BR102015028907A2 - SATURATION DETECTION METHOD IN CURRENT TRANSFORMERS USING SAVITZKY-GOLAY FILTER - Google Patents

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BR102015028907A2
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Montesano Schettino Bruno
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método para detecção de saturação em transformadores de corrente utilizando o filtro de savitzky-golay método para detecção de saturação eletromagnética do núcleo de um transformador de corrente (tc), utilizando técnicas de processamento de sinais aplicadas às amostras do sinal de corrente elétrica de seu circuito secundário (2). após a detecção da falta (9), o sinal de corrente do circuito secundário (2) é filtrado (13), processado pelo filtro diferenciador de 2a ordem de savitzky-golay (14) e comparado a um limiar adaptativo (15). os resultados desta comparação permitem a detecção dos pontos de início (4) e pontos de fim (5) das regiões saturadas (3). este método pode ser utilizado em processos de mitigação dos efeitos causados pela saturação dos tcs nos dispositivos de proteção dos sistemas elétricos de potência.method for detecting saturation in current transformers using the savitzky-golay filter method for detecting electromagnetic saturation of the core of a current transformer (tc) using signal processing techniques applied to the samples of the electrical current signal of its circuit secondary (2). upon fault detection (9), the secondary circuit current signal (2) is filtered (13), processed by the savitzky-golay 2nd order differential filter (14) and compared to an adaptive threshold (15). The results of this comparison allow the detection of start points (4) and end points (5) of saturated regions (3). This method can be used in mitigation processes of the effects caused by the saturation of tcs in the protection devices of the electric power systems.

Description

(54) Título: MÉTODO DE DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORES DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAY (51) Int. Cl.: G01R 35/02; G01R 31/12 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA, UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ, FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE MINAS GERAIS FAPEMIG (72) Inventor(es): CARLOS AUGUSTO DUQUE; PAULO MÁRCIO DA SILVEIRA; BRUNO MONTESANO SCHETTINO (57) Resumo: MÉTODO PARA DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORES DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAY Método para detecção de saturação eletromagnética do núcleo de um transformador de corrente (TC), utilizando técnicas de processamento de sinais aplicadas às amostras do sinal de corrente elétrica de seu circuito secundário (2). Após a detecção da falta (9), o sinal de corrente do circuito secundário (2) é filtrado (13), processado pelo filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay (14) e comparado a um limiar adaptativo (15).(54) Title: METHOD OF SATURATION DETECTION IN CURRENT TRANSFORMERS USING THE SAVITZKY-GOLAY FILTER (51) Int. Cl .: G01R 35/02; G01R 12/31 (73) Holder (s): FEDERAL UNIVERSITY OF JUIZ DE FORA, FEDERAL UNIVERSITY OF ITAJUBÁ, RESEARCH FOUNDATION OF THE STATE OF MINAS GERAIS FAPEMIG (72) Inventor (s): CARLOS AUGUSTO DUQUE; PAULO MÁRCIO DA SILVEIRA; BRUNO MONTESANO SCHETTINO (57) Abstract: METHOD FOR SATURATION DETECTION IN CURRENT TRANSFORMERS USING THE SAVITZKY-GOLAY FILTER Method for detecting electromagnetic saturation of the core of a current transformer (CT), using signal processing techniques applied to the samples of the electric current signal from its secondary circuit (2). After fault detection (9), the current signal from the secondary circuit (2) is filtered (13), processed by the 2nd order differentiating filter from Savitzky-Golay (14) and compared to an adaptive threshold (15).

Os resultados desta comparação permitem a detecção dos pontos de início (4) e pontos de fim (5) das regiões saturadas (3). Este método pode ser utilizado em processos de mitigação dos efeitos causados pela saturação dos TCs nos dispositivos de proteção dos sistemasThe results of this comparison allow the detection of the start points (4) and end points (5) of the saturated regions (3). This method can be used in processes to mitigate the effects caused by the saturation of the CTs in the protection devices of the systems

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RELATÓRIO DESCRITIVODESCRIPTIVE REPORT

MÉTODO PARA DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORESMETHOD FOR SATURATION DETECTION IN TRANSFORMERS

DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAYCHAIN USING THE SAVITZKY-GOLAY FILTER

Setor Técnico [001] A presente invenção pertence ao setor técnico de Processamento Digital de Sinais (PDS), aplicado à proteção de Sistemas Elétricos de Potência (SEP). Mais precisamente, esta invenção refere-se a um método para detecção de saturação eletromagnética do núcleo de um transformador de corrente (TC), utilizando técnicas de PDS aplicadas ao sinal de corrente elétrica extraído do seu circuito secundárioTechnical Sector [001] The present invention belongs to the technical sector of Digital Signal Processing (PDS), applied to the protection of Electric Power Systems (SEP). More precisely, this invention relates to a method for detecting electromagnetic saturation of the core of a current transformer (TC), using PDS techniques applied to the electrical current signal extracted from its secondary circuit.

Estado da Técnica [002] Os TCs desempenham um papel fundamental na proteção de Sistemas Elétricos de Potência (SEP), uma vez que eles permitem acesso às altas correntes do circuito primário através de suas réplicas em escala reduzida nos seus terminais secundários, de tal forma a obter patamares de corrente aceitáveis ao uso dos dispositivos de proteção. Entretanto, sob certas condições de falta, as elevadas correntes no circuito primário podem levar o TC à saturação, causando distorções na forma de onda da corrente secundária. Este fenômeno ocorre devido às características magnéticas não lineares do núcleo do TC. Sumarizando, quando ocorre a saturação do núcleo do TC a corrente secundária deixa de ser cópia fiel em escala da corrente primária, podendo afetar significativamente o desempenho dos dispositivos de proteção. Para auxiliar na elucidação do tema abordado, será utilizada a figura 1, que mostra a corrente do circuito primário (1) e a corrente do circuito secundário (2) distorcida pela saturação, para uma situação típica de saturação do TC devido à ocorrência de uma falta assimétrica no final do primeiro ciclo amostrado.State of the Art [002] CTs play a fundamental role in the protection of Electric Power Systems (SEP), since they allow access to the high currents of the primary circuit through their small scale replicas at their secondary terminals, in such a way obtain current levels acceptable for the use of protection devices. However, under certain fault conditions, the high currents in the primary circuit can cause the CT to saturate, causing distortions in the secondary current waveform. This phenomenon occurs due to the nonlinear magnetic characteristics of the CT core. In summary, when the CT core saturation occurs, the secondary current is no longer a true scale copy of the primary current, which can significantly affect the performance of the protection devices. To assist in elucidating the topic addressed, figure 1 will be used, which shows the current of the primary circuit (1) and the current of the secondary circuit (2) distorted by saturation, for a typical situation of CT saturation due to the occurrence of a asymmetric fault at the end of the first sampled cycle.

[003] São vários os motivos que levam à saturação do núcleo do TC, dentre eles:[003] There are several reasons that lead to saturation of the CT core, among them:

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1) Elevadas componentes c.a. da corrente primária, causadas por mau dimensionamento do TC ou por faltas no SEP;1) High components a.a. of the primary current, caused by bad dimensioning of the CT or by faults in the SEP;

2) Presença de componentes c.c. de decaimento exponencial na corrente primária, que surgem devido às faltas assimétricas;2) Presence of d.c. exponential decay in the primary current, which arise due to asymmetric faults;

3) Uso de cargas (burden) de impedância elevada no secundário do TC;3) Use of high impedance loads in the secondary of the CT;

4) Presença de fluxo magnético remanescente no núcleo do TC devido a processo de religamento da rede.4) Presence of magnetic flux remaining in the CT core due to the network reclosing process.

[004] Uma forma de evitar a saturação do núcleo do TC seria o seu superdimensionamento, ou seja, utilizar TCs com núcleos ferromagnéticos de seção reta suficiente para suportar as situações mais desfavoráveis possíveis. Entretanto, este procedimento leva a TCs com elevados custo financeiro e dimensões físicas, o que normalmente inviabiliza este tipo de solução.[004] One way to avoid saturation of the CT core would be to oversize it, that is, use CTs with ferromagnetic cores of sufficient cross-section to support the most unfavorable situations possible. However, this procedure leads to CTs with high financial costs and physical dimensions, which usually makes this type of solution unfeasible.

[005] Outra solução proposta para mitigar os efeitos causados pela saturação do núcleo dos TCs é a de amostrar e analisar a corrente do circuito secundário (2) distorcida pela saturação, utilizando métodos para efetuar a sua correção com o objetivo de recuperar informações da corrente do circuito primário (1), promovendo a compensação dos efeitos causados pela saturação. Desta forma, seria possível efetuar a correção do sinal de corrente antes de utilizá-lo nos dispositivos de proteção. Esta solução pode ser implementada tanto em um dispositivo que fique situado entre o secundário do TC e o dispositivo de proteção quanto simplesmente através de um método baseado em processamento de sinais incorporado ao próprio dispositivo de proteção, quando tratar-se de dispositivo de proteção digital processado, como é o caso dos atuais relés numéricos. No último caso, o método de compensação de saturação pertencería a um estágio inicial de pré-processamento do sinal, preparando-o para os estágios subsequentes já existentes no algoritmo de processamento do relé numérico.[005] Another proposed solution to mitigate the effects caused by the saturation of the CT core is to sample and analyze the secondary circuit current (2) distorted by the saturation, using methods to correct it in order to recover current information the primary circuit (1), promoting compensation for the effects caused by saturation. In this way, it would be possible to correct the current signal before using it in protection devices. This solution can be implemented either in a device that is located between the secondary of the CT and the protection device or simply through a method based on signal processing incorporated in the protection device itself, when it is a processed digital protection device , as is the case with current numerical relays. In the latter case, the saturation compensation method would belong to an initial pre-processing stage of the signal, preparing it for the subsequent stages already existing in the numerical relay processing algorithm.

[006] Estudos em todo o mundo têm sido efetuados com o objetivo de recuperar informações da corrente do circuito primário (1) através de amostras da corrente do circuito secundário (2) distorcida pela saturação do TC. Entretanto, para efetuar tal correção, é necessário o conhecimento preciso da[006] Studies around the world have been carried out with the objective of recovering information from the primary circuit current (1) through samples of the secondary circuit current (2) distorted by CT saturation. However, to make such a correction, accurate knowledge of the

3/18 região da curva de corrente onde há distorção, denominados doravante de regiões saturadas (3). Assim, métodos para detectar os pontos de início (4) e os pontos de fim (5) das regiões saturadas (3) de corrente são usualmente incorporados às técnicas de correção da distorção. Alguns métodos de detecção de saturação de TCs que compõe o estado da técnica são descritos a seguir:3/18 current curve region where there is distortion, hereinafter referred to as saturated regions (3). Thus, methods for detecting the start points (4) and end points (5) of the saturated regions (3) of current are usually incorporated into the distortion correction techniques. Some methods of detecting saturation of CTs that make up the state of the art are described below:

[007] No documento SE468189B é apresentado um método e um dispositivo destinados a efetuar a detecção da saturação do TC, que utilizam a combinação simultânea de critérios relacionados aos valores instantâneos da corrente secundária e da sua derivada primeira. Este método destaca-se pela percepção do inventor ao fato de que o comportamento da derivada primeira pode sinalizar a presença da saturação, e pode ser considerado um dos primeiros métodos baseados em filtros derivativos, também denominados métodos derivativos.[007] Document SE468189B presents a method and device for detecting CT saturation, which use the simultaneous combination of criteria related to the instantaneous values of the secondary current and its first derivative. This method stands out for the inventor's perception of the fact that the behavior of the first derivative can signal the presence of saturation, and can be considered one of the first methods based on derivative filters, also called derivative methods.

[008] O documento US6617839B2 apresenta outro método derivativo para efetuar a detecção da saturação do TC, baseado na observação das derivadas segunda ou terceira do sinal de corrente do circuito secundário (2), estimadas através do método das diferenças finitas. Os picos atingidos pelas derivadas correspondem aos pontos de início (4) e de fim (5) das regiões saturadas (3).[008] The document US6617839B2 presents another derivative method to detect the saturation of the CT, based on the observation of the second or third derivatives of the current signal of the secondary circuit (2), estimated through the finite difference method. The peaks reached by the derivatives correspond to the start (4) and end (5) points of the saturated regions (3).

[009] O método proposto no documento FR2835319A1 baseia-se em uma associação de dois critérios, a serem simultaneamente satisfeitos, para a detecção da saturação do TC. O primeiro critério está relacionado à comparação de um valor instantâneo estimado de corrente secundária ao valor real da amostra, sendo tal estimação efetuada baseando-se em uma predição através de um modelo de extrapolação matemática senoidal autoregressivo de segunda ordem. Quando o valor absoluto da diferença entre os valores estimado e real ultrapassa um limiar, considera-se satisfeito o primeiro critério de detecção. O segundo critério baseia-se na estimação do fluxo magnético do núcleo do TC, que é proporcional à integral da corrente secundária, e na sua comparação com dois limiares, um positivo e outro negativo. Para tornar o[009] The method proposed in document FR2835319A1 is based on an association of two criteria, to be simultaneously satisfied, for the detection of CT saturation. The first criterion is related to the comparison of an estimated instantaneous value of secondary current with the real value of the sample, such estimation being based on a prediction through a second order autoregressive sine mathematical extrapolation model. When the absolute value of the difference between the estimated and actual values exceeds a threshold, the first detection criterion is considered satisfied. The second criterion is based on the estimation of the magnetic flux of the CT core, which is proportional to the integral of the secondary current, and on its comparison with two thresholds, one positive and the other negative. To make the

4/18 segundo critério independente das características do TC, os referidos limiares são definidos de forma adaptativa, em função dos máximos e mínimos atingidos pela integral da corrente secundária em condições de regime permanente. Entretanto, há a necessidade da inserção de uma margem nesses limiares, relacionada ao fluxo remanescente, sendo esta margem estipulada em função da classe do TC em questão. Os inventores não sugerem uma taxa de amostragem nem mencionam a influência do ruído no comportamento do método de detecção proposto, descrevendo apenas um estágio prévio de filtragem anti-aliasing para eliminar interferência harmônica.4/18 According to a criterion independent of the characteristics of the CT, the referred thresholds are adaptively defined, in function of the maximum and minimum reached by the integral of the secondary current in conditions of permanent regime. However, there is a need to insert a margin at these thresholds, related to the remaining flow, this margin being stipulated according to the TC class in question. The inventors do not suggest a sampling rate or mention the influence of noise on the behavior of the proposed detection method, describing only a previous stage of anti-aliasing filtering to eliminate harmonic interference.

[010] A transformada de Hilbert-Huang.ou Hilbert-Huang transform (HHT) é a base do método proposto em CN103050942A . A HHT é uma técnica de decomposição de sinais em tempo e frequência desenvolvida especialmente para análise de sinais não estacionários e não lineares. Ao contrário da decomposição de Fourier, que utiliza bases ortogonais definidas a priori (senoides parametrizadas em amplitude e frequência), a HHT utiliza funções de base definidas a posteriori, denominadas funções de modo intrínseco, ou intrinsic mode functions'' (IMF). As IMFs são extraídas empiricamente de um conjunto de dados do sinal, através de um método denominado decomposição empírica de modos, ou empirical mode decomposition (EMD). Uma vez obtidas as IMFs, uma análise espectral de Hilbert (ou ''Hilbert spectral analysis'' - HSA) pode ser realizada, calculando-se as frequências instantâneas das IMFs e representando o sinal através de uma distribuição de energia-tempofrequência, denominada spectro de Hilbert. O método de detecção baseia-se inicialmente em uma etapa prévia off-line de determinação das IMFs através do método EMD, utilizando um conjunto de dados anteriormente adquirido em condições reais de operação do TC. A partir daí, as IMFs são utilizadas para a efetuação da HSA do sinal atual, sendo calculadas as frequências instantâneas a cada nova amostra aquisitada. Por fim, uma lógica de comparação é instituída para determinar a ocorrência da saturação através da evolução temporal do espectro de Hilbert. Os autores inventores descrevem[010] The Hilbert-Huang transform.or Hilbert-Huang transform (HHT) is the basis of the method proposed in CN103050942A. HHT is a time and frequency signal decomposition technique developed especially for the analysis of non-stationary and non-linear signals. Unlike Fourier decomposition, which uses orthogonal bases defined a priori (sinusoides parameterized in amplitude and frequency), HHT uses base functions defined a posteriori, called intrinsic mode functions, or 'intrinsic mode functions' (IMF). MFIs are empirically extracted from a signal data set, using a method called empirical mode decomposition, or empirical mode decomposition (EMD). Once the MFIs are obtained, a Hilbert spectral analysis (or '' Hilbert spectral analysis '' - HSA) can be performed, calculating the instantaneous frequencies of the MFIs and representing the signal through an energy-tempofrequency distribution, called a spectrum Hilbert. The detection method is initially based on a previous off-line stage of determining MFIs using the EMD method, using a data set previously acquired under real conditions of CT operation. Thereafter, the MFIs are used to carry out the HSA of the current signal, and the instantaneous frequencies are calculated for each new sample acquired. Finally, a comparison logic is instituted to determine the occurrence of saturation through the temporal evolution of the Hilbert spectrum. The inventing authors describe

5/18 adieionalmente uma forma de implementação do método em hardware com uma frequência de amostragem de 4 kHz.5/18 additionally a way of implementing the method in hardware with a sampling frequency of 4 kHz.

[011] Em CN103245860A propõe um método de detecção de saturação que reúne ferramentas de Wavelet Transform (WT) e Morfologia Matemática (MM), com o objetivo de aperfeiçoar a imunidade ao ruído. Uma técnica para obtenção do gradiente morfológico do sinal de corrente, a cada amostra, baseado na teoria wavelet, gera um sinal de saída detalhado que contém informações sobre transientes do sinal original, porém com bastante interferência de ruído. Em seguida, são utilizados filtros morfológicos utilizando os operadores de dilatação e erosão, acompanhados da transformada morfológica top-hat, cuja saída corresponde a um sinal que destaca os pontos de inicio e fim de saturação pela ocorrência de picos de valor nestes pontos. Entretanto, há que se considerar o elevado esforço computacional elevado exigido pelas diversas etapas que envolvem o processo de detecção proposto.[011] In CN103245860A proposes a saturation detection method that brings together Wavelet Transform (WT) and Mathematical Morphology (MM) tools, with the objective of improving noise immunity. A technique for obtaining the current signal morphological gradient, for each sample, based on the wavelet theory, generates a detailed output signal that contains information about transients of the original signal, but with a lot of noise interference. Then, morphological filters are used using the expansion and erosion operators, accompanied by the morphological top-hat transform, whose output corresponds to a signal that highlights the start and end points of saturation due to the occurrence of peak values at these points. However, it is necessary to consider the high computational effort required by the different stages involving the proposed detection process.

[012] Em BR1020130340065 foi divulgado um método derivativo de detecção de saturação, desenvolvido com o objetivo de lidar com sinais ruidosos de uma maneira mais eficaz que os métodos derivativos convencionais. Foi escolhido como ponto de partida um filtro desenvolvido por Cornelius Lanczos (1956), que tem como principal característica o fato de ser um filtro derivativo de primeira ordem que atenua o ruído do sinal. Tal filtro ficou conhecido na comunidade científica como filtro diferenciador de Lanczos de baixo ruído. A partir daí, para acentuar os pontos de transição entre as regiões saturadas e não saturadas, foi criado o filtro cujos coeficientes são obtidos através da função primeira diferença do filtro de Lanczos de baixo ruído. A observação da saída deste filtro, quando a entrada corresponde ao sinal de corrente secundária, permite localizar com precisão os pontos de início e fim de saturação do TC. Os autores desenvolveram também as equações para o cálculo do limiar mais adequado a ser utilizado no processo de detecção, em função da SNR e das características do filtro anti-aliasing utilizado no estágio anterior à conversão Analógico-Digital (A/D).[012] In BR1020130340065, a derivative saturation detection method was developed, developed with the objective of dealing with noisy signals in a more effective way than conventional derivative methods. It was chosen as a starting point a filter developed by Cornelius Lanczos (1956), whose main characteristic is the fact that it is a first-order derivative filter that attenuates signal noise. Such a filter became known in the scientific community as a low noise Lanczos differentiating filter. From there, to accentuate the transition points between the saturated and unsaturated regions, a filter was created whose coefficients are obtained through the first difference function of the low noise Lanczos filter. Observing the output of this filter, when the input corresponds to the secondary current signal, allows to precisely locate the start and end points of the CT saturation. The authors also developed the equations for calculating the most appropriate threshold to be used in the detection process, depending on the SNR and the characteristics of the anti-aliasing filter used in the stage prior to the Analog-to-Digital (A / D) conversion.

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Problemas Técnicos Existentes no Estado da Técnica [013] Os métodos de detecção de saturação em TCs existentes no estado da técnica podem apresentar algum(ns) dos três problemas básicos agora enumerados:Technical Problems Existing in the State of the Art [013] The saturation detection methods in CTs existing in the state of the art can present some (s) of the three basic problems now listed:

1) Dependência do conhecimento de características como a curva de magnetização do TC, o fluxo remanescente no núcleo, a impedância da carga secundária (burden), a constante de tempo do circuito primário, etc. A dependência em relação a estas características inviabiliza a capacidade de generalização de tais métodos, dificultando a sua aplicação prática, uma vez que tais características nem sempre estão à disposição ou podem ser estimadas com facilidade;1) Dependence on knowledge of characteristics such as the CT magnetization curve, the remaining flux in the core, the secondary load impedance (burden), the primary circuit time constant, etc. The dependence on these characteristics makes the generalization of such methods unfeasible, making their practical application difficult, since these characteristics are not always available or can be easily estimated;

2) Alguns métodos presentes no estado da técnica necessitam elevado esforço computacional para sua execução, em função da complexidade de cálculos envolvida no processo. Ainda, em certos métodos há a necessidade da utilização de diversas amostras de corrente, contidas em uma janela de tempo bastante estendida. Em qualquer destes casos, o tempo de processamento e resposta inviabiliza a utilização de tais métodos em tempo real, condição fundamental para a utilização em aplicações práticas na área de proteção de SEP;2) Some methods present in the state of the art require high computational effort for their execution, due to the complexity of calculations involved in the process. Still, in certain methods there is a need to use several current samples, contained in a very extended time window. In any of these cases, the processing and response time precludes the use of such methods in real time, a fundamental condition for use in practical applications in the area of SEP protection;

3) A sensibilidade dos métodos de detecção de saturação em relação à presença de ruído, uma vez que ele prejudica o processo de detecção, contaminando as informações contidas na faixa do espectro de frequências presentes nas transições entre as regiões saturadas (3) e não saturadas. Mesmo com a inserção de um estágio inicial de filtragem no processo de detecção, a eficiência de tais métodos fica comprometida para sinais acometidos de elevados níveis de ruído.3) The sensitivity of the saturation detection methods in relation to the presence of noise, since it impairs the detection process, contaminating the information contained in the range of the frequency spectrum present in the transitions between saturated (3) and unsaturated regions . Even with the insertion of an initial filtering stage in the detection process, the efficiency of such methods is compromised for signals affected by high noise levels.

Objetivos da Presente InvençãoObjectives of the present invention

7/18 [014] A presente invenção consiste em um método para detectar a saturação do núcleo do TC através do processamento de amostras da corrente do seu circuito secundário (2). O objetivo principal é determinar precisamente os pontos de início (4) e os pontos de fim (5) das regiões saturadas (3) do sinal de corrente do circuito secundário (2) distorcida pela saturação.7/18 [014] The present invention consists of a method to detect the saturation of the CT core by processing samples from the current of its secondary circuit (2). The main objective is to determine precisely the start points (4) and the end points (5) of the saturated regions (3) of the secondary circuit current signal (2) distorted by saturation.

[015] O método consiste, resumidamente, em processar uma janela móvel do sinal amostrado de corrente secundária (2) através do filtro diferenciador de 2a ordem de Savizky-Golay a ser apresentado detalhadamente adiante e comparar o resultado com um limiar adaptativo apropriadamente calculado, também a ser detalhado adiante. Nos pontos de início (4) e nos pontos de fim (5) das regiões saturadas (3) o valor de saída do dito filtro ultrapassa o dito limiar, estabelecendo-se, assim, o critério para a detecção dos referidos pontos.[015] The method consists, briefly, in processing a moving window of the secondary current sampled signal (2) through a differentiating filter 2 to Savizky-Golay order to be presented in detail below and comparing the result with an adaptive threshold appropriately calculated , also to be detailed below. At the start points (4) and at the end points (5) of the saturated regions (3) the output value of said filter exceeds said threshold, thus establishing the criterion for detecting said points.

[016] A principal vantagem do método objeto da presente invenção em comparação aos outros métodos abrangidos pelo estado da técnica está na melhoria da imunidade ao ruído. Além disso, o método proposto não depende de características como a curva de magnetização do TC, o fluxo remanescente no núcleo, a impedância da carga secundária (burden) e a constante de tempo do circuito primário. Por fim, a implementação do método apresentado exige baixo esforço computacional, pois necessita que sejam efetuadas poucas operações algébricas a cada iteração, permitindo que o presente método seja embarcado nos relés de proteção numéricos atuais sem restrições relativas a processamento e outros recursos de hardware.[016] The main advantage of the method object of the present invention compared to other methods covered by the state of the art is in the improvement of noise immunity. Furthermore, the proposed method does not depend on characteristics such as the CT magnetization curve, the remaining flux in the core, the secondary load impedance (burden) and the primary circuit time constant. Finally, the implementation of the presented method requires low computational effort, as it requires that few algebraic operations be carried out each iteration, allowing the present method to be embedded in the current numerical protection relays without restrictions regarding processing and other hardware resources.

[017] Uma contribuição da presente invenção para o estado da técnica reside no uso do filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay aplicado ao sinal da corrente secundária (2) para detectar a saturação do TC. Outra contribuição é dada no desenvolvimento do limiar adaptativo apropriado, responsável por conferir ao método a imunidade a uma gama extensa de níveis de ruído. A seguir, são relacionadas as figuras apresentadas nos desenhos, acompanhadas de uma breve descrição.[017] A contribution of the present invention to the state of the art lies in the use of the Savitzky-Golay 2nd order differentiating filter applied to the secondary current signal (2) to detect CT saturation. Another contribution is made in the development of the appropriate adaptive threshold, responsible for giving the method immunity to a wide range of noise levels. The figures presented in the drawings are listed below, accompanied by a brief description.

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Relação das Figuras Apresentadas nos Desenhos [018] Figura 1 - Gráfico mostrando o comportamento da corrente elétrica passante no circuito primário do TC e a corrente elétrica respectivamente produzida no seu circuito secundário, evidenciando os efeitos causados pela saturação do seu núcleo.List of Figures Presented in the Drawings [018] Figure 1 - Graph showing the behavior of the electrical current passing through the primary circuit of the CT and the electrical current produced in its secondary circuit, showing the effects caused by the saturation of its core.

[019] Figura 2 - Diagrama de blocos do experimento de simulação realizado para comparação do método de detecção proposto com uma das formas de detecção existentes no estado da técnica.[019] Figure 2 - Block diagram of the simulation experiment carried out to compare the proposed detection method with one of the existing detection methods in the state of the art.

[020] Figura 3 - Gráfico mostrando o comportamento do filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay (t/e/25g[«]) revelado na presente invenção e a sua comparação com a função primeira diferença do filtro de Lanczos de baixo ruído (dellan[ri\) já pertencente ao estado da técnica.[020] Figure 3 - Graph showing the behavior of the Savitzky-Golay 2nd order differentiating filter (t / e / 25g [«]) revealed in the present invention and its comparison with the first difference function of the low Lanczos filter noise (dellan [laughs]) already belonging to the state of the art.

[021] Figura 4 - Fluxograma representativo do método de detecção de saturação em TCs objeto da presente invenção.[021] Figure 4 - Flowchart representative of the saturation detection method in CTs object of the present invention.

[022] Figura 5 - Gráfico mostrando as curvas ROC (Receiving Operating Characteristic) do método de detecção de saturação em TCs baseado no filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay (ífe/25g[«j) revelado na presente invenção e do método de detecção de saturação em TCs baseado na função primeira diferença do filtro de Lanczos de baixo ruído (dellan[n\) já pertencente ao estado da técnica.[022] Figure 5 - Graph showing the ROC (Receiving Operating Characteristic) curves of the saturation detection method in CTs based on the Savitzky-Golay 2nd order differentiating filter (efe / 25g [«j) revealed in the present invention and the saturation detection method in CTs based on the first difference function of the low noise Lanczos filter (dellan [n \) already belonging to the state of the art.

Descrição da Invenção [023] A presente invenção, como já abordado, refere-se a um método de detecção de saturação do núcleo em um TC, com especial aplicação em situações que a corrente elétrica do circuito secundário (2) esteja imersa em ruído. Para a perfeita descrição e entendimento desta invenção, faz-se necessário desenvolver previamente dois conceitos que compõe o cerne do método: As famílias de filtros de Savitzky-Golay, com especial foco na família de filtros diferenciadores de 2a ordem de Savitzky-Golay, e o limiar adaptativo.Description of the Invention [023] The present invention, as already discussed, refers to a method of detecting saturation of the core in a CT, with special application in situations where the electrical current of the secondary circuit (2) is immersed in noise. For the perfect description and understanding of this invention, it is unnecessary to develop two concepts that make up the core of the method: The families of Savitzky-Golay filters, with special focus on differentiating filters Family 2 to order Savitzky-Golay, and the adaptive threshold.

a) Filtros de Savitzky-Golaya) Savitzky-Golay filters

9/18 [024] A. Savitzky e M. J. E. Golay propuseram no trabalho “Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures, publicado no Analytical Chemistry Journal (vol. 36, n° 8, pp. 1627-1639, 1964) um método para suavizar ou diferenciar dados discretos ruidosos obtidos de analisadores químicos de espectro baseados em aproximação polinomial por mínimos quadrados (least squares - LS) local. Eles mostraram que os coeficientes c = [c0 ci c2... cp]T do polinômio de grau p ajustado por LS em uma janela de dados contendo 2m+l amostras consecutivas y = [y-m jP-ím-n... jo-.-ym-i >’m]T (para p < 2m+l) pode ser obtida através da equação c = (at.a)”',AT.y = A*.y (1] onde9/18 [024] A. Savitzky and MJE Golay proposed in their work “Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures, published in the Analytical Chemistry Journal (vol. 36, n ° 8, pp. 1627-1639, 1964) method to smooth or differentiate discrete noisy data obtained from chemical spectrum analyzers based on a local least squares (LS) polynomial approximation. They showed that the coefficients c = [c 0 ci c 2 ... c p ] T of the polynomial of degree p adjusted by LS in a data window containing 2m + l consecutive samples y = [y- m jP-magnet-n ... jo -.- ym-i>'m] T (for p <2m + l) can be obtained using the equation c = (a t .a) ”', A T .y = A * .y ( 1] where

Figure BR102015028907A2_D0002

(-1)° 1 1° (-1)’ 0 1' (-1)2 0 l2 [2] (-p)m - (-1) 0 1(-1) ° 1 1 ° (-1) '0 1' (-1) 2 0 l 2 [2] (-p) m - (-1) 0 1

Por outro lado, uma vez que a relação entre a derivada de ordem </(para d<p) do polinômio no centro da janela de dados, representado por /d(0), e o coeficiente cd é fW = d\.On the other hand, since the relationship between the order derivative </ (for d <p) of the polynomial in the center of the data window, represented by / d (0), and the coefficient c d is fW = d \.

[3] pode-se observar que as linhas da matriz A* definem um conjunto de filtros de resposta finita ao impulso (FIR), denominados filtros de Savitzky-Golay, no qual cada membro é capaz de estimar o valor do sinal (filtro suavizador) ou de suas derivadas (filtros diferenciadores) no centro da janela de dados. Uma vez escolhidos p e w, que estão relacionados respectivamente ao grau do polinômio e ao tamanho da janela, os coeficientes dos filtros FIR permanecem fixos na medida em que a janela de dados se move no tempo.[3] it can be seen that the lines of matrix A * define a set of finite impulse response filters (FIR), called Savitzky-Golay filters, in which each member is able to estimate the signal value (smoothing filter ) or its derivatives (differentiating filters) in the center of the data window. Once p and w are chosen, which are related to the degree of the polynomial and the size of the window respectively, the coefficients of the FIR filters remain fixed as the data window moves in time.

10/18 [025] Simulações e experimentos indicam que os filtros diferenciadores de 2a ordem (d=2) de Savitzky-Golay são os mais apropriados para a detecção da saturação do TC. Particularmente, em uma forma de execução preferida da invenção, foi utilizado um polinômio de terceiro grau (/7=3) e uma janela de sete amostras (2m+1=7) para obter, através das equações [1], [2] e [3] o filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay definido pela equação del2sg[n) = ^-{5/, [η] - 3/J « - 2] - 4is[n - 3] - 3/Jw - 4] + 5is [n - 6]}, pq onde í's é o sinal amostrado de corrente elétrica do circuito secundário (2) do TC e n é o índice das amostras.10/18 [025] Simulations and experiments indicate that Savitzky-Golay 2 - order differentiating filters (d = 2) are the most appropriate for the detection of CT saturation. Particularly, in a preferred embodiment of the invention, a third degree polynomial (/ 7 = 3) and a window of seven samples (2m + 1 = 7) were used to obtain, through equations [1], [2] and [3] the differentiating filter 2 in order Savitzky-Golay defined by del2sg equation [n) = ^ - {5 / [η] - 3 / J '- 2] - 4i s [n - 3] - 3 / Jw - 4] + 5i s [n - 6]}, pq where í ' s is the sampled signal of electric current from the secondary circuit (2) of the TC and n is the index of the samples.

[026] Testes também foram realizados com janelas de 9 e 11 amostras com polinômios de 3°, 4° e 5° graus, atingindo resultados satisfatórios. Entretanto, quanto maior o tamanho da janela maior o esforço computacional necessário para a implementação do filtro.[026] Tests were also carried out with windows of 9 and 11 samples with polynomials of 3 °, 4 ° and 5 ° degrees, achieving satisfactory results. However, the larger the window size, the greater the computational effort required to implement the filter.

[027] A figura 2 mostra o experimento realizado para comprovar a eficiência do uso do filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay (del2sg) na detecção precisa dos pontos de início (4) e dos pontos de fim (5) das regiões saturadas (3), onde um SEP foi modelado em um Simulador digital em tempo real (Real Time Digital Simulator ou RTDS). Um TC instalado em uma das fases do alimentador também foi modelado no RTDS e uma falta fase-terra foi simulada, de tal forma a produzir saturação no núcleo do TC. Os dados simulados do sinal de corrente do circuito secundário distorcida pela saturação (õ?ros[«]) foram capturados do RTDS e inseridos no MATLAB, onde foram adicionados a um ruído gaussiano branco (WGN), denominado w[«]> com relação sinal-ruído (SNR) de 40 dB. Este sinal ruidoso, mostrado na figura 3a, foi submetido a um estágio preliminar de filtragem através de um filtro Butterworth passa-baixa anti-aliasing (6), comumente encontrado nos relés comerciais, e a seguir foi processado através da equação [4], sendo o resultado íA?2sg[«] mostrado na figura 3b.[027] Figure 2 shows the experiment carried out to prove the efficiency of the use of the Savitzky-Golay differentiating filter (del2sg) in the precise detection of the start points (4) and end points (5) of the regions saturated (3), where an SEP was modeled in a digital simulator in real time (Real Time Digital Simulator or RTDS). A CT installed in one of the feeder phases was also modeled in the RTDS and a phase-to-ground fault was simulated, in such a way as to produce saturation in the core of the CT. The simulated data of the secondary circuit current signal distorted by saturation (õ? Ros [«]) were captured from RTDS and inserted in MATLAB, where they were added to a white Gaussian noise (WGN), called w [«]> with respect to 40 dB signal-to-noise ratio (SNR). This noisy signal, shown in figure 3a, was subjected to a preliminary filtering stage through a Butterworth anti-aliasing low-pass filter (6), commonly found in commercial relays, and was then processed using equation [4], the result being ΔA? 2sg [«] shown in figure 3b.

[028] A título de comparação, o mesmo sinal ruidoso filtrado foi processado através da equação[028] For comparison, the same filtered noise signal was processed using the equation

11/18 dellan[n] = is [«] - 9is [η -1] + 8/5. [n - 2] +8is [« - 3] - 9is [« - 4] + is [«-5], que representa a função primeira diferença do filtro de Lanczos de baixo ruído, já conhecida do estado da técnica. O resultado dellan[n] é mostrado na figura 3c.11/18 dellan [n] = i s [«] - 9i s [η -1] + 8/5. [n - 2] + 8i s [«- 3] - 9i s [« - 4] + i s [«-5], which represents the first difference function of the low noise Lanczos filter, already known from the state of the art . The result dellan [n] is shown in figure 3c.

[029] Os picos de valor atingidos por deÍ2$g[n] na figura 3b exatamente nas amostras onde ocorrem os pontos de início (4) e os pontos de fim (5) das regiões saturadas (3) indicam que esta função possui a capacidade de detecção desejada. Além disso, a comparação dos resultados obtidos por de/2sg[n] e deJtan[n], nas figuras 3b e 3c, deixa claro que a primeira função apresenta maior robustez ao ruído que a segunda, devendo produzir um método de detecção de saturação mais eficiente.[029] The peak values reached by deÍ2 $ g [n] in figure 3b exactly in the samples where the start points (4) and end points (5) of the saturated regions occur (3) indicate that this function has the desired detection capability. In addition, the comparison of the results obtained by de / 2sg [n] and deJtan [n], in figures 3b and 3c, makes it clear that the first function is more robust to noise than the second, and should produce a saturation detection method more efficient.

[030] O próximo passo é obter um valor seguro para 0 limiar que será usado como comparação para definir em quais amostras de/2sg[n] detectou os pontos de início (4) e os pontos de fim (5) das regiões saturadas (3), a ser detalhado a seguir.[030] The next step is to obtain a safe value for 0 threshold that will be used as a comparison to define in which samples of / 2sg [n] detected the start points (4) and the end points (5) of the saturated regions ( 3), to be detailed below.

b) limiar adaptativob) adaptive threshold

b.1) cálculo do limiar [031] Para utilizar o filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay (del2sg} como um indicador no processo de detecção, os valores assumidos pela saída deste filtro fora dos pontos de início (4) e pontos de fim (5) das regiões saturadas (3) devem ser encontrados. O módulo do valor máximo assumido nessas condições pode ser utilizado como um limiar acima do qual são detectados os pontos de início (4) e pontos de fim (5) das regiões saturadas (3). Desprezando inicialmente a presença de ruído, pode-se dizer que, nas regiões não saturadas, a corrente do circuito secundário (2) do TC é uma cópia fiel (em escala reduzida) da corrente de falta que passa através do circuito primário do TC. Do estado da técnica, sabe-se que, no caso de máxima assimetria, a expressão que representa a corrente do circuito secundário (2),b.1) calculating [031] To use the threshold differentiating filter of order 2 Savitzky-Golay (del2sg} as an indicator the detection process, the values assumed by the output of this filter off the starting points (4) and end points (5) of the saturated regions (3) must be found.The module of the maximum value assumed under these conditions can be used as a threshold above which the start points (4) and end points (5) of the saturated regions (3). Initially disregarding the presence of noise, it can be said that, in the unsaturated regions, the current of the secondary circuit (2) of the CT is a faithful copy (on a reduced scale) of the fault current that passes through of the primary circuit of the CT. From the state of the art, it is known that, in the case of maximum asymmetry, the expression that represents the current of the secondary circuit (2),

12/18 em sua forma digitalizada com o período de amostragem rS) equivalente a jV amostras por ciclo, é:12/18 in its digitized form with the sampling period r S) equivalent to jV samples per cycle, is:

AM Ã,'Fmax < 2π cos —n l vAM - Ã, 'Fmax <2π cos —nlv

Figure BR102015028907A2_D0003

[6] onde lSF max θ o valor de pico da componente c.a. da corrente do circuito secundário (2) e τ é a constante de tempo da componente c.c. da corrente de falta do sistema. Substituindo [6] em [4]:[6] where l S F max θ the peak value of the ac component of the secondary circuit current (2) and τ is the time constant of the dc component of the system fault current. Replacing [6] in [4]:

del2sg[ri] = ~ · JSFmax {5 cos w) - 3 cos (n - 2))del2sg [laughs] = ~ · J SFmax {5 cos w) - 3 cos (n - 2))

- 4cos (« — 3)J — 3 cos (« - 4)^ + 5 cos0^ (n - 6)- 4cos («- 3) J - 3 cos (« - 4) ^ + 5 cos0 ^ (n - 6)

-exp^^J[5-3exp^j-4exp^^ -3exp(^] + 5exp(^)]}.-exp ^^ J [5-3exp ^ j-4exp ^^ -3exp (^] + 5exp (^)]}.

[032] No estudo do comportamento transitório, um grande número de amostras por ciclo é normalmente necessário, de tal forma que 0 período de amostragem 7S assume valores muito menores do que a constante de tempo τ. Assumindo esta hipótese como verdadeira, temos para Ts « τ:[032] In the study of transient behavior, a large number of samples per cycle is normally necessary, such that the sampling period 7 S assumes values much smaller than the time constant τ. Assuming this hypothesis to be true, we have for T s «τ:

exp f27^ <37;.j <47Ώ <67p exp = 6ΧΡΙ\ = 1, [8] eliminando 0 termo exponencial de [7], [033] Depois de algumas manipulações algébricas e usando algumas identidades trigonométricas, [8] reduz-se a £/e/2<n] = ^-7SFmax ( 2π á (2π «cosl —n +/?sin - n onde [9] [10]exp f27 ^ <37; .j <47Ώ <67p exp = 6ΧΡ Ι \ = 1, [8] eliminating the exponential term of [7], [033] After some algebraic manipulations and using some trigonometric identities, [8] reduces up to £ / e / 2 <n] = ^ -7 SFmax (2π á (2π «cosl —n + /? sin - n where [9] [10]

13/1813/18

( 12τγΛ (12τγΛ a = 5-3cos a = 5-3cos — -4 cos - -4 cos - -3cos — -3cos - + 5 cos + 5 cos l/V J l / V J l n j l n j

β = — 3sin ί 4π λ Λ ·β = - 3sin ί 4π λ Λ ·

-4sin-4sin

3sin $π3sin $ π

Ν + 5sin . <12/τ [11] [034] Como ο objetivo é encontrar ο valor máximo de del2sg[ri], deve-se tornar nula a derivada de [9] em relação a η. O valor de n que maximiza a função, denominado « max, pode ser encontrado pela expressãoΝ + 5sin. <12 / τ [11] [034] Since ο objective is to find ο maximum value of del2sg [laughs], the derivative of [9] must be null in relation to η. The value of n that maximizes the function, called « max , can be found by the expression

N = —arctan 2π [12]N = —arctan 2π [12]

Finalmente, o valor máximo de saída del2sg[n], na região não saturada, pode ser aproximado por:Finally, the maximum output value del2sg [n], in the unsaturated region, can be approximated by:

max {<7e/25g[n]} 42max {<7e / 25g [n]} 42

Sf max acosSf max acos

I n (^π + B sin —n„ I [13] [035] A equação [13] pode ser utilizada como um limiar no processo de detecção de saturação. Entretanto, é necessário adotar um fator de margem (k) para adequar aos efeitos do ruído, levando a um limiar adaptativo (Tsh)I n (^ π + B sin —n „I [13] [035] Equation [13] can be used as a threshold in the saturation detection process. However, it is necessary to adopt a margin factor (k) to adapt to the effects of noise, leading to an adaptive threshold (Tsh)

Tsh = — · kJTsh = - · kJ

SF max <2 COSSF max <2 COS

I f 2π + Z?sin —n [14] [036] Resumindo, os seguintes passos devem ser utilizados para a obtenção do limiar adaptativo (Tsh)\I f 2π + Z? Sin —n [14] [036] In summary, the following steps should be used to obtain the adaptive threshold (Tsh) \

1) Uma vez definida a taxa de amostragem e consequentemente o número de amostras por ciclo (Ν), o valor de a e β são calculados usando [10] e [11];1) Once the sampling rate and consequently the number of samples per cycle (Ν) has been defined, the value of a and β are calculated using [10] and [11];

2) Com os valores de a e β, o valor de n max é obtido usando [12];2) With the values of a and β, the value of n ma x is obtained using [12];

3) Finalmente o limiar adaptativo é encontrado usando o valor de n max em [14].3) Finally, the adaptive threshold is found using the value of n max in [14].

14/1814/18

A título de exemplo, para uma taxa de amostragem de 200 amostras / ciclo, os passos acima levam ao seguinte cálculo para o limiar adaptativo:As an example, for a sampling rate of 200 samples / cycle, the steps above lead to the following calculation for the adaptive threshold:

Tsh = 0.0009862.A.[15] [0371 O fator de margem (k) é quem dá ao limiar a característica adaptativa, pois está relacionado à relação sinal-ruído (SNR) presente no sinal da corrente secundária (2). O passo seguinte mostra como calcular o fator de margem.Tsh = 0.0009862.A. [15] [0371 The margin factor (k) gives the threshold the adaptive characteristic, as it is related to the signal-to-noise ratio (SNR) present in the secondary current signal (2). The next step shows how to calculate the margin factor.

b.2) Cálculo do fator de margem [038] O fator de margem (k) está diretamente relacionado à variância de saída do ruído (σ^,). Esta, por sua vez pode ser obtida através da variância de entrada do ruído (σ2ΝΙΠ), atenuada pela passagem através do filtro passa-baixa (6) em cascata com o filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay, como mostra a figura 2.b.2) Calculation of the margin factor [038] The margin factor (k) is directly related to the noise output variance (σ ^,). This in turn can be obtained by the noise of the input variance (σ 2 ΝΙΠ), attenuated by passage through the low-pass filter (6) in cascade with the differentiating filter 2 in order Savitzky-Golay, as shown figure 2.

[039] Sejam e hd(j&) as funções de transferência no domínio da frequência do filtro passa-baixa e do filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay, respectivamente. Como em um sistema linear invariante no tempo (LTI) a convolução no domínio do tempo é equivalente à multiplicação no domínio da frequência, o cascateamento dos dois sistemas pode ser representado por um sistema equivalente com função de transferência G(je>), também LTI, dado por[039] Let eh d (j &) be the transfer functions in the frequency domain of the low-pass filter and the 2 - order differentiating filter of Savitzky-Golay, respectively. As in a linear time-invariant system (LTI) the convolution in the time domain is equivalent to multiplication in the frequency domain, the cascading of the two systems can be represented by an equivalent system with a transfer function G (je>), also LTI , given by

G(y'o) = Hb (jü)\HD(j(0). [16]G (y'o) = H b (jü) \ H D (j (0). [16]

Assumindo que o ruído é WGN, sua densidade espectral de potência é constante e então a variância da saída do sistema pode ser obtida através dos coeficientes de energia da resposta ao impulso de G(/o), isto é, g[n], como segue:Assuming that the noise is WGN, its power spectral density is constant and then the variance of the system output can be obtained through the energy coefficients of the G (/ o) impulse response, that is, g [n], as Follow:

= , [17] —oo onde Δ é o ganho da variância. Fazendo uso da relação de Parseval, temos:=, [17] —oo where Δ is the variance gain. Using Parseval's relationship, we have:

[18][18]

15/18 οο 1 *15/18 οο 1 *

Δ = X(g[«])2 = — J |G(»)|2 άω [040] Um bom grau de precisão pode ser atingido no cálculo do fator de margem assumindo que o ruído na saída não exceda uma quantidade equivalente a três vezes o desvio padrão. Na distribuição Gaussiana, a probabilidade do ruído estar abaixo de ^σΝοια é 99,87%. Assim sendo, o limiar adaptativo se relaciona com o valor máximo da saída do filtro diferenciador deΔ = X (g [«]) 2 = - J | G (») | 2 άω [040] A good degree of precision can be achieved in the calculation of the margin factor assuming that the noise at the output does not exceed an amount equivalent to three times the standard deviation. In the Gaussian distribution, the probability of noise being below ^ σ Νοια is 99.87%. Therefore, the adaptive threshold relates to the maximum output value of the

2a ordem de Savitzky-Golay pela expressão2 the order of Savitzky-Golay by the expression

Tsh = max{del2sg[n\} + 3aNouí . [19] Tsh = max {del2sg [n \} + 3rd Nouí . [19]

Usando a conhecida expressão da SNR,Using the well-known expression of SNR,

SNR = 20.log 1SF max σΝίη ;SNR = 20.log 1 SF max σ Νίη;

[20] e considerando o cálculo prévio de 200 amostras por ciclo, pode-se substituir as equações [15], [17] e [20] em [19], obtendo, depois de algumas manipulações algébricas, + 3042·[20] and considering the previous calculation of 200 samples per cycle, equations [15], [17] and [20] can be replaced in [19], obtaining, after some algebraic manipulations, + 3042 ·

Figure BR102015028907A2_D0004
Figure BR102015028907A2_D0005

[21] [041] O valor de Δ a ser utilizado em [21] para cálculo do fator de margem é obtido por integração numérica de [18] baseado nas funções de transferência do filtro Butterworth e do filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay, facilmente estimadas por softwares matemáticos, como MATLAB.[21] [041] The value of Δ to be used in [21] for calculating the edge factor is obtained by numerical integration [18] based on filter transfer functions Butterworth and differentiating filter 2 to order Savitzky -Golay, easily estimated by mathematical software, such as MATLAB.

[042] O fator de margem (k) e, consequentemente, o limiar adaptativo {Tsh) podem ser calculados para qualquer situação, seguindo os passos mostrados nas seções b.1) e b.2). A título de exemplo, considerando um sistema com frequência de 50 Hz, uma taxa de amostragem de 10kHz (equivalente a N =200 amostras / ciclo), um filtro Butterworth passa-baixa de[042] The margin factor (k) and, consequently, the adaptive threshold (Tsh) can be calculated for any situation, following the steps shown in sections b.1) and b.2). As an example, considering a system with a frequency of 50 Hz, a sampling rate of 10 kHz (equivalent to N = 200 samples / cycle), a low-pass Butterworth filter of

16/18 segunda ordem com frequência de corte de 500 Hz e o valor de pico da componente c.a. da corrente do circuito secundário (2) ZsFmax = 20 p.u., obtemos, para SNR = 50 dB, valores de k= 1,1427 e Tsh = 0,0225 p.u.. Já para SNR = 40 dB obtemos k = 1,4513 e Tsh = 0,0286 p.u. e para SNR = 30 dB obtemos k = 2,4271 e Tsh = 0,0479 p.u.16/18 second order with a cutoff frequency of 500 Hz and the peak value of the ac component of the secondary circuit current (2) ZsF max = 20 pu, we obtain, for SNR = 50 dB, values of k = 1.1427 and Tsh = 0.0225 pu. For SNR = 40 dB we get k = 1.4513 and Tsh = 0.0286 pu and for SNR = 30 dB we get k = 2.4271 and Tsh = 0.0479 pu

[043] Para evitar esforço computacional desnecessário envolvendo estes cálculos, os valores do limiar adaptativo podem ser pré-calculados para diversos níveis de SNR e salvos em uma lookup table (LUT). Assim, em aplicações de tempo real, o valor da SNR pode ser previa e continuamente estimado, através de métodos já pertencentes ao estado da técnica, mantendose atualizado para a obtenção do limiar adaptativo mais adequado à detecção da saturação do TC tão logo ocorra uma falta no sistema.[043] To avoid unnecessary computational effort involving these calculations, the adaptive threshold values can be pre-calculated for different SNR levels and saved in a lookup table (LUT). Thus, in real-time applications, the SNR value can be predicted and continuously estimated, using methods that already belong to the state of the art, keeping updated to obtain the most appropriate adaptive threshold for detecting CT saturation as soon as a fault occurs. in the system.

O método proposto [044] A figura 4 mostra o fluxograma do método proposto, que efetua a detecção da saturação do TC através das seguintes etapas:The proposed method [044] Figure 4 shows the flowchart of the proposed method, which detects CT saturation through the following steps:

• Inicialmente, há a aquisição do sinal de corrente do circuito secundário do TC, através de um conversor analógico digital (DAC). A amostragem do sinal (8) deve ser efetuada a uma taxa de amostras por ciclo (N) suficiente para prover o sinal digital resultante de um nível de resolução suficiente para permitir a detecção da saturação;• Initially, there is the acquisition of the current signal from the secondary circuit of the TC, through an analog digital converter (DAC). The signal sampling (8) must be carried out at a sample rate per cycle (N) sufficient to provide the digital signal resulting from a level of resolution sufficient to allow the detection of saturation;

• A próxima etapa envolve um detector de faltas (9), já presente no estado da técnica. Enquanto não é detectada uma falta, o valor da SNR é estimado (10), atualizado e armazenado em uma unidade de memória (11). Uma vez detectada uma falta, inicia-se efetivamente o processo de detecção da saturação do TC;• The next step involves a fault detector (9), already present in the state of the art. While a fault is not detected, the SNR value is estimated (10), updated and stored in a memory unit (11). Once a fault is detected, the CT saturation detection process is effectively started;

• Através do valor da SNR atualizado e armazenado na unidade de memória (11), determina-se o valor do limiar adaptativo (12) pela leitura de uma LUT previamente construída e armazenada também na unidade de memória (11);• Using the updated SNR value and stored in the memory unit (11), the adaptive threshold value (12) is determined by reading a LUT previously built and also stored in the memory unit (11);

17/18 • O sinal digital é filtrado por um filtro passa-baixa (13), para atenuar os efeitos do ruído e das componentes harmônicas possivelmente presentes no sinal digitalizado de corrente;17/18 • The digital signal is filtered by a low-pass filter (13), to attenuate the effects of noise and harmonic components possibly present in the digitized current signal;

• O sinal filtrado é processado através do filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay (14), obtendo-se o valor de del2sg[ri\\ • O valor de del2sg\n\ é comparado (15) com o limiar adaptativo (Tsh), havendo três possibilidades:• The filtered signal is processed by a differentiating filter of order 2 Savitzky-Golay (14), obtaining the value of del2sg [ri \\ del2sg • The value of \ n \ is compared (15) with the adaptive threshold (Tsh), with three possibilities:

- Se del2sg[n] < Tsh, a amostra analisada não corresponde a um ponto de início (4) nem a um ponto de fim (5) da região saturada (3);- If del2sg [n] <Tsh, the sample analyzed does not correspond to a start point (4) or an end point (5) in the saturated region (3);

- Se del2sg[n] > Tsh e trata-se de um evento cuja ocorrência é ímpar (17) (1a, 3a,... ocorrências), é detectado que o TC entrou em saturação (18), ou seja, é detectado um ponto de início (4) da região saturada (3);- If del2sg [n]> Tsh and it is an event whose occurrence is odd (17) (1 a, 3 a, ... cases), it is detected that the entered CT saturation (18), or a starting point (4) of the saturated region (3) is detected;

- Se del2sg[n] > Tsh e trata-se de um evento cuja ocorrência é par (17) (2a, 4a,... ocorrências), é detectado que o TC saiu de saturação (19), ou seja, é detectado um ponto de fim (5) da região saturada (3).- If del2sg [n]> Tsh and it is an event occurring is even (17) (2, 4 th, ... cases), it is detected that the CT saturation left (19), or an end point (5) of the saturated region (3) is detected.

• Todo o processo é então repetido a cada nova amostra do sinal da corrente do circuito secundário (2).• The entire process is then repeated with each new sample of the secondary circuit current signal (2).

[045] Para atestar a elevada acurácia obtida pelo processo de detecção objeto da presente invenção, diversos sinais de corrente secundária distorcida pela saturação do TC foram gerados no RTDS, combinando diferente cenários com diferentes valores de ângulos de falta, fluxo remanescente no núcleo do TC, burden (módulo e fator de potência) e constante de tempo primária. Tais sinais foram então adicionados a WGN com SNR de 30 dB e submetidos ao método de detecção de saturação em TCs baseado no filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay (del2sg[n]} revelado na presente invenção e ao método de detecção de saturação em TCs baseado na função primeira diferença do filtro de Lanczos de baixo ruído (dellan[n]) já pertencente ao estado da técnica, para fins de comparação. Os pontos de início (4) e os pontos de fim (5) das regiões saturadas (3) dos primeiros dois ciclos após a ocorrência da falta foram classificados pelo critério da “matriz de confusão, onde foram tabuladas a taxa de verdadeiros positivos (TPR), a taxa de[045] To attest to the high accuracy obtained by the detection process object of the present invention, several secondary current signals distorted by CT saturation were generated in RTDS, combining different scenarios with different values of fault angles, remaining flow in the CT core , burden (modulus and power factor) and primary time constant. These signals were then added to WGN with a 30 dB SNR and subjected to the saturation detection method in CTs based on the Savitzky-Golay 2nd order differentiating filter (del2sg [n]} revealed in the present invention and the detection method of saturation in CTs based on the first difference function of the low noise Lanczos filter (dellan [n]) already belonging to the state of the art, for comparison purposes. The start points (4) and the end points (5) of the regions saturated (3) of the first two cycles after the occurrence of the fault were classified by the “confusion matrix”, where the true positive rate (TPR),

18/18 verdadeiros negativos (TNR), a taxa de falsos positivos (FPR) e a taxa de falsos negativos (FNR) para uma ampla faixa de limiares. Estes dados possibilitaram a construção das curvas ROC para os dois métodos comparados, que é mostrada na figura 5. Observa-se que o método de detecção proposto supera o estado da técnica quando aplicado a sinais com alto nível de ruído.18/18 true negatives (TNR), the false positive rate (FPR) and the false negative rate (FNR) for a wide range of thresholds. These data enabled the construction of the ROC curves for the two compared methods, which is shown in figure 5. It is observed that the proposed detection method surpasses the state of the art when applied to signals with a high level of noise.

[046] O método de detecção de saturação de TC aqui revelado foi os pontos de início (4) e os pontos de fim (5) das regiões saturadas (3) de corrente testado através de simulações de falta no RTDS. Os resultados mostraram que o método apresenta alta eficiência de detecção para ruídos com SNR até 30 dB, mantendo excelentes resultados independente das características do TC, do burden, do fluxo remanescente e do tipo de falta. Além disso, a simplicidade de operações exige baixo esforço computacional, possibilitando a implementação em tempo real. Os resultados dos testes mostraram-se satisfatórios para taxas de amostragem (/V) entre 100 e 400 amostras / ciclo, e utilizando-se diversos tipos de filtros passa-baixa, dentre eles o filtro Butterworth de 2a ordem com frequência de corte entre 3 e 10 vezes superior ao valor da frequência do sistema (50 Hz ou 60 Hz).[046] The CT saturation detection method revealed here was the start points (4) and end points (5) of the saturated regions (3) of current tested through RTDS fault simulations. The results showed that the method has high detection efficiency for noise with SNR up to 30 dB, maintaining excellent results regardless of the characteristics of the CT, the burden, the remaining flow and the type of fault. In addition, the simplicity of operations requires low computational effort, enabling implementation in real time. The test results were satisfactory for sampling rates ( A / V) between 100 and 400 samples / cycle, and using various types of low-pass filters, including a Butterworth filter of second order with cutoff frequency between 3 and 10 times higher than the system frequency value (50 Hz or 60 Hz).

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Claims (4)

REIVINDICAÇÕES 1) MÉTODO PARA DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORES DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAY compreendendo as etapas de:1) METHOD FOR SATURATION DETECTION IN CURRENT TRANSFORMERS USING THE SAVITZKY-GOLAY FILTER comprising the steps of: amostrar (8) o sinal da corrente secundária (2) do TC; detectar a ocorrência de uma falta (9);sample (8) the secondary current signal (2) from the CT; detect the occurrence of a fault (9); filtrar (13) o sinal da corrente secundária (2) com um filtro passa-baixa e ainda caracterizado por:filter (13) the secondary current signal (2) with a low-pass filter and further characterized by: determinar o valor do limiar adaptativo (12);determining the adaptive threshold value (12); processar o sinal filtrado através do filtro diferenciador de 2a ordem deprocess the filtered signal through the 2 - order differentiating filter Savitzky-Golay (14);Savitzky-Golay (14); comparar o valor da saída do filtro diferenciador de 2a ordem decompare the output value of the differentiating filter from 2 to Savitzky-Golay com o limiar adaptativo e, através dessa comparação, detectar um ponto de início (4) ou ponto de fim (5) da região saturada (3).Savitzky-Golay with the adaptive threshold and, through this comparison, detect a start point (4) or end point (5) of the saturated region (3). 2) MÉTODO PARA DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORES DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAY , de acordo com a reivindicação 1, ainda caracterizado pelo fato de que determinar o valor do limiar adaptativo (12) compreende:2) METHOD FOR SATURATION DETECTION IN CURRENT TRANSFORMERS USING THE SAVITZKY-GOLAY FILTER, according to claim 1, further characterized by the fact that determining the adaptive threshold value (12) comprises: calcular previamente os valores do dito limiar em função da SNR; construir uma LUT com os valores calculados e armazená-la em uma unidade de memória (11);previously calculate the values of said threshold as a function of the SNR; build a LUT with the calculated values and store it in a memory unit (11); estimar continuamente o valor da SNR (10) e mantê-lo atualizado até a detecção da ocorrência da falta (9);continuously estimate the SNR value (10) and keep it updated until the fault is detected (9); utilizar o valor da SNR estimado para encontrar na LUT o valor correspondente de limiar adaptativo.use the estimated SNR value to find in LUT the corresponding adaptive threshold value. 3) MÉTODO PARA DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORES DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAY , de acordo com a reivindicação 1, ainda caracterizado3) METHOD FOR SATURATION DETECTION IN CURRENT TRANSFORMERS USING THE SAVITZKY-GOLAY FILTER, according to claim 1, still characterized 2/2 pelo fato de que a etapa de amostrar (8) o sinal é efetuada a uma taxa de amostragem entre 100 e 400 amostras / ciclo.2/2 due to the fact that the sampling step (8) the signal is performed at a sampling rate between 100 and 400 samples / cycle. 4) MÉTODO PARA DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORES DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAY de acordo com a reivindicação 1, ainda caracterizado pelo fato de que a etapa de filtrar (13) o sinal é efetuada com um filtro Butterworth passa-baixa com frequência de corte entre 3 e 10 vezes superior à frequência do sistema elétrico de potência.4) METHOD FOR SATURATION DETECTION IN CURRENT TRANSFORMERS USING THE SAVITZKY-GOLAY FILTER according to claim 1, further characterized by the fact that the filtering step (13) the signal is carried out with a low-pass Butterworth filter cut-off frequency between 3 and 10 times higher than the frequency of the electrical power system. 51 MÉTODO PARA DETECÇÃO DE SATURAÇÃO EM TRANSFORMADORES DE CORRENTE UTILIZANDO O FILTRO DE SAVITZKY-GOLAY, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os coeficientes do filtro diferenciador de 2a ordem de Savitzky-Golay correspondem à escolha de um polinômio interpolador com grau entre 3 e 5 e de uma janela de dados com tamanho entre 7 e 11 amostras.51 METHOD FOR DETECTION OF SATURATION IN CURRENT TRANSFORMER USING Savitzky-Golay Filter according to any one of the preceding claims, characterized in that the differentiating filter coefficients of the second order of Savitzky-Golay correspond to the choice of a interpolator polynomial with degree between 3 and 5 and a data window with size between 7 and 11 samples. 1/41/4 DESENHOSDRAWINGS
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