricos de diferença indicativos da primeira e da segunda diferenças entre pelo menos dois dados de amostra da primeira e da segunda variáveis elétricas. O sistema também inclui um filtro de adição para emitir um primeiro e um segundo dados variáveis elétricos aditivos indicativos dos dados de vetor ortogonal com respeito ao primeiro e ao segundo dados variáveis elétricos de diferença. O sistema ainda inclui uma unidade de controle de relé para calcular as variáveis controladas de uma operação de relé dentro do sistema de energia na base do primeiro e do segundo dados variáveis elétricos de diferença a um certo tempo de amostragem, de modo a determinar se a proteção do sistema de energia deve ser executada ou não. A Patente dos EUA 4.577.279 descreve um método de um aparelho para fornecer uma compensação de deslocamento. Os efeitos de um sinal de ruído exponencial transiente são removidos pela amostragem de um sinal senoidal, tirando a média do transiente sobre um intervalo de tempo que corresponde a um número de ciclos do sinal senoidal, e subtraindo a média da amostra no ponto médio do intervalo de tempo.

Enquanto estas e outras técnicas para lidar com os deslocamentos são conhecidas, nenhuma fornece adequadamente uma técnica rápida, confiável, e precisa para filtrar o ruído do sinais de sistema de energia fornecidos para os relés de proteção enquanto evitando falsos picos de sinal.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em vista da discussão acima, seria desejável fornecer uma técnica confiável, rápida e precisa para filtrar os sinais de sistemas de energia. Seria ainda desejável para uma tal técnica evitar os falsos picos de sinal. Seria ainda desejável para uma tal técnica ser sintonizável para diferentes aplicações, e que uma tal técnica fosse realizável em circuitos analógicos ou digitais. A presente invenção se dedica às preocupações acima, e alcança vantagens adicionais, proporcionando uma técnica de filtragem a qual, de acordo com as modalidades exemplares, substitui a diferenciação de um filtro de imitação convencional com uma pseudodiferenciação para suprimir os sinais de baixa freqüência. De acordo com um exemplo, o pseudodiferenciador consiste em um ganho proporcional Kp e de um integrador em um loop de retorno. Assim, de acordo com um método exemplar da presente invenção, o sinal elétrico de entrada é recebido, ajustado por (por exemplo, reduzido por) um valor de retorno e amplificado para fornecer um sinal de saída. O ruído é removido do sinal de entrada baseado no sinal de saída. O valor de retorno é determinado pela integração do sinal de saída. A presente invenção assim fornece uma técnica rápida, confiável e precisa para filtrar o ruído enquanto evitando os falsos picos de sinal.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A presente invenção pode ser mais totalmente compreendida quando da leitura da Descrição Detalhada em conjunto com os desenhos acompanhantes, nos quais: FIG. 1 é um diagrama de blocos de um pseudodiferenciador de acordo com uma modalidade da presente invenção; FIG. 2 é um gráfico de fluxo que descreve um método para filtrar um sinal de acordo com uma modalidade da presente invenção; FIG. 3 é um diagrama de um circuito analógico adequado para implementar um filtro de imitação de acordo com a presente invenção; FIG. 4A-B são gráficos de forma de onda de um sinal de entrada, e uma comparação de resposta de saída de um filtro de imitação convencional e de um filtro de imitação exemplar de acordo com a presente invenção, respectivamente; FIG. 5A-B são gráficos de Bode que mostram a resposta de magnitude e fase, respectivamente, de um filtro de imitação convencional; e FIG. 6A-B são gráficos de Bode que mostram a resposta de magnitude e fase, respectivamente, de um filtro de imitação exemplar de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Referindo a FIG. 1, um diagrama de blocos de um pseudodiferenciador 10 de acordo com uma modalidade da presente invenção é mostrado. Neste exemplo, o pseudodiferenciador 10 está incorporado em um filtro contido em, ou de outro modo operativamente associado com, um relé de proteção. Um sinal L*i(t) representa uma corrente em uma linha associada com um relé de proteção a qual é multiplicada indutância L associada com a linha. Desta entrada, um valor de retorno, gerado por um loop de retorno a ser discutido abaixo, é subtraído para gerar um sinal de entrada modificado. O sinal de entrada modificado é alimentado para um amplificador 10 que tem um valor de ganho proporcional Kp, aonde o sinal de entrada modificado é amplificado pelo valor Kp, e o valor amplificado é emitido como um sinal v(t). Este sinal v(t) é utilizado na equação de modelo tradicional IZ (t) = i(t) · R + v(t), e o valor deslocado pode ser compensado utilizando as técnicas convencionais. O loop de retorno mencionado acima envolve fornecer o sinal amplificado para um integrador 14, aonde o sinal amplificado é integrado sobre o tempo, e a integração é multiplicada por um valor de ganho integral Ki. O sinal integrado e multiplicado é então subtraído do sinal de entrada L#i(t).

Quando implementado em um filtro, o pseudodiferenciador substitui o diferenciador da equação de modelagem tradicional IZ (t) = i(t) · R + v(t) (aonde v(t) é tradicionalmente equacionado com L(di(t) / dt). Assim, a equação de modelagem utilizando o pseudodiferenciador da FIG.1 se torna: IZ (t) = i(t) · R + [Kp.L / (1+Kp.KiJlZ(t)dt)].i(t), aonde Kp é o ganho proporcional e Ki é o ganho integral. Este modelo matemático pode ser implementado em um circuito analógico utilizando resistores, capacitores, e outros componentes adequados, um exemplo do qual será descrito abaixo. Os valores de componente podem ser selecionados para ajustar os valores de ganho proporcional e integral.

De acordo com um aspecto da invenção, esta equação pode ser executada utilizando circuitos digitais, ou um processador adequadamente programado, pela transformação da equação no domínio de tempo discreto utilizando, por exemplo, o método trapezoidal. Utilizando este ponto de vista, a equação de um filtro de imitação baseado em um processador de sinal digital (DSP) se torna: l//nrtapão(t) = A*Í(t) + B*Í(t-T) + Kx®l;míteçã0(t-T), onde Kx = [2-KpK,T] / [2 + KPK,T], A = R + Ι_·2·ΚΡ/ [2 + KPK,T], B = KX*R - L· [2KP/ (2+ KpK.T)], e T é um período de amostragem.

Os coeficientes A e B levam em conta o ganho de diferenciação da filtragem. Deve ser apreciado que aumentando o ganho proporcional Kp pode aumentar o ganho de diferenciação e fornecer uma resposta de filtragem mais rápida. No entanto, um grande ganho proporcional pode também produzir uma sobrecarga e oscilação na saída do filtro. O ganho integral Ki pode ser ajustado para controlar a atenuação. Aumentando o ganho integral pode suprimir a oscilação e os transientes de pico de sinal falso, mas pode aumentar o tempo de resposta de estado estável do filtro. Assim, o filtro de imitação pode ser ajustado ou sintonizado para otimizar o desempenho e o tempo de resposta de estado estável para diferentes aplicações. O filtro de imitação exemplar pode assim fornecer uma filtragem rápida e precisa e sinais para suprimir o deslocamento ou outro ruído enquanto impedindo a ocorrência de picos de sinal falsos. Preferivelmente Kp é um valor o qual é menor do que 0,1 vezes a freqüência de corte do filtro, e Ki é menos do que 40% de Kp.

Referindo agora à FIG. 2, um gráfico de fluxo que descreve um método para filtrar um sinal de entrada de acordo com uma modalidade da presente invenção é mostrado. O método inicia na etapa 20, aonde o sinal de entrada é recebido pelo filtro. Na etapa 22, o comportamento do sistema de energia é modelado, de acordo com a questão IZ (t) = i(t) · R + v(t), aonde v (t) é gerado de acordo com o pseudodiferenciador descrito com o respeito à FIG. 1. O pseudodiferenciador pode ser implementado em um circuito analógico, tal como no exemplo da FIG. 3, ou utilizando um processador de sinal digital para gerar as funções apropriadas apresentadas acima. Na etapa 24, a compensação ou a remoção do desvio de cc ou de outro ruído é executada de acordo com as técnicas conhecidas.

Referindo agora à FIG. 3, uma implementação analógica exemplar de um circuito de filtro de imitação de acordo com a presente invenção é mostrada. O circuito 30 recebe um sinal de entrada Vin e aplica este sinal a uma resistência de entrada 32 (Ri) e ao primeiro terminal de uma capacidade de entrada 34 (C). O segundo terminal da capacitância de entrada C está conectado na primeira entrada de um amplificador operacional 36 cuja segunda entrada está conectada na terra. O amplificador operacional 36 gera um sinal de saída Vout, e este sinal de saída é alimentado de volta para a primeira entrada do amplificador operacional 36 via uma resistência de retorno Rf. Neste exemplo, T(jcú) = Vout(jco) / Vin(jw) = [ju)*Rf / Ri] / [jcú+1 / (C*Ri)]. Neste exemplo, Kp = Rf / Ri, Ki*Kp = 1 /C*Ri, e portanto Ki = 1 / C*Rf. Também, deve ser apreciado que \ω indica o domínio de freqüência.

Referindo agora às FIGs. 4A-B, a FIG. 4A é uma representação gráfica de um sinal de entrada, tal como um sinal de corrente representativo da corrente de linha através de uma porção de um sistema de energia protegido por um relé. O sinal da FIG. 4A tem um desvio de cc decadente. A FIG. 4B mostra duas formas de onda, uma das quais é a saída de um filtro de imitação convencional recebendo o sinal de entrada da FIG. 4A, e a outra das quais é um filtro de imitação que incorpora a técnica da presente invenção. Neste exemplo, Kp foi selecionado como 0,995, e Ki foi selecionado como 0,4. Como pode ser claramente visto na FIG. 4B, o filtro de imitação convencional (“imitação”) emite um pico de voltagem, enquanto que o filtro de imitação aperfeiçoado da presente invenção (“nova imitação”) não gera um tal pico.

Referindo agora às FIGs. 5A-B, gráficos de Bode da resposta de magnitude e de fase, respectivamente, de um filtro de imitação convencional são mostrados. As FIGs. 6A-B mostram gráficos de Bode correspondentes da resposta de magnitude e de fase, respectivamente, de um filtro de imitação de acordo com a presente invenção. Pode ser visto das FIGs. 5A-B que o filtro de imitação amplifica os componentes de alta freqüência tão alto quanto 30dB, e pode ser visto das FIGs. 6A-B que o filtro de imitação de acordo com a presente invenção suprime a baixa freqüência e tem um ganho que se aproxima da unidade para os componentes de alta freqüência. Estas formas de onda são um modo de fornecer uma clara indicação do desempenho aperfeiçoado de um filtro de imitação de acordo com a presente invenção.

Enquanto a descrição acima inclui numerosos detalhes e especificações, estes são fornecidos para propósitos de explicação somente, e não são limitações da invenção. O escopo da invenção é amplo o bastante para cobrir todas as muitas modificações que podem ser feitas nos exemplos descritos acima as quais são abrangidas pelas reivindicações seguintes e por seus equivalentes legais.

Claims

1. Método para filtragem de um sinal elétrico representativo de um parâmetro de sistema de energia utilizando um filtro associado a um relé de proteção, compreendendo as etapas de: receber um sinal elétrico de entrada (20); ajustar o sinal elétrico de entrada por um valor de retorno; amplificar o sinal elétrico ajustado por um valor de ganho proporcional; emitir o sinal amplificado como um sinal de saída; e remover o ruído do sinal elétrico de entrada baseado no sinal de saída (22), em que o valor de retorno é determinado pela integração do sinal de saída, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de remover o ruído (22) é executada pelo cálculo IZ (t) = i(t) · R + [Κρ·1_ / (1+Kp*Ki.ílZ(t)dt)]«i(t), onde Kp é o valor de ganho proporcional e Ki é o valor de ganho integral; ou pelo cálculo Uraçáo(t) = A.i(t) + B.i(t-T) + Kx.Utóçao(t-T), onde Kx = [2-KpK,T] / (2 + KPK,T], A = R + Ι_·2·ΚΡ/ [2 + KpKjT], B = KX*R - L· [2KP/ (2+ KpKjT)], e T é um período de amostragem.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sinal de saída é um sinal de voltagem.

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o valor de ganho proporcional é menor do que aproximadamente 0,1 vezes a frequência de corte do filtro.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o ganho integral é menor do que aproximadamente 40% do valor de ganho proporcional.

5. Filtro associado a um relé de proteção para a filtragem de um sinal de entrada representativo de um sistema de energia, que compreende: uma entrada para receber o sinal de entrada representativo do sistema de energia; um meio para ajustar o sinal de entrada por um valor de retorno; um amplificador (10) para amplificar o sinal de entrada ajustado por um valor de ganho proporcional, e emitir o resultado como um sinal de saída; e um integrador (14) para integrar o sinal de saída para gerar o valor de retorno, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente meios para gerar uma função IZ (t) = i(t) · R + [ΚΡ·Ι_ / (1+Kp«Ki/lZ(t)dt)]*i(t), onde i(t) é o sinal de entrada, R é uma resistência (32) associada com o sistema de energia, L é uma indutância associada com o sistema de energia, Kp é o valor de ganho proporcional e Ki é o valor de ganho integral; ou uma função Wo(t) = A.i(t) + B.i(t-T) + Kx.Ufeçá0(t-T), onde Kx = [2-KpK,T] / (2 + KPK,T], A = R + Ι_·2·ΚΡ/ [2 + ΚΡΚ|Τ|, Β = KX*R -1_· [2ΚΡ/ (2+ ΚρΚ,Τ)], e ainda onde i(t) é o sinal de entrada, R é uma resistência (32) associada com o sistema de energia, L é uma indutância associada com o sistema de energia, Kp é o valor de ganho proporcional e Ki é o valor de ganho integral, e T é um período de amostragem.

6. Filtro, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o valor de ganho proporcional é menor do que aproximadamente 0,1 vezes um valor de corte de filtro.

7. Filtro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 ou 6, CARACTERIZADO pelo fato de o valor de ganho integral é menor do que aproximadamente 40% do valor de ganho proporcional.