BR102021015836A2 - Método e dispositivo para identificar a localização de uma falha - Google Patents

Abstract

A invenção refere-se a um método para identificar a localização de uma falha em uma linha com falha de uma rede de fonte de alimentação elétrica (10) que tem uma pluralidade de linhas (10a-g), uma pluralidade de nós internos (K6-K8) e em pelo menos três nós externos (K1-K5), em que cada um dos nós externos (K1-K5) delimita uma linha e são providos com dispositivos de medição (30) que são usados para medir sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência, em que, no método, na linha com falha, respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos (K1-K5) são detectados com base nos sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência medidos, e a localização da falha é identificada usando o tempos detectados.
A fim de poder localizar falhas usando meios simples, propõe-se que um dos nós externos (K1-K5) seja selecionado como o nó de partida para a busca pela localização da falha, que, a partir do nó de partida, trajetos para os outros nós externos (K1-K5) são determinados, e que aqueles trajetos nos quais a localização da falha pode estar localizada, em princípio, são selecionados, que uma linha na qual a localização da falha pode estar localizada, em princípio, é identificada para cada dos trajetos selecionados usando os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam e uma localização de falha potencial é determinada para a linha respectivamente identificada.
A invenção também se refere a um dispositivo para realizar tal método.

Description

MÉTODO E DISPOSITIVO PARA IDENTIFICAR A LOCALIZAÇÃO DE UMA FALHA

[001] A invenção refere-se a um método para identificar a localização de uma falha em uma linha com falha de uma rede de fonte de alimentação elétrica que tem uma pluralidade de linhas, uma pluralidade de nós internos, em que cada um conecta pelo menos três linhas entre si, e pelo menos três nós externos, em que cada um dos nós externos contorna uma linha e são providos com dispositivos de medição que são usados para medir sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência. No método, após a ocorrência de uma falha na linha com falha, os dispositivos de medição são usados para detectar os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos com base na sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência medidos, e a localização da falha é identificada usando os tempos detectados.

[002] A invenção também se refere a um dispositivo para realizar tal método.

[003] A operação segura de redes de fonte de alimentação elétrica requer detecção e desconexão rápida e confiável de possíveis falhas, por exemplo, curtos-circuitos ou falhas de aterramento. As causas de falhas que ocasionam a desconexão podem ser, por exemplo, relâmpagos, linhas rompidas ou de outra forma danificadas, isolamento com falha nas linhas de cabo ou o toque indesejável de linhas aéreas com partes de animais ou plantas. A fim de encurtar os tempos de inatividade causados por falhas, tais falhas devem estar localizadas com a maior precisão possível, a fim de permitir que a causa da falha e quaisquer possíveis danos consequentes causados pela falha sejam eliminados por uma equipe de manutenção.

[004] A localização na qual a falha está situada na linha pode ser estreitada por meio da análise de variáveis de medição, por exemplo, correntes e tensões, que são capturadas enquanto ocorre uma falha. Enquanto isso, uma pluralidade de métodos diferentes se tornou conhecida para este propósito, nos quais a precisão tem um efeito significativo na quantidade de esforço de manutenção para a rede de fonte de alimentação de energia. Portanto, é atribuída grande importância à melhoria da precisão dos algoritmos utilizados para localizar falhas, a fim de facilitar a manutenção e, em particular, reduzir os tempos de inatividade da rede de fonte de alimentação que são causados por falhas.

[005] Métodos para localizar falhas com mais precisão usam, por exemplo, os sinais de corrente ou tensão medidos da onda fundamental (sinais de 50 Hz ou 60 Hz) para localizar falhas. Métodos que usam valores medidos de apenas uma das terminações de linha (localização de falha de terminação simples) ou valores medidos de ambas as terminações da linha (localização de falha de terminação dupla) são conhecidos neste caso. Como resultado, a localização da falha é geralmente indicada como uma distância do respectivo ponto de medição (em porcentagem da linha ou em km ou milhas). Se os valores medidos de apenas uma terminação da linha forem usados, o esforço necessário para localizar as falhas é baixo. Este método de localização de falha é predominantemente um método baseado em impedância no qual uma impedância até a localização da falha é calculada a partir dos valores medidos de corrente e tensão. Uma conclusão em relação a localização da falha pode ser tirada por meio de uma comparação com a impedância da linha de toda a linha no caso sem falha. Uma modalidade exemplificativa de tal método de localização de falha pode ser colhida, por exemplo, a partir do relatório descritivo de patente N° US 4996624 A.

[006] A precisão melhorada ao localizar falhas pode ser alcançada usando valores medidos de ambas as terminações de linha. Neste caso, os valores medidos com base na localização de falhas devem ser combinados por meio de uma conexão de comunicação adequada. Neste contexto, é feita referência ao relatório descritivo da patente N° US 5.929.642; no método descrito nela, um grau muito alto de precisão (erro de medição de aproximadamente 1-2%) é alcançado ao localizar falhas usando valores de corrente e tensão medidos de ambas as terminações da linha com o auxílio de métodos de estimativa e métodos de otimização não linear.

[007] Enquanto a precisão com a qual as falhas são localizadas nos métodos de localização de falhas baseados em impedância depende da precisão da medição dos transdutores de medição usados e da natureza da rede, um alto grau de independência dessas variáveis pode ser alcançado com uso de um método de localização de falhas de acordo com o princípio denominado de onda progressiva (“localização de falha de onda progressiva”). De acordo com este princípio, em vez das ondas fundamentais dos sinais de corrente e tensão medidos, os componentes do sinal de alta frequência que são produzidos durante a falha e ocorrem na forma das denominadas "ondas progressivas" são levados em consideração com propósito de localização de falhas. Nesse caso, as bordas das ondas progressivas de alta frequência são capturadas usando metrologia e são providos com uma marca de tempo. Visto que a velocidade de propagação das ondas progressivas é aproximadamente a velocidade da luz, a falha pode ser bem localizada a partir da avaliação da marcação de tempo. Precisões na faixa de algumas dezenas de metros podem ser alcançadas com este método de localização de falhas. Um exemplo de tal método de localização de falha pode ser obtido no relatório descritivo da patente N° US 8.655.609 B2.

[008] Um outro método para localizar falhas usando ondas progressivas, em que o reconhecimento de padrões de perfis temporais relativamente longos de corrente e/ou tensão é realizado em vez das bordas, também é conhecido, por exemplo, a partir do pedido de patente europeia N° EP 3 193 420 A1.

[009] Os métodos de localização de falhas mencionados são particularmente adequados para topologias de rede lineares sem ramificações, ou seja, para linhas que têm duas terminações finais de linha. No entanto, a rápida integração de fontes de energia regenerativa em, e a expansão de, redes de energia existentes em muitas situações requerem a construção de topologias de rede que diferem de uma estrutura linear convencional. Nesse caso, estruturas ramificadas que podem ser interpretadas como uma combinação de uma pluralidade de estruturas de tripé (ou estruturas T) que têm mais de duas terminações de linha (nós externos) e uma pluralidade de pontos de ramificação internos (nós internos) são frequentemente criadas. Eles também são extremamente populares por razões econômicas. Tais estruturas - mesmo em comparação com a topologia de rede linear -frequentemente constituem a única alternativa prática para a expansão necessária da rede. O número de redes de fonte de alimentação que, pelo menos parcialmente, têm as estruturas ramificadas descritas está, portanto, aumentando.

[0010] No entanto, tais estruturas ramificadas da topologia de rede constituem um grande desafio do ponto de vista de gerenciamento de rede, monitoramento de rede e proteção de rede. Em particular, em estruturas ramificadas complexas, podem ocorrer reações incorretas dos dispositivos de proteção, com o resultado que a desconexão correta da seção de linha afetada não pode mais ser assegurada no caso de uma falha de rede, por exemplo. Além disso, também existem dificuldades na localização da falha em tais estruturas de rede, fazendo com que os resultados de um processo de localização de falha muitas vezes sejam incertos, o que resulta em um esforço considerável na manutenção das linhas.

[0011] Além disso, em uma rede de fonte de alimentação ramificada, os nós internos geralmente não são monitorados diretamente usando metrologia. Isso ocorre porque muitas vezes não é possível instalar um dispositivo de localização de falhas em tais nós internos em redes de fonte de alimentação, em particular, visto que não há possibilidade de instalação de dispositivos nos mastros de ramificação (sem transdutores, sem tensão auxiliar, sem espaço para instalar dispositivos). Portanto, os métodos conhecidos para localização de falha de terminação dupla não são adequados para essas aplicações, visto que aqui também seria necessário instalar dispositivos no nó interno. Portanto, não há uma maneira direta possível de inferir a posição da operação da rede ou de reagir usando a tecnologia de proteção em tal nó.

[0012] Hoje em dia, as falhas muitas vezes também estão localizadas em topologias de redes ramificadas de acordo com métodos convencionais. O método de localização de falhas com terminação simples descrito acima de acordo com o princípio da impedância é predominantemente usado. Visto que pelo menos três terminais de linha estão envolvidos, três resultados são gerados para a localização da falha. No entanto, apenas um dos resultados pode ser correto. Este procedimento não oferece nenhuma garantia de que a localização correta da falha seja verificada. A localização da falha de terminação dupla também pode prover um resultado incerto. Isso está associado ao fato de que uma falha não é desconectada ao mesmo tempo em cada seção e, deste modo, um estado relativamente altamente transiente é produzido. Consequentemente, a determinação precisa de um fasor como base para a localização de falhas é um grande desafio.

[0013] O documento N° EP 3660523 Al divulga um método para localizar falhas em uma rede de fonte de alimentação ramificada com mais de duas terminações, em que os perfis de corrente e tensão transitórios são calculados em primeiro lugar para cada nó na rede com o propósito de localizar falhas. Essa informação é então usada para determinar a localização da falha em uma linha da rede por meio de um algoritmo de onda progressiva. Isso torna possível localizar falhas com um alto grau de precisão, mesmo em uma rede de fonte de alimentação ramificada.

[0014] A invenção tem como base o objetivo de especificar um método alternativo de localização de falhas em uma rede de fonte de alimentação ramificada, na qual o método pode ser realizado por meios tão simples quanto possível.

[0015] Este objetivo é alcançado por meio de um método do tipo estabelecido no início, em que um dos nós externos é selecionado como o nó de partida para a busca da localização da falha, a partir do nó de partida, trajetos para os outros nós externos são determinados, que compreendem uma pluralidade de linhas e nós internos, e aqueles trajetos nos quais a localização de falha pode estar localizada, em princípio, são selecionados, uma linha na qual a localização de falha pode estar localizada, em princípio, é identificada para cada um dentre os trajetos selecionados usando os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam e uma potencial localização de falha é determinada para a linha respectivamente identificada.

[0016] No procedimento aqui proposto, elementos da teoria dos gráficos são vantajosamente ligados ao processo de localização de falhas. Para esse propósito, são formados trajetos através da rede de fonte de alimentação a partir do nó de partida e é realizado um processo de localização de falhas para cada um dos percursos. As falhas podem estar localizadas usando meios metrológicos e de comunicação simples, por meio da aplicação do método proposto, visto que, por um lado, as ondas progressivas devem ser capturadas e marcadas com o tempo apenas nos nós externos e, por outro lado, apenas os tempos identificados - e, portanto, um pequeno volume de dados - deve ser transmitido para um dispositivo de localização de falha com o propósito de determinar a localização da falha.

[0017] Além disso, a localização da falha de onda progressiva pode ser distinguida, em princípio, por muitas vantagens. Uma das vantagens é a omissão da necessidade de cálculo de um fasor para a frequência nominal. Os métodos com base em fasores nem sempre são confiáveis ao localizar a falha, em particular no caso de tempos de desconexão muito curtos de uma falha de rede. Por esta razão, a localização de falha de onda progressiva é usada na presente invenção. Isso requer apenas um item de informações relativas aos momentos em que a respectiva onda progressiva chegou aos nós externos. Devido à velocidade do método proposto, ele também pode ser utilizado, em princípio, para detectar e desconectar falhas e não apenas para localizar falhas.

[0018] Neste caso, os dispositivos de medição podem capturar os sinais de alta frequência, por exemplo, a uma frequência de amostragem acima da frequência fundamental dos sinais, de preferência a uma taxa de amostragem entre 8 kHz e 64 kHz. Isso torna possível garantir que os sinais transitórios de alta frequência possam ser capturados corretamente e processados adicionalmente. Neste caso, taxas de amostragem mais altas são preferidas, em princípio.

[0019] De acordo com uma modalidade vantajosa do método de acordo com a invenção, é previsto que a localização real da falha na rede de fonte de alimentação elétrica seja determinada por meio da comparação das potenciais localizações da falha de pelo menos dois trajetos selecionados.

[0020] Como resultado, uma verificação de plausibilidade é realizada para determinar o resultado real do processo de localização de falha. Isso pode ser necessário, em particular, em redes em malha.

[0021] Uma modalidade vantajosa adicional do método de acordo com a invenção provê que o nó externo no qual uma onda progressiva foi primeiro detectada seja selecionado como o nó de partida.

[0022] O processo de localização de falhas pode, portanto, ser realizado a partir de um ponto de partida claramente definido. Também é possível garantir que a localização da falha esteja localizada o mais próximo possível do nó de partida.

[0023] Uma modalidade vantajosa adicional do método de acordo com a invenção provê que a rede de fonte de alimentação seja mapeada para, pelo menos, uma estrutura em árvore, a fim de identificar os trajetos.

[0024] Isso permite prover uma estrutura que pode ser facilmente processada e na qual uma busca pode ser realizada para a linha com falha. Para esse propósito, apenas cada trajeto da estrutura em árvore precisa ser processado ao localizar falhas.

[0025] Especificamente, neste contexto, a provisão pode ser feita de que uma árvore mínima seja identificada por meio do algoritmo de Kruskal durante o mapeamento.

[0026] O algoritmo de Kruskal é um algoritmo conhecido da teoria dos gráficos para identificar a árvore com o menor peso do trajeto. No caso presente, o comprimento total das linhas de um trajeto ou o tempo de propagação de uma onda progressiva em todas as linhas do trajeto pode ser considerado como o peso do trajeto, por exemplo.

[0027] Especificamente, neste contexto, a provisão também pode ser feita para a árvore mínima e pelo menos uma árvore não mínima adicional a ser identificada em uma rede de fonte de alimentação que tem pelo menos uma malha.

[0028] Neste caso, uma estrutura parcial da rede de fonte de alimentação, cujos nós inicial e final são idênticos, é considerada uma malha. Por causa da malha, a estrutura ramificada não pode ser completamente mapeada em uma única árvore, com o resultado que uma árvore (não mínima) adicional deve ser gerada além da árvore mínima para cada malha a fim de levar em consideração todas as linhas quando localização de falhas.

[0029] A fim de selecionar aqueles trajetos nos quais a localização da falha poderia estar localizada, em princípio, uma modalidade vantajosa adicional do método de acordo com a invenção provê uma diferença de tempo entre os tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos dos respectivos trajetos a serem determinados, e para aqueles trajetos cuja diferença de tempo é menor do que um tempo de propagação total de uma onda progressiva ao longo do respectivo trajeto a ser selecionado.

[0030] Isso permite garantir, com uma simples consideração computacional, que apenas aqueles trajetos nos quais a falha também pode estar realmente localizada sejam levados em consideração na localização das falhas. Isso porque, se a falha estiver localizada em qualquer parte da linha, a diferença de tempo pode corresponder no máximo ao tempo total de propagação ao longo do trajeto. Esta situação extrema está presente quando a falha ocorreu em um dos nós externos. Se a diferença de tempo para um trajeto em consideração for consequentemente maior do que o tempo total de propagação de uma onda progressiva por esse trajeto, a falha deve inevitavelmente estar localizada fora desse trajeto.

[0031] De acordo com uma modalidade vantajosa adicional do método de acordo com a invenção, a provisão também pode ser feita para a linha do trajeto em que a localização da falha pode estar localizada para ser verificada iterativamente para cada trajeto selecionado com base em uma diferença de tempo virtual, em que os tempos de propagação de uma onda progressiva de um nó do trajeto selecionado para a iteração para um respectivo nó externo do trajeto são usados para formar a diferença de tempo virtual.

[0032] Neste contexto, iterativamente significa que, a partir do nó de partida, uma verificação é realizada em primeiro lugar, para uma primeira linha do trajeto que é delimitada pelo nó de partida e o próximo nó interno, a fim de determinar se a falha poderia estar localizada nesta linha. Se este não for o caso, a região em consideração é respectivamente estendida pela linha até o próximo nó interno em cada caso até que finalmente o nó externo do trajeto tenha sido alcançado como o final da iteração.

[0033] Neste contexto, a fim de determinar especificamente a localização da falha, uma provisão pode ser feita, para uma linha na qual a localização da falha poderia estar localizada, em princípio, para a localização da falha potencial na linha a ser determinada com base nos tempos em que as ondas progressivas chegaram aos nós externos do trajeto em consideração e os tempos de propagação das ondas progressivas sobre as linhas do trajeto em consideração que não são afetadas pela falha.

[0034] Desta forma, depois de identificar qual linha é afetada pela falha, a localização específica da falha na linha é determinada por meio de um algoritmo de onda progressiva de terminação dupla que foi corrigido pelos tempos de propagação das ondas progressivas ao longo de linhas que não são com falhas. Para esse propósito, apenas é necessário calcular os tempos de propagação das ondas progressivas ao longo das linhas que não têm falhas.

[0035] Especificamente, a fim de verificar a localização da falha, a provisão pode ser feita para aquela localização que é indicada pela maioria das localizações de falha potencial a serem selecionadas como a localização de falha real. Portanto, a localização de uma falha real pode ser determinada mesmo no caso de resultados diferentes para as localizações de falha em potencial.

[0036] Uma modalidade vantajosa adicional do método de acordo com a invenção provê, em uma rede de fonte de alimentação que tem pelo menos uma malha, para uma estrutura em árvore da rede de fonte de alimentação ser dividida em duas subárvores e para as localizações de falha potencial a serem identificadas com base nos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos das respectivas subárvores.

[0037] Nesse caso, a seção através da árvore pode ser efetuada, respectivamente, por aquela linha que se considera com falha.

[0038] Finalmente, uma modalidade vantajosa adicional do método de acordo com a invenção provê, com o conhecimento da localização real da falha, uma verificação a ser realizada a fim de determinar se a linha com falha é uma linha aérea ou um cabo subterrâneo, e para uma função de reinício automático de um comutador que interrompe uma corrente de falha para ser habilitada no caso de uma linha aérea, e para a função de reinício automático ser bloqueada no caso de um cabo subterrâneo.

[0039] Isso possibilita utilizar a velocidade do método proposto para realizar também funções relacionadas à proteção, no caso presente a habilitação ou bloqueio de uma função de reinicialização automática, além da localização de falhas. Visto que as falhas nas linhas costumam ser de curta duração, a operação contínua e imediata da rede de alimentação pode ser garantida reiniciando automaticamente a linha após ela ter sido desconectada. No entanto, uma falha é eliminada automaticamente apenas em linhas aéreas; cabos subterrâneos geralmente não são afetados por isso. Portanto, antes de um reinício automático, é necessário verificar se a falha está localizada em uma linha aérea ou em um cabo subterrâneo. Essas informações podem ser obtidas a partir de uma descrição da topologia com conhecimento da linha com falha.

[0040] O objeto acima mencionado também é alcançado por meio de um dispositivo para identificar a localização de uma falha em uma linha com falha de uma rede de fonte de alimentação elétrica que tem uma pluralidade de linhas, uma pluralidade de nós internos, em que cada um conecta pelo menos três linhas a um ao outro, e pelo menos três nós externos, em que cada um dos nós externos delimita uma linha, em que o dispositivo tem um dispositivo de avaliação que está configurado para detectar os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos após uma falha ter ocorrido na linha e para identificar a localização da falha usando os tempos detectados.

[0041] A invenção provê que o dispositivo de avaliação seja configurado para selecionar um dentre os nós externos como o nó de partida para a busca pela localização da falha e, a partir do nó de partida, para determinar trajetos para os outros nós externos, que compreendem uma pluralidade de linhas e nós internos, e para selecionar aqueles trajetos nos quais a localização da falha poderia estar localizada, em princípio, para o dispositivo de avaliação ser configurado para identificar uma linha na qual a localização da falha poderia estar localizada, em princípio, para cada um dos trajetos usando os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam e para determinar uma localização de falha potencial para a linha respectivamente identificada e para o dispositivo de avaliação a ser configurado para determinar a localização de falha real na rede de fonte de alimentação, por meio da comparação das localizações de falha potencial de todos os trajetos selecionados.

[0042] No que diz respeito ao dispositivo de acordo com a invenção, todas as declarações feitas acima e abaixo em relação ao método de acordo com a invenção e vice-versa se aplicam em conformidade; em particular, o dispositivo de acordo com a invenção é configurado para realizar o método de acordo com a invenção em qualquer modalidade desejada ou em uma combinação de quaisquer modalidades desejadas. Em relação às vantagens do dispositivo de acordo com a invenção, é também feita referência às vantagens descritas em relação ao método de acordo com a invenção.

[0043] Em relação ao dispositivo, a provisão pode ser feita, por exemplo, que o dispositivo tenha um dispositivo de medição que é usado para medir os sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência em um dos nós externos.

[0044] Neste caso, o dispositivo é provido em um dos nós externos e recebe informações relacionadas aos momentos em que a onda progressiva chega aos outros nós externos a partir de dispositivos de medição nos outros nós externos. É possível que apenas um desses dispositivos seja provido na rede de fonte de alimentação. De maneira diferente desta, também é possível que tal dispositivo seja provido em uma pluralidade de ou em todos os nós externos. Tais dispositivos, então, trocam informações relativas aos tempos identificados entre si e calculam a localização da falha de maneira redundante.

[0045] Alternativamente, a provisão também pode ser feita para o dispositivo ser um dispositivo de processamento de dados separado e ser configurado para receber sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência de dispositivos de medição externos e para determinar os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos ou para receber os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos, conforme determinado por meio dos próprios dispositivos de medição externos.

[0046] Neste caso, os dispositivos de medição para medir os sinais de alta frequência e o dispositivo para localizar falhas são dispositivos separados. Os dispositivos de medição transmitem os tempos determinados por eles ou seus valores medidos capturados diretamente para o dispositivo separado para avaliação adicional.

[0047] Especificamente, neste contexto, a provisão pode ser feita de que o dispositivo seja um dispositivo de processamento de dados em nuvem.

[0048] Ele pode ser uma plataforma para prover serviços em nuvem, na qual está instalado um aplicativo (“app”) de localização de falhas. A plataforma pode ser, por exemplo, Siemens Mindsphere ©.

[0049] A invenção é explicada em mais detalhes abaixo com base em uma modalidade exemplificativa. A configuração específica da modalidade exemplificativa não deve ser entendida como sendo restritiva de qualquer maneira para a configuração geral do método de acordo com a invenção e do dispositivo de acordo com a invenção; em vez disso, os recursos de configuração individuais da modalidade exemplificativa podem ser livremente combinados uns com os outros e com os recursos descritos acima de qualquer maneira desejada.

[0050] Nos desenhos:
A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma rede de fonte de alimentação ramificada;
A Figura 2 mostra uma vista esquemática adicional de uma rede de fonte de alimentação ramificada que tem malhas;
A Figura 3 mostra uma vista esquemática de uma seção de linha que tem um dispositivo para determinar uma localização de falha;
A Figura 4 mostra a rede de fonte de alimentação da Figura 1, na qual ocorreu uma falha em uma linha;
A Figura 5 mostra perfis exemplificativos de sinais de corrente de alta frequência em um nó externo;
A Figura 6 mostra um fluxograma esquemático para explicar o procedimento básico ao determinar uma localização de falha;
A Figura 7 mostra um exemplo de um processo de mapeamento da rede de fonte de alimentação da Figura 1 para uma estrutura em árvore;
A Figura 8 mostra um fluxograma esquemático adicional para explicar o procedimento ao determinar uma localização de falha potencial em uma linha;
As Figuras 9 a 10 mostram árvores (não mínimas) adicionais como um mapeamento da rede de alimentação em malha da Figura 2;
A Figura 11 mostra uma divisão exemplificativa de uma árvore em duas subárvores;
A Figura 12 mostra a rede de alimentação da Figura 1, na qual informações são transmitidas entre os dispositivos de medição; e
A Figura 13 mostra a rede de fonte da Figura 1, na qual as informações são transmitidas dos dispositivos de medição para um dispositivo de processamento de dados central.

[0051] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma rede elétrica de fonte de alimentação ramificada 10. Embora a rede de fonte de alimentação 10 seja ilustrada como uma rede monofásica na Figura 1, ela também pode ter um projeto multifásico, em particular trifásico. A rede de fonte de alimentação 10 compreende uma pluralidade de linhas 10a-10g, nós externos K1-K5 e nós internos K6-K8. Um nó externo K1-K5 delimita uma linha individual, enquanto pelo menos três linhas se encontram em um nó interno K6-K8. Os pontos de medição 11a-11e, nos quais correntes e/ou tensões são capturadas usando sensores adequados e são encaminhados para dispositivos de medição 30, são providos nos nós externos. Neste caso, os dispositivos de medição 30 podem ser dispositivos separados que são projetados para medir sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência. Alternativamente, os dispositivos de medição também podem ser parte de dispositivos para identificar uma localização de falha. Tais dispositivos podem ser, por exemplo, IEDs (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes) na forma de dispositivos de proteção elétrica ou localizadores de falhas.

[0052] Também é possível que as correntes e/ou tensões registradas nos nós externos usando os dispositivos de medição 30 ou informações derivadas dos mesmos sejam encaminhadas para um dispositivo central para identificar a localização da falha. Esse pode ser um ou mais dispositivos de computação separados ou uma plataforma de nuvem (por exemplo, o Mindsphere © Cloud da Siemens AG).

[0053] A Figura 2 mostra uma modificação da rede de fonte de alimentação 10 da Figura 1. Além das ramificações, a rede de alimentação 20 na Figura 2 também tem malhas 21a e 21b. Essa malha pode surgir, por exemplo, como resultado de posições de comutador específicas.

[0054] Topologias de rede ramificada e possivelmente até mesmo em malha têm sido cada vez mais usadas recentemente para lidar com a expansão de redes de distribuição para conectar geradores de energia descentralizados (instalações fotovoltaicas, turbinas eólicas, plantas de cogeração, etc.), por exemplo, no nível de média ou baixa tensão. No entanto, enquanto a detecção de falha e a determinação de localização de falha podem ser realizadas com relativa facilidade usando métodos convencionais de localização de falha de terminação simples ou dupla em linhas que têm duas terminações de linha, a detecção e localização de uma falha em uma topologia ramificada estão associadas a maiores dificuldades. Um método que pode ser usado para determinar com precisão a localização de uma falha, mesmo em tais estruturas de rede ramificada, é apresentado abaixo.

[0055] Para este propósito, a invenção utiliza o conceito de localização de falha de onda progressiva. A determinação das localizações de falhas de acordo com o princípio das ondas progressivas considera perfis transitórios de alta frequência nas correntes e tensões medidas após a ocorrência de uma falha na rede de alimentação. Esses componentes de sinal de alta frequência se propagam de forma semelhante a uma onda a partir da localização da falha em todas as direções ao longo das linhas da rede de fonte de alimentação ("ondas progressivas"). A propagação ao longo da linha ocorre a uma velocidade de propagação conhecida, com o resultado que a localização da falha pode ser inferida com base na chegada da onda progressiva nas terminações da linha. A determinação da localização de falha de onda progressiva tem uma pluralidade de vantagens. Uma dessas vantagens é dispensar o cálculo dos fasores da frequência nominal. A prática de localização de falhas usando transientes provê resultados mais confiáveis do que métodos baseados em fasores, em particular no caso de tempos de desconexão muito curtos de uma falha na rede. A determinação da localização de falhas usando ondas progressivas também provê um resultado mais confiável devido à análise de um espectro de frequência mais amplo. Esta forma de localização de falhas provê um alto grau de confiabilidade dos resultados determinados, em particular no caso de redes ressonantes aterradas ou isoladas neutras.

[0056] Além disso, a localização de falhas por ondas progressivas também pode ser usada em topologias em rede e em malha. Nos exemplos mostrados nas Figuras 1 e 2, é presumido que as correntes e/ou tensões podem ser medidas nos cinco nós externos K1-K5. Dispositivos de medição que podem realizar a amostragem de sinal em uma taxa de amostragem comparativamente alta na faixa de megahertz devem ser usados para a medição. A razão para isso é a necessidade de registrar transientes, ou seja, componentes de sinal de alta frequência, que não podem ser registrados usando dispositivos de medição convencionais em taxas de amostragem comparativamente baixas. A captura pode ser realizada, por exemplo, utilizando um gravador de falhas ou um dispositivo de proteção. Nos exemplos nas Figuras 1 e 2, também é presumido que não há dispositivos de medição nos três nós internos K6-K8, com o resultado de que nenhuma corrente e tensão podem ser capturadas lá usando metrologia.

[0057] A Figura 3 mostra um arranjo básico para capturar ondas progressivas. A este respeito, uma falha F na linha 10a entre o nó externo K1 e o nó interno K6 é presumida a título de exemplo. Sinais transitórios de alta frequência na forma de ondas progressivas se propagam a partir da localização da falha em ambas as direções ao longo da linha 10a. Os sinais de alta frequência (sinais de corrente I são ilustrados a título de exemplo na Figura 3, mas os sinais de tensão também podem ser alternativamente ou adicionalmente usados) são capturados no ponto de medição 11a disposto no nó externo K1 por meio de um dispositivo de medição 30 e são identificados lá como uma onda progressiva. Para este propósito, o dispositivo de medição opera a uma alta taxa de amostragem na faixa de megahertz. O momento em que a primeira borda da onda progressiva chega é capturado pelo dispositivo de medição 30 usando um temporizador altamente preciso 31 e é armazenado.

[0058] Além disso, a onda progressiva também se propaga a partir da localização da falha na direção do nó K6 e se propaga adicionalmente na rede de fonte de alimentação a partir daí através das linhas 10b e 10f até que seja capturada em outros nós externos usando metrologia.

[0059] Neste caso, o dispositivo de medição 30 pode ser um dispositivo independente. Conforme indicado na Figura 3 por uma borda tracejada, o dispositivo de medição também pode, no entanto, ser parte de um dispositivo 30a para identificar a localização de falha, cujo dispositivo 30a compreende um dispositivo de avaliação 32 que é usado para localizar falhas, conforme descrito em detalhes abaixo, com base nas informações relativas aos momentos em que a onda progressiva chega a todos os nós externos da rede de alimentação. Para esse propósito, o dispositivo 30a é conectado a uma rede de comunicação 33, por meio da qual as informações necessárias para localizar as falhas são transmitidas pelos outros nós externos.

[0060] A Figura 4 mostra a rede de fonte de alimentação 10 da Figura 1, na qual uma falha F ocorreu na linha 10f entre os nós internos K6 e K7. As direções de propagação das ondas progressivas que surgem na localização da falha são indicadas apenas esquematicamente com setas tracejadas. Essas ondas progressivas podem ser capturadas usando metrologia nos nós externos K1-K5; os nós internos K6-K8 não possuem metrologia.

[0061] A Figura 5 mostra, a título de exemplo, o perfil dos sinais de corrente (trifásicos) quando a onda progressiva chega ao nó externo K1. O perfil ilustrado a título de exemplo foi causado por uma falha bipolar que envolve o solo. Perfis correspondentes podem ser capturados em outros nós externos. A ocorrência da primeira borda da onda progressiva dispara a atribuição de um momento no qual a respectiva onda progressiva chega. A resolução temporal muito precisa dos dados pode ser vista. O gatilho tem uma precisão de algumas centenas de microssegundos. O registro exato da hora é essencial para o algoritmo descrito a seguir. Para ser capaz de localizar falhas, os tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos K1-K5 devem ser capturados com exatidão e transmitidos a pelo menos um dispositivo de avaliação. Os tempos capturados também podem ser transmitidos para uma estação central.

[0062] Os nós monitorados usando metrologia são os nós K1-K5. Após a ocorrência de uma falha, cada um desses nós provê seu próprio tempo no qual a respectiva onda progressiva é capturada; esses tempos são denotados t1, t2, t3, t4 e t5 com base na numeração do respectivo nó. As falhas são localizadas com base nesses tempos t1-t5.

[0063] Uma localização da falha xi como uma distância do nó i pode ser determinada por meio da seguinte equação básica de acordo com o princípio da onda progressiva para uma linha simples que tem duas terminações:

em que li é o comprimento da linha entre os nós i e j, Atij é a diferença de tempo medida entre os tempos identificados nos nós i e j, e v é a velocidade da onda progressiva.

[0064] No caso de uma rede de alimentação em malha ou ramificada, a solução desta equação não provê um resultado correto, entretanto, visto que não há uma linha clara com duas terminações aqui e a topologia da rede pode mudar dinamicamente. O método descrito abaixo é automaticamente adaptado à topologia de rede presente.

[0065] O procedimento básico é ilustrado na sequência do método na Figura 6. Em uma primeira etapa 60, a presença de uma falha em uma (desconhecida) das linhas 10a-g da rede de fonte de alimentação 10 é detectada e a busca pela localização da falha é iniciada. Em uma etapa subsequente 61, um dos nós externos K1-K5 é selecionado como o nó de partida para a busca pela localização da falha. Na etapa 62 subsequente, os trajetos para os outros nós externos através da rede de fonte de alimentação são formados a partir do nó de partida. Na etapa subsequente 63, aqueles trajetos nos quais a falha poderia estar localizada, em princípio, são selecionados a partir dos trajetos que são formados. Para cada um dos trajetos selecionados na etapa 63, um procedimento iterativo é usado na etapa 64 para identificar uma linha na qual a localização da falha poderia estar localizada e uma localização de falha potencial é subsequentemente determinada na etapa 65 para a linha selecionada. Isso é realizado para todos os trajetos selecionados, com o resultado de que há uma pluralidade de localizações de falha potencial após a etapa 65. Finalmente, na etapa 66, a localização de falha real é identificada comparando as localizações de falha potencial e é emitida na etapa 67.

[0066] As etapas individuais são explicadas em detalhes abaixo.

[0067] Na etapa 60, o monitoramento é realizado continuamente a fim de determinar se uma falha ocorreu na rede de fonte de alimentação 10. Tal detecção pode ser realizada usando algoritmos de proteção geralmente conhecidos que tomam uma decisão quanto a se uma linha da rede de fonte de alimentação 10 está em um estado de falha com base nos valores medidos capturados nos nós externos K1-K5. Por exemplo, um algoritmo de proteção de distância, um algoritmo de proteção diferencial, um algoritmo de proteção de sobrecorrente ou outro algoritmo de proteção podem ser usados para este propósito. Se uma falha não foi detectada na etapa 60, o monitoramento contínuo é continuado. Em contraste, se uma falha foi detectada, correntes e/ou tensões são capturadas em todos os nós externos K1-K5 por meio de amostragem de alta frequência e examinadas para a chegada de ondas progressivas. Os tempos em que as ondas progressivas chegam são registrados. Como resultado da etapa 60, um tempo que indica a chegada da respectiva onda progressiva no nó relevante está presente para cada nó externo K1-K5.

[0068] Na etapa 61, o nó em que a onda progressiva correspondente chegou primeiro, ou seja, o que ocorreu mais cedo, é determinado como o nó de partida para a busca da localização da falha. Este nó é o mais próximo da localização da falha procurada. No presente exemplo, o nó externo K1 é selecionado como o nó de partida.

[0069] Na etapa 62, os trajetos para os outros nós externos através da rede de fonte de alimentação são formados a partir do nó de partida. Para este propósito, a topologia da rede de alimentação é vantajosamente mapeada para uma estrutura em árvore.

[0070] O conhecimento da teoria dos gráficos é usado para esse mapeamento da topologia da rede. Neste caso, as seguintes definições são usadas:

• - um gráfico de rede é um mapa de uma rede, para qual N nós K e linhas (ramos) li são atribuídos;
• - uma linha li (ramo) conecta dois nós Ki e Kj um com o outro;
• - um trajeto é uma coleção de linhas li que conectam dois nós externos um ao outro, em que cada nó do trajeto ocorre apenas uma vez;
• - uma malha é uma conexão de linhas li, na qual o mesmo nó forma o início e o fim;
• - uma árvore é um subgráfico de uma rede, na qual todos os nós estão presentes e nenhuma malha ocorre.

[0071] Visto que a linha na qual a falha está localizada é inicialmente desconhecida, a criação da denominada árvore de rede (“árvore” para abreviar) deve ser iniciada. No caso de sistemas em malha (cf. Figura 2), uma pluralidade de árvores pode ser criada para poder levar em consideração todas as linhas na localização de falhas. Esta variante é explicada posteriormente. No caso presente, a intenção é considerar a rede ramificada da Figura 1 como exemplo.

[0072] Em uma primeira fase da etapa 62, a denominada “árvore mínima” é criada em primeiro lugar como um mapa da rede de fonte de alimentação. A árvore mínima conecta todos os nós entre si e tem a menor ponderação geral de ramos. Um comprimento de linha ou um tempo de propagação da onda progressiva através do respectivo ramo pode ser considerado a ponderação do ramo. A busca pela árvore mínima é vantajosamente realizada usando o algoritmo de Kruskal. Começando com o peso de ramo mais baixo, a árvore é construída neste caso, etapa por etapa, ao redor do ramo com o peso de ramo mais baixo, respectivamente. A busca de ramos adequados é vantajosamente realizada a partir dos nós que já foram integrados na árvore. A integração é realizada automaticamente com a inserção de novos ramos. Os ramos que formariam uma malha são rejeitados ao buscar ramos adequados.

[0073] Após a árvore ter sido gerada, os trajetos a partir do nó de partida K1 para os outros nós externos K2-K5 são formados em uma fase adicional da etapa 62.

[0074] Uma recursão é vantajosamente usada para determinar os trajetos, nos quais, a partir do nó de partida, o respectivo próximo nó no trajeto é identificado seguindo as linhas conectadas ao nó de partida. As seguintes condições de aborto são usadas ao determinar os trajetos:

• - o próximo nó verificado é um nó externo;
• - o próximo nó verificado já está incluído no trajeto.

[0075] Nesse caso, todo o trajeto é rejeitado (uma malha foi verificada).

[0076] No presente exemplo, o procedimento para determinar os trajetos ocorre conforme descrito abaixo. A identificação passo a passo dos trajetos é indicada no lado direito na Figura 7.

[0077] a) Começar no nó de partida K1 (hipótese: K1 é o nó com o menor tempo absoluto da frente de onda detectada);
b) inserir a linha 10a a partir do nó K1 ao nó K6;
c) inserir a linha 10b a partir do nó K6 ao nó K2;
d) abortar o que foi alcançado para o primeiro trajeto K1-K6-K2 visto que K2 é um nó externo;
e) inserir a linha 10f a partir do nó K6 ao nó K7;
f) inserir a linha 10c a partir do nó K7 ao nó K3;
g) abortar o que foi alcançado para o segundo trajeto K1-K6-K7-K3 visto que K3 é um nó externo;
h) inserir a linha 10g a partir do nó K7 ao nó K8;
i) inserir a linha 10e a partir do nó K8 ao nó K5;
j) abortar o que foi alcançado para o terceiro trajeto K1-K6-K7-K8-K5 visto que K5 é um nó externo;
k) inserir a linha 10d a partir do nó K8 ao nó K4;
l) abortar o que foi alcançado para o quarto trajeto K1-K6-K7-K8-K4 visto que K4 é um nó externo;
m) abortar a identificação de trajetos visto que não há trajetos adicionais a serem seguidos.

[0078] Após a etapa 62, há, portanto, uma coleção completa de trajetos que conectam o nó de partida a outros nós externos.

[0079] Na etapa 63, aqueles trajetos nos quais a localização da falha pode estar localizada são selecionados a partir dos trajetos. Neste caso, apenas aqueles trajetos para os quais uma onda progressiva foi detectada em ambos os nós externos e nos quais a diferença de tempo entre os tempos em que a respectiva onda progressiva chega é menor ou igual ao tempo de propagação total de uma onda progressiva ao longo todos os respectivos trajetos são levados em consideração.

[0080] Portanto, o tempo total de propagação de uma onda progressiva ao longo do trajeto é calculado para cada trajeto verificado usando os comprimentos de linha conhecidos li e as velocidades de propagação vi na respectiva linha li. Por causa dos diferentes parâmetros da linha (por exemplo, devido ao projeto como uma linha aérea ou um cabo subterrâneo), as velocidades de propagação vi podem ser diferentes entre as linhas individuais li. O tempo total de propagação tPfad(Kn-Km) para um trajeto entre os nós Kn (nó de partida) e Km (respectivo nó externo) é calculado da seguinte forma:

[0081] Neste caso, N representa o número de linhas no trajeto em consideração entre os nós Kn e Km, li representa o comprimento da i-ésima linha no trajeto e vi representa a velocidade de propagação da onda na i-ésima linha do trajeto.

[0082] Adicionalmente, a diferença de tempo ΔtPfad dos momentos em que as ondas progressivas chegam entre os nós On e I'm no início e no final do trajeto é formado para cada trajeto. Esta diferença de tempo pode ser determinada a partir dos tempos tKn e tKm que foram capturados nos nós On e Km:
ΔtPFad= tKn-tKm

[0083] A fim de determinar se a falha pode realmente estar localizada no trajeto em consideração, a seguinte condição deve, consequentemente, ser verificada:
ΔtPfad≤ tPfad(Kn-Km).

[0084] Se esta condição for satisfeita, a falha pode estar localizada no trajeto e o trajeto é consequentemente selecionado como um trajeto potencialmente com falha. O algoritmo descrito é realizado separadamente para todos os trajetos verificados na etapa 62. Desta forma, o trajeto K1-K6-K2 pode ser excluído no presente exemplo, visto que a falha não pode estar localizada neste trajeto.

[0085] Na etapa 64, a linha respectiva na qual a falha pode estar localizada é identificada em um procedimento iterativo para os trajetos selecionados. Este procedimento é explicado em mais detalhes com o auxílio da Figura 8.

[0086] O processamento começa com a etapa 82 com a provisão dos trajetos possivelmente afetados pela falha de acordo com o procedimento explicado acima em relação à etapa 63.

[0087] Na etapa 83, uma iteração começa em que uma diferença de tempo virtual ΔtPfad,Kp é determinada em primeiro lugar para o respectivo próximo nó Kp no trajeto. A etapa 84 verifica se a diferença de tempo ΔtPfad determinada para o trajeto em consideração é maior ou igual a esta diferença de tempo virtual:
ΔtPfad≥ΔtPfad,Kp

[0088] Neste caso, a diferença de tempo virtual é determinada como a diferença entre os tempos em que a respectiva onda progressiva chegou ao respectivo nó Kp em consideração, às vezes começando no nó de partida Kn e às vezes começando no nó final (o outro nó externo) Km:
ΔtPfad,Kp=tKp-Kn-tKp-Km

[0089] Enquanto o momento em que a onda progressiva chega foi capturado usando metrologia no nó de partida e no nó final e é, portanto, conhecido, isso geralmente não é conhecido para o próximo nó Kp, no entanto, e deve ser determinado computacionalmente. O tempo resulta dos respectivos tempos tKn (nó de partida) e tKm no nó final (no nó externo remoto) do trajeto, que são conhecidos por medição, levando em consideração as linhas entre esses nós e o nó Kp em consideração e a respectiva velocidade de propagação:

em que Nn é o número de linhas entre o nó de partida On e o nó Kp sob consideração e Nm é o número de linhas entre o nó final e o nó sob consideração.

[0090] Se for determinado na etapa 84 que a condição acima mencionada não foi satisfeita, o método continua com a etapa 88, na qual a linha atualmente em consideração é identificada como possivelmente com falha e uma localização de falha potencial na linha é calculada. As informações relativas à localização de falha potencial são providas na etapa 89.

[0091] Em contraste, se a condição acima mencionada foi satisfeita, a localização da falha está no nó Kp sob consideração ou está fora da linha do trajeto atualmente investigada. O método continua com a etapa 85 na qual a parte considerada do trajeto é estendida pela linha para o próximo nó. Se este próximo nó já foi identificado como um nó final do trajeto (o nó externo) na etapa 86, o método é encerrado com a etapa 87. A falha deve então estar localizada na linha que foi adicionada por último. Em contraste, se o próximo nó não for o nó final do trajeto (um nó interno adicional), uma nova passagem da iteração é iniciada na etapa 83 e uma diferença de tempo virtual ΔtPfad,Kp de uma onda progressiva é agora calculada para o nó Kp que foi adicionado por último. A etapa 84 verifica se a diferença de tempo ΔtPfad é maior ou igual a esta diferença de tempo virtual ΔtPfad,Kp.

[0092] No presente exemplo, para um trajeto considerado K1-K6-K7-K3 na primeira passagem da etapa 83, o nó interno K6 é o próximo nó Kp no trajeto que começa no nó de partida K1. Portanto, é necessário verificar se a diferença de tempo Δtpfad pois todo o trajeto é maior ou igual à diferença de tempo virtual Δtpfad,K6 para o nó K6:
ΔtPfad≥ΔtPfad,K6
com
Δtpfad,K6 = tK6-K1-tK6-K3

[0093] Nesse caso

em que a linha 1 considerada neste contexto, a partir do nó K1 na Figura 1, tem o sinal de referência 10a, e

em que a linha 1 considerada neste contexto, a partir do nó K3 na Figura 1, tem o sinal de referência 10c e a linha 2 considerada neste contexto, a partir do nó K3 na Figura 1, tem o sinal de referência 10f.

[0094] No presente exemplo, é revelado, por meio da verificação da condição acima, que a falha não está localizada na primeira linha 10a. Portanto, o próximo nó no trajeto é selecionado na próxima iteração. Este é o nó K7 no presente exemplo. Visto que a condição
ΔtPfad ≥ΔtPfad,K7
não foi satisfeita para o dito nó, uma falha deve estar localizada na linha 10f definida por último entre os nós K6 e K7. Se este não fosse o caso, a iteração teria que ser consequentemente continuada até que o final do trajeto fosse alcançado.

[0095] A fim de determinar a localização da falha potencial na linha selecionada na etapa 88 (cf. também a etapa 65 na Figura 6), os tempos de propagação de uma onda progressiva nas linhas do trajeto que não são afetadas pela falha são, em primeiro lugar, determinados:

[0096] A linha com falha está entre os nós Kp e K (p + 1). Os tempos de propagação são calculados, para o nó de partida, de Kn ao primeiro nó Kp que delimita a linha com falha e, para o nó final, de Km até o segundo nó K (p + 1) que delimita a linha com falha.

[0097] Para a linha com falha verificada, uma localização de falha potencial agora é determinada usando a seguinte equação:

[0098] No presente exemplo, a falha está localizada entre os nós K6 e K7. A localização da falha potencial, portanto, resulta de acordo com a equação

[0099] Na presente situação exemplificativa, esta é a linha 2 (sinal de referência 10f) que tem o comprimento l2 no trajeto K1-K6-K7-K3.

[00100] O procedimento descrito é realizado para pelo menos um dos trajetos selecionados. O resultado pode ser verificado por meio da comparação dos resultados de uma pluralidade de trajetos. Neste caso, aquela localização de falha potencial que é indicada pela maioria das localizações de falha potencial identificadas é determinada como a localização de falha real.

[00101] Visto que também pode haver linhas que não estão incluídas no trajeto da corrente na rede de fonte de alimentação, a linha com falha não precisa necessariamente estar situada no trajeto da corrente. Nesse caso, o nó que tem o trajeto de saída para a linha com falha é calculado como a localização da falha para o trajeto atual. Se a localização da falha potencial determinada está, portanto, diretamente em um dos nós na faixa dos erros de medição, a localização da falha deve, em qualquer caso, ser verificada usando um trajeto adicional. Se todos os trajetos que contêm o nó determinado como uma localização de falha potencial proverem este nó da rede como a localização da falha, o nó da rede será a localização da falha real. Caso contrário, a localização da falha do trajeto que determinou uma localização da falha em uma linha deve ser usada como a localização da falha. Se uma localização de falha potencial em uma linha e uma ou mais localizações de falha potencial no nó com a linha de saída para esta linha forem identificados, as localizações de falha potencial determinadas indicam, portanto, a localização de falha localizada na linha.

[00102] Conforme descrito, a árvore de trajetos de propagação de ondas é sempre verificada a partir do nó com o menor tempo absoluto detectado de chegada da onda progressiva (nó de partida). Portanto, é garantido que este nó está mais próximo da localização da falha e pelo menos um trajeto a partir deste nó contém a localização da falha.

[00103] Se houver uma malha forte da rede de alimentação (cf. Figura 2), a estrutura da rede também deve ser mapeada para árvores (não mínimas) adicionais, além da árvore mínima, a fim de ser capaz de levar em consideração qualquer possibilidade de uma linha com falha. Isso ocorre porque pode ser facilmente determinado ao comparar a árvore mínima na Figura 7 e a estrutura de rede na Figura 2 que nem todas as linhas (ramos) são levadas em consideração pela árvore mínima. As linhas 10h e 10i estão faltando.

[00104] Por isso, é necessário gerar árvores adicionais que levem em consideração as linhas que falham na árvore mínima. As árvores adicionais são igualmente criadas de acordo com o algoritmo de Kruskal com a diferença de que um dos ramos que ainda não foi levado em consideração na árvore mínima é selecionado como o ramo inicial.

[00105] Na situação exemplificativa na Figura 2, duas árvores adicionais são, portanto, formadas e são mostradas nas figuras 9 e 10, com o resultado que três árvores (a árvore mínima de acordo com a Figura 7 e as árvores não mínimas nas Figuras 9 e 10) estão disponíveis como base para a localização de falhas.

[00106] É necessário construir todas as estruturas em árvore em redes em malha para a busca flexível da localização da falha. Visto que a linha com falha não é conhecida, cada linha deve ser examinada para a localização da falha potencial. Para auxiliá-lo, pode-se fazer um corte através da linha respectivamente examinada, resultando na formação de duas subárvores. Isso é ilustrado na Figura 11.

[00107] As subárvores produzidas pela seção têm trajetos claramente definidos para a localização de falha de onda progressiva de acordo com o procedimento descrito acima. Para localizar falhas, os tempos capturados nos nós externos de ambas as árvores são combinados entre si e um fator de correção de trajeto é adicionalmente introduzido. O fator de correção do trajeto depende da distância percorrida pela onda progressiva. Esta distância pode ser lida a partir da estrutura em árvore. No presente exemplo, o processo de localização é realizado na linha 7 (consulte a seção na Figura 11) com a seguinte equação:

[00108] A localização da falha pode ser calculada a partir de todos os nós medidos de ambas as subárvores que são combinadas entre si. O número de equações resulta automaticamente do número de nós monitorados. No presente exemplo, 6 equações {K4, K5} x {K1, K2, K3} podem ser criadas. Visto que este é um sistema de equações sobredeterminado com uma incógnita, a solução é provida por meio de uma equação trivial:

[00109] Este sistema de equações apresenta soluções com base nas combinações dos tempos das ondas progressivas capturadas entre os nós K1 e K5 e K1 e K4. Para completar o resultado, as combinações adicionais entre os nós também podem ser avaliadas.

[00110] Visto que, em um sistema em malha, a linha na qual a falha ocorreu é inicialmente desconhecida, as seções de acordo com a Figura 11 devem ser executadas em cada uma das linhas. A árvore apropriada deve ser selecionada respectivamente para este propósito. No caso de uma linha que não está com falha, resultados implausíveis são providos.

[00111] Além de simplesmente localizar falhas, o método também pode ser usado para auxiliar as funções de proteção devido à sua alta velocidade e precisão. Por exemplo, depois que a linha com falha foi detectada, uma verificação pode ser realizada para determinar se esta linha é uma linha aérea ou um cabo subterrâneo. Para este propósito, um banco de dados de configuração, por exemplo, pode ser buscado para um tipo de linha com falha. O resultado da verificação pode então ser usado para controlar uma função de reinício automático. Visto que a maioria das falhas que ocorreram nas redes de fonte de alimentação são eliminadas de forma independente e específica novamente, é possível reiniciar uma chave aberta para fins de desconexão da corrente de falha após um curto período de tempo. Isso é realizado de maneira automatizada por uma função de reinício automático, mas geralmente pode ser usado apenas para linhas aéreas. Em contraste, as falhas que ocorreram em cabos subterrâneos são frequentemente de natureza permanente, pelo que não é possível reiniciar aqui. O resultado da verificação descrita acima pode, portanto, ser usado para bloquear (cabo subterrâneo) ou habilitar (linha aérea) o reinício.

[00112] As Figuras 12 e 13 finalmente mostram diferentes arquiteturas de um sistema para determinar uma localização de falha em uma rede de fonte de alimentação ramificada e possivelmente em malha.

[00113] Na Figura 12, os dispositivos de medição 30 estão conectados uns aos outros através de uma rede de comunicação 33 (cf. também Figura 3) e transmitem informações relacionadas aos tempos em que as ondas progressivas chegam ou os sinais de corrente e/ou tensão medidos para uma falha dispositivo de localização 30a para avaliação adicional. O dispositivo de localização de falha 30a compreende um dispositivo de medição 30 e um dispositivo de avaliação que é usado para realizar o método de localização de falha descrito acima. Alternativamente, mais de um dispositivo de localização de falha 30a também pode ser provido.

[00114] Em contraste, na Figura 13, um dispositivo de processamento de dados central 130 é provido, para o qual os tempos em que as ondas progressivas chegam ou os sinais de corrente e/ou tensão medidos são transmitidos pelos dispositivos de medição para avaliação adicional através da rede de comunicação 33. As falhas são, então, localizadas no dispositivo de processamento de dados central 130. O dispositivo central de processamento de dados também pode ser uma plataforma em nuvem, como a Siemens Mindsphere ©.

[00115] Um método que pode ser usado para localizar falhas mesmo em redes de fonte de alimentação ramificadas e possivelmente em malha foi descrito acima. Para este propósito, elementos da teoria dos gráficos foram ligados de forma inventiva ao princípio de localização de falhas por ondas progressivas. Isso dispensa o monitoramento de todos os nós da rede elétrica por meio de metrologia, possibilitando economia de esforço e custos.

[00116] Embora a invenção tenha sido descrita e ilustrada mais especificamente em detalhes acima por meio de modalidades exemplificativas preferidas, a invenção não é restrita pelos exemplos descritos e outras variações podem ser derivadas dos mesmos por aquele versado na técnica sem se afastar do escopo de proteção das seguintes reivindicações de patentes.

Claims (15)

1. Método para identificar a localização de uma falha em uma linha com falha de uma rede de fonte de alimentação elétrica (10) que tem uma pluralidade de linhas (10a-g), uma pluralidade de nós internos (K6-K8), em que cada um conecta pelo menos três linhas (10a-g) entre si, e pelo menos três nós externos (K1-K5), em que cada um dos nós externos (K1-K5) delimita uma linha e são providos com dispositivos de medição (30) que são usados para medir sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência; em que, no método,

   • - depois que uma falha ocorreu na linha com falha, os dispositivos de medição (30) são usados para detectar os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos (K1-K5) com base nos sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência medidos; e
   • - a localização da falha é identificada usando os tempos detectados; caracterizado pelo fato de que
   • - um dos nós externos (K1-K5) é selecionado como o nó de partida para a busca pela localização da falha;
   • - a partir do nó de partida, os trajetos para os outros nós externos (K1-K5) são determinados, os quais compreendem uma pluralidade de linhas (10a-e) e nós internos (K6-K8), e aqueles trajetos nos quais a localização da falha poderia estar localizada, em princípio, são selecionados;
   • - uma linha na qual a localização da falha pode estar localizada, em princípio, é identificada para cada um dos trajetos selecionados usando os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam, e uma localização de falha potencial é determinada para a linha respectivamente identificada.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que

   • - a localização de falha real na rede de fonte de alimentação (10) é determinada por comparação das localizações de falha potencial de pelo menos dois trajetos selecionados.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que

   • - aquele nó externo (K1-K5) no qual uma onda progressiva foi detectada pela primeira vez é selecionado como o nó de partida.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que

   • - a rede de fonte de alimentação (10) é mapeada para pelo menos uma estrutura de árvore a fim de identificar os trajetos.
5. Método de acordo com reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que

   • - uma árvore mínima é identificada por meio do algoritmo de Kruskal durante o mapeamento.
6. Método de acordo com reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que

   • - a árvore mínima e pelo menos uma árvore não mínima adicional são identificadas em uma rede de alimentação (20) que tem pelo menos uma malha (21a, 21b).
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que

   • - a fim de selecionar aqueles trajetos nos quais a localização da falha poderia estar localizada, em princípio, uma diferença de tempo entre os tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos (K1-K5) do respectivo trajeto é determinada; e
   • - aqueles trajetos cuja diferença de tempo é menor que um tempo de propagação total de uma onda progressiva ao longo do respectivo trajeto são selecionados.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que

   • - a linha do trajeto em que a localização da falha pode estar localizada é verificada iterativamente para cada trajeto selecionado com base em uma diferença de tempo virtual, em que os tempos de propagação de uma onda progressiva de um nó (K1-K8) do trajeto selecionado para a iteração para um respectivo nó externo (K1-K5) do trajeto são usados para formar a diferença de tempo virtual.
9. Método de acordo com reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que

   • - para uma linha na qual a localização da falha poderia estar localizada, em princípio, a localização da falha potencial na linha é determinada com base nos tempos em que as ondas progressivas chegaram aos nós externos do trajeto em consideração e os tempos de propagação das ondas que se propagam ao longo das linhas do trajeto em consideração que não são afetadas pela falha.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que

    • - aquela localização que é indicada pela maioria das localizações de falha potencial é selecionada como a localização de falha real.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que

    • - em uma rede de fonte de alimentação que tem pelo menos uma malha, um respectivo trajeto selecionado é dividido em dois trajetos parciais; e
    • - as potenciais localizações de falha são identificadas com base nos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos do respectivo trajeto parcial.
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que

    • - com o conhecimento da localização de falha real, é realizada uma verificação para determinar se a linha com falha é uma linha aérea ou um cabo subterrâneo; e
    • - uma função de reinício automático de um comutador que interrompe uma falha de corrente é habilitada no caso de uma linha aérea, e a função de reinício automático é bloqueada no caso de um cabo subterrâneo.
13. Dispositivo (30a, 130) para identificar a localização de uma falha em uma linha com falha de uma rede de fonte de alimentação elétrica (10) que tem uma pluralidade de linhas (10a-g), uma pluralidade de nós internos (K6-K8), em que cada um conecta pelo menos três linhas entre si e pelo menos três nós externos (K1-K5), em que cada um dos nós externos (K1-K5) delimita uma linha (10a-10g);

    • - em que o dispositivo (30a, 130) tem um dispositivo de avaliação (32) que está configurado para detectar os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos (K1-K5) após uma falha ter ocorrido na linha com falha e para identificar a localização da falha usando os tempos detectados; caracterizado pelo fato de que
    • - o dispositivo de avaliação é configurado para selecionar um dentre os nós externos (K1-K5) como o nó de partida para a busca pela localização da falha e, a partir do nó de partida, para determinar trajetos para os outros nós externos (K1-K5), que compreendem uma pluralidade de linhas (10a-g) e nós internos (K6-K8), e para selecionar aqueles trajetos nos quais a localização da falha poderia estar localizada, em princípio; e
    • - o dispositivo de avaliação é configurado para identificar uma linha (10a-g) na qual a localização da falha pode estar localizada, em princípio, para cada um dos trajetos selecionados usando os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam e para determinar uma localização de falha potencial da linha respectivamente identificada.
14. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que

    • - o dispositivo (30a) tem um dispositivo de medição (30) que é usado para medir os sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência em um dos nós externos (K1-K5).
15. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que

    • - o dispositivo é um dispositivo de processamento de dados separado (130), em particular um dispositivo de processamento de dados em nuvem, e é configurado para receber sinais de corrente e/ou tensão de alta frequência de dispositivos de medição externos (30) e para determinar os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos (K1-K5) ou para receber os respectivos tempos em que as ondas progressivas chegam aos nós externos (K1-K5), conforme determinado por meio dos próprios dispositivos de medição externos (30).

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