BR102021017802A2

BR102021017802A2 - DIFFERENTIAL PROTECTION METHOD FOR ELECTRICAL SYSTEMS IN THE TIME DOMAIN

Info

Publication number: BR102021017802A2
Application number: BR102021017802-7A
Authority: BR
Inventors: Rodrigo Rozenblit Tiferes; Giovanni Manassero Junior
Original assignee: Universidade De São Paulo - Usp
Priority date: 2021-09-08
Filing date: 2021-09-08
Publication date: 2023-03-21

Abstract

A presente invenção compreende um método de proteção diferencial de sistemas elétricos no domínio do tempo baseado em probabilidades de falta em função do tempo para detectar defeitos da forma mais rápida e efetiva possível. O método da presente invenção requer apenas amostras de corrente nas terminações do objeto protegido e não demanda nenhuma capacidade de processamento superior. As probabilidades de falta são calculadas através da aplicação do Teorema de Bayes, que é a base da teoria da Inferência Bayesiana.

The present invention comprises a method of differential protection of electrical systems in the time domain based on fault probabilities as a function of time to detect faults as quickly and effectively as possible. The method of the present invention only requires current samples at the protected object terminations and does not demand any higher processing power. Missing probabilities are calculated by applying Bayes' Theorem, which is the basis of Bayesian Inference theory.

Description

DIFFERENTIAL PROTECTION METHOD FOR ELECTRICAL SYSTEMS IN THE TIME DOMAIN

Field of invention:

[001] A presente invenção se insere no campo da Engenharia de Energia e Automação Elétricas, mais precisamente na proteção de sistemas elétricos de potência.[001] The present invention is part of the field of Electrical Energy and Automation Engineering, more precisely in the protection of electrical power systems.

Fundamentals of the invention:

[002] Sistemas elétricos de potência são conjuntos de instalações e equipamentos elétricos que englobam a geração, a transmissão, a distribuição e a utilização da energia elétrica, e em casos como o do sistema elétrico brasileiro, podem apresentar proporções continentais.[002] Electrical power systems are sets of installations and electrical equipment that encompass the generation, transmission, distribution and use of electrical energy, and in cases such as the Brazilian electrical system, may have continental proportions.

[003] Para que tais sistemas funcionem com qualidade, excelência e confiabilidade e para que o fornecimento de energia aos consumidores seja o mais constante e dentro de padrões de qualidade possível, é necessário que existam sistemas de proteção que comandem ações corretivas em situações de eventuais falhas e perturbações possíveis de ocorrer nos equipamentos do sistema elétrico.[003] For such systems to work with quality, excellence and reliability and for the supply of energy to consumers to be as constant and within quality standards as possible, there must be protection systems that command corrective actions in situations of eventual failures and disturbances that may occur in electrical system equipment.

[004] A proteção é fundamental para evitar problemas como falhas de equipamentos, desligamentos em cascata de grandes porções de um sistema e superação de limites de estabilidade eletromecânica, e deve ser sempre projetada para ser rápida e precisa, de modo a maximizar índices de acerto e garantir máxima confiabilidade, impactando minimamente a operação sistêmica.[004] Protection is essential to avoid problems such as equipment failures, cascading shutdowns of large portions of a system and exceeding limits of electromechanical stability, and must always be designed to be fast and accurate, in order to maximize success rates and ensure maximum reliability, minimally impacting the systemic operation.

[005] Uma das funções de proteção mais empregadas mundialmente é a função diferencial, que é simples e efetiva uma vez que consiste na comparação entre a corrente que entra e a corrente que sai do elemento protegido. Tal função, no início do desenvolvimento das proteções de equipamentos dos sistemas elétricos, era implementada com relés eletromecânicos. Entretanto, os avanços nas tecnologias de sistemas digitais, de redes de comunicação e de computação permitem com que hoje em dia, a função diferencial seja programada de diferentes maneiras em relés digitais, que possibilitam operações mais rápidas e precisas em comparação à tecnologia analógica/eletromecânica, além de integração com outros relés via protocolos de comunicação.[005] One of the most used protection functions worldwide is the differential function, which is simple and effective since it consists of comparing the current that enters and the current that leaves the protected element. Such a function, at the beginning of the development of protection equipment for electrical systems, was implemented with electromechanical relays. However, advances in digital systems, communication networks and computing technologies allow today, the differential function to be programmed in different ways in digital relays, which enable faster and more accurate operations compared to analog / electromechanical technology. , in addition to integration with other relays via communication protocols.

[006] A proteção diferencial sempre foi utilizada para proteger essencialmente equipamentos de subestação tais como transformadores e barramentos, por exemplo. Linhas de transmissão, sobretudo as com distância elevada, sempre foram tipicamente protegidas por funções de proteção como a de distância e as de sobrecorrente. Entretanto, os mencionados avanços nas tecnologias de comunicação, computação e sistemas de processamento digital de sinais possibilitam que a proteção diferencial possa, atualmente, ser aplicada também a grandes linhas de transmissão, o que é vantajoso pois a proteção diferencial tipicamente é imune a problemas tais como saturações de transformadores de corrente, influências de correntes capacitivas e balanços de potência, que podem comprometer o desempenho das demais funções de proteção citadas.[006] Differential protection has always been used to essentially protect substation equipment such as transformers and busbars, for example. Transmission lines, especially those with long distances, have typically always been protected by protection functions such as distance and overcurrent. However, the aforementioned advances in communication technologies, computing and digital signal processing systems allow differential protection to be currently also applied to large transmission lines, which is advantageous since differential protection is typically immune to problems such as such as saturation of current transformers, influences of capacitive currents and power balances, which can compromise the performance of the other mentioned protection functions.

[007] No caso das linhas de transmissão de energia elétrica, os terminais são tipicamente sincronizados por um sistema de GPS e a troca de informações pode ocorrer por cabeamentos de fibra ótica ou até mesmo por um sistema de ondas portadoras em linhas de alta tensão (OPLAT/Carrier), e no caso de equipamentos de subestações, as informações entre as terminações do equipamento protegido podem ser trocadas por protocolos tais como Ethernet, por exemplo.[007] In the case of electric power transmission lines, the terminals are typically synchronized by a GPS system and the exchange of information can occur through fiber optic cabling or even through a carrier wave system in high voltage lines ( OPLAT/Carrier), and in the case of substation equipment, information between the protected equipment terminations can be exchanged by protocols such as Ethernet, for example.

[008] Os métodos convencionais de proteção diferencial em relés digitais, além de vários dos métodos que propõem abordagens encontrados na literatura, tipicamente trabalham com fasores de corrente e tensão, que são determinados a partir dos valores amostrados provenientes da instrumentação da proteção através de Transformadas de Fourier. Estes métodos, por trabalharem com grandezas fasoriais, operam no domínio da frequência e podem apresentar atrasos na detecção dos defeitos, uma vez que as análises de Fourier geralmente necessitam de um número de amostras correspondentes a um ciclo de período fundamental e são afetadas por componentes aperiódicas e ruídos nos sinais medidos. Além disso, métodos que trabalham no domínio da frequência dependem diretamente da frequência da rede elétrica, que varia em função da carga e da geração do sistema e apresenta valores diferentes em cada país.[008] Conventional methods of differential protection in digital relays, in addition to several of the methods that propose approaches found in the literature, typically work with current and voltage phasors, which are determined from the sampled values from the protection instrumentation through Transforms of Fourier. These methods, by working with phasor quantities, operate in the frequency domain and may present delays in the detection of defects, since Fourier analyzes generally require a number of samples corresponding to a cycle of fundamental period and are affected by aperiodic components and noise in the measured signals. In addition, methods that work in the frequency domain directly depend on the frequency of the electrical network, which varies depending on the load and generation of the system and presents different values in each country.

[009] Assim, tendo em vista as desvantagens citadas, os pesquisadores estão constantemente buscando novas abordagens que não trabalham no domínio da frequência. Podem-se encontrar, na literatura mais atual, algoritmos que trabalham com ondas viajantes e modos de propagação de tensão e corrente em linhas de transmissão, algoritmos que trabalham com redes neurais, algoritmos que trabalham com sistemas de lógica difusa, entre outros. Por mais que sejam métodos que obtiveram resultados significativos, a principal desvantagem desses algoritmos reside no fato de que eles demandam hardwares com grande poder de processamento e, eventualmente, customizações que fazem com que, nem sempre, seja possível encontrar os equipamentos requeridos no mercado a preço competitivo.[009] Thus, in view of the aforementioned disadvantages, researchers are constantly looking for new approaches that do not work in the frequency domain. One can find, in the most current literature, algorithms that work with traveling waves and voltage and current propagation modes in transmission lines, algorithms that work with neural networks, algorithms that work with fuzzy logic systems, among others. As much as they are methods that obtained significant results, the main disadvantage of these algorithms lies in the fact that they demand hardware with great processing power and, eventually, customizations that make it not always possible to find the required equipment in the market Competitive price.

[010] Também podem ser encontrados, sobretudo em pesquisas mais recentes, métodos de proteção diferencial que trabalham no domínio do tempo, que obtêm resultados mais rápidos do que outros algoritmos e são imunes aos problemas que podem levar a erros de proteção. Dentre os algoritmos que trabalham no domínio do tempo, pode-se destacar o que integra as amostras de tensão e corrente no tempo para considerar os fluxos de potência ativa e reativa que entram na zona de proteção, que obteve excelentes resultados para todos os tipos de faltas em linhas de transmissão, considerando as mais diversas condições. Entretanto, esse método requer tanto amostras de tensão quanto amostras de corrente, e logo requer que os relés tenham memória considerável e que o canal de comunicação possua duas vezes mais banda do que os canais comuns (que transmitem apenas amostras de corrente), o que pode aumentar os atrasos na comunicação e o custo da infraestrutura de proteção.[010] It can also be found, especially in more recent research, differential protection methods that work in the time domain, which obtain results faster than other algorithms and are immune to the problems that can lead to protection errors. Among the algorithms that work in the time domain, one can highlight the one that integrates the voltage and current samples in time to consider the active and reactive power flows that enter the protection zone, which obtained excellent results for all types of faults in transmission lines, considering the most diverse conditions. However, this method requires both voltage samples and current samples, and therefore requires that the relays have considerable memory and that the communication channel has twice as much bandwidth as ordinary channels (which transmit only current samples), which can increase communication delays and the cost of the protection infrastructure.

[011] O método proposto pela presente invenção, diferentemente dos citados, necessita apenas de amostras de corrente e não requer nenhum aprimoramento no hardware já existente. Ele trabalha no domínio do tempo calculando probabilidades de falta através da teoria da Inferência Bayesiana, o que é algo inédito para métodos de proteção de sistemas elétricos de potência. O método inventado é baseado nos valores de probabilidade de falta e é capaz de obter tempos de detecção de defeitos substancialmente rápidos, tanto em condições ideais como em situações que podem comprometer a performance da proteção.[011] The method proposed by the present invention, unlike those cited, requires only current samples and does not require any improvement in existing hardware. It works in the time domain, calculating fault probabilities through the theory of Bayesian Inference, which is something new for methods of protection of electric power systems. The invented method is based on fault probability values and is able to obtain substantially fast fault detection times, both in ideal conditions and in situations that may compromise the protection performance.

State of the art:

[012] O documento CN107656176, Fault diagnosis method for power grid based on improved Bayesian Petri net, apresenta um método de localização de faltas em um sistema elétrico que, com base nos dados provenientes dos relés de proteção e disjuntores e nos sinais de alarme, utiliza uma Rede Bayesiana para determinar a localização dos equipamentos defeituosos com precisão e identificar sinais de alarme falsos.[012] Document CN107656176, Fault diagnosis method for power grid based on improved Bayesian Petri net, presents a fault location method in an electrical system that, based on data from protection relays and circuit breakers and alarm signals, uses a Bayesian Network to pinpoint the location of faulty equipment and identify false alarm signals.

[013] Entretanto, diferentemente da presente invenção, não é um método de proteção de equipamentos contra curtoscircuitos, mas sim um método de identificação de equipamentos defeituosos. É baseado em uma Rede Bayesiana, que é diferente da Inferência Bayesiana na medida em que a Rede demanda dados históricos e gera dados de previsão sintéticos, enquanto a Inferência utilizada na presente invenção consiste apenas na aplicação do Teorema de Bayes aos dados coletados em tempo real para o cálculo das probabilidades de ocorrência de falta no interior do equipamento protegido.[013] However, unlike the present invention, it is not a method of protecting equipment against short circuits, but a method of identifying faulty equipment. It is based on a Bayesian Network, which is different from Bayesian Inference insofar as the Network demands historical data and generates synthetic forecast data, while the Inference used in the present invention consists only of applying the Bayes Theorem to data collected in real time for calculating the probabilities of occurrence of a fault inside the protected equipment.

[014] O documento CN108983040, Bayesian analysis based fault locating method of power distribution network, descreve um método para localização de faltas em uma rede de distribuição com base na análise Bayesiana que obtém a informação de sobrecorrente e a informação da taxa de mudança de corrente carregada pelo terminal alimentador e a partir desses dados provenientes do sistema elétrico e de dados históricos, o método localiza a área do sistema mais provável de possuir a falta.[014] Document CN108983040, Bayesian analysis based fault locating method of power distribution network, describes a method for locating faults in a distribution network based on Bayesian analysis that obtains overcurrent information and current rate of change information loaded by the feeder terminal and based on these data from the electrical system and historical data, the method locates the area of the system most likely to have the fault.

[015] Todavia, diferentemente da presente invenção, assim como o método apresentado também no Documento CN107656176, o método apresentado em CN108983040 não é um método de proteção de equipamentos contra curtos-circuitos, mas sim um método de localização de faltas, que é complementar à proteção dos equipamentos, mas que não a substitui. A aplicação do método apresentado em CN108983040 se dá apenas em redes de distribuição, enquanto o método da presente invenção pode ser aplicado em linhas e equipamentos tanto do sistema de distribuição quanto do sistema de transmissão de energia. O método contido em CN108983040 necessita de um grande volume de dados históricos e necessita conhecer em detalhes a topologia da rede de distribuição de aplicação, enquanto o método da presente invenção só precisa dos dados de corrente terminais que são coletados durante a execução do algoritmo em tempo real.[015] However, unlike the present invention, as well as the method also presented in Document CN107656176, the method presented in CN108983040 is not a method of protecting equipment against short circuits, but a fault location method, which is complementary equipment protection, but does not replace it. The application of the method presented in CN108983040 occurs only in distribution networks, while the method of the present invention can be applied in lines and equipment in both the distribution system and the power transmission system. The method contained in CN108983040 needs a large volume of historical data and needs to know in detail the topology of the application distribution network, while the method of the present invention only needs the terminal current data that are collected during the execution of the algorithm in time real.

[016] O documento CN109324268, Power distribution network early fault detection method and device based on bayesian reasoning, apresenta um método de detecção de faltas no estágio inicial em equipamentos de redes de distribuição de energia elétrica que utiliza a Inferência Bayesiana.[016] The document CN109324268, Power distribution network early fault detection method and device based on bayesian reasoning, presents a method for detecting faults in the early stage in electrical energy distribution network equipment that uses Bayesian Inference.

[017] Contudo, diferentemente da presente invenção, o documento CN109324268 tem por objetivo a detecção de faltas no estágio inicial, que são fenômenos transitórios e de curta duração causados sobretudo pelo envelhecimento dos equipamentos e por condições ambientais severas. A detecção de faltas no estágio inicial é importante para identificar os equipamentos mais suscetíveis a má operação, mas é diferente da proteção de equipamentos contra curtoscircuitos, que diferentemente das faltas no estágio inicial, não são transitórias, apresentam correntes elétricas muitas vezes de ordens de dezenas de quilo-ampères e podem provocar danos em todo o fornecimento de eletricidade de um dado sistema, caso não sejam extintas rápida e precisamente.[017] However, unlike the present invention, document CN109324268 aims to detect faults in the initial stage, which are transient and short-term phenomena caused mainly by aging equipment and severe environmental conditions. The detection of faults in the initial stage is important to identify the equipment most susceptible to bad operation, but it is different from the protection of equipment against short circuits, which, unlike the faults in the initial stage, are not transitory, presenting electrical currents often of orders of tens kilo-amperes and can damage the entire electricity supply of a given system if not extinguished quickly and accurately.

[018] O método do documento CN109324268 tem aplicação apenas em redes de distribuição, enquanto o método da presente invenção pode ser aplicado no sistema de distribuição e no de transmissão de energia. O método do documento CN109324268 necessita de um grande volume de dados envolvendo as formas de onda de tensão e corrente e requer conhecimento prévio da rede elétrica de distribuição na qual o método é aplicado, enquanto o método da presente invenção somente demanda os valores de corrente no equipamento protegido. O método do documento CN109324268 precisa de um sistema físico específico para a aplicação do método, enquanto a presente invenção desenvolvida pode ser aplicada em equipamentos reais existentes no mercado.[018] The method of document CN109324268 has application only in distribution networks, while the method of the present invention can be applied in the distribution system and in the power transmission. The method of document CN109324268 needs a large volume of data involving voltage and current waveforms and requires prior knowledge of the electrical distribution network in which the method is applied, while the method of the present invention only demands the current values in the protected equipment. The method of document CN109324268 needs a specific physical system for the application of the method, while the present invention developed can be applied in real equipment existing in the market.

[019] O documento CN110108981, Fault diagnosis method and system for lines in active power distribution network, descreve um método de localização de faltas em redes de distribuição ativas (com geração distribuída, várias malhas) que faz uso de uma Rede Bayesiana que calcula, a partir dos sinais de tensão e corrente em cada ponto do sistema, a probabilidade de haver uma falta em cada ponto monitorado.[019] Document CN110108981, Fault diagnosis method and system for lines in active power distribution network, describes a fault location method in active distribution networks (with distributed generation, multiple meshes) that makes use of a Bayesian Network that calculates, from the voltage and current signals at each point in the system, the probability of having a fault at each monitored point.

[020] Entretanto, diferentemente da presente invenção, assim como nos documentos CN107656176 e CN108983040, o método descrito em CN110108981 é um método é de localização de faltas e não de proteção de equipamentos, tem aplicação apenas em redes de distribuição e necessita de dados de corrente e tensão (método de proteção em tela só requer dados de corrente) e conhecer todos os pontos do sistema elétrico de interesse. O método proposto pela presente invenção pode ser aplicado no sistema de distribuição e no de transmissão de energia.[020] However, unlike the present invention, as well as in documents CN107656176 and CN108983040, the method described in CN110108981 is a fault location method and not equipment protection, it has application only in distribution networks and requires data from current and voltage (on-screen protection method only requires current data) and know all points of interest in the electrical system. The method proposed by the present invention can be applied in the distribution system and in the energy transmission system.

Brief description of the invention:

[021] A presente invenção compreende um método de proteção diferencial de sistemas elétricos no domínio do tempo baseado em probabilidades de falta em função do tempo para detectar defeitos da forma mais rápida e efetiva possível. O método da presente invenção requer apenas amostras de corrente nas terminações do objeto protegido e não demanda nenhuma capacidade de processamento superior à existente no mercado. As probabilidades de falta são calculadas através da aplicação do Teorema de Bayes, que é a base da teoria da Inferência Bayesiana.[021] The present invention comprises a method of differential protection of electrical systems in the time domain based on fault probabilities as a function of time to detect defects as quickly and effectively as possible. The method of the present invention only requires current samples at the ends of the protected object and does not demand any processing capacity superior to that existing in the market. Missing probabilities are calculated by applying Bayes' Theorem, which is the basis of Bayesian Inference theory.

Brief description of the figures:

[022] Para obter uma total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.[022] To obtain a full and complete view of the object of this invention, the figures to which references are made are presented, as follows.

[023] A figura 1 mostra uma ilustração esquemática de um objeto protegido (OP) genérico com os demais elementos necessários para a aplicação do método de proteção diferencial de sistemas elétricos no domínio do tempo.[023] Figure 1 shows a schematic illustration of a generic protected object (OP) with the other elements necessary for the application of the differential protection method of electrical systems in the time domain.

[024] A figura 2 ilustra as etapas do método de proteção diferencial de sistemas elétricos no domínio do tempo.[024] Figure 2 illustrates the steps of the method of differential protection of electrical systems in the time domain.

Detailed description of the invention:

[025] A presente invenção compreende um método de proteção diferencial de sistemas elétricos no domínio do tempo baseado em probabilidades de falta em função do tempo para detectar defeitos da forma mais rápida e efetiva possível.[025] The present invention comprises a method of differential protection of electrical systems in the time domain based on fault probabilities as a function of time to detect defects as quickly and effectively as possible.

[026] Conforme observado na figura 1, o método da presente invenção protege um determinado Objeto Protegido (OP) – podendo ser uma linha de transmissão, um transformador, um barramento, um reator, um gerador etc. – onde há uma corrente de entrada ( ( )) e uma corrente de saída ( ( )) do OP.[026] As seen in Figure 1, the method of the present invention protects a certain Protected Object (OP) – which may be a transmission line, a transformer, a busbar, a reactor, a generator, etc. – where there is an input current ( ( )) and an output current ( ( )) of the OP.

[027] Em ambas as terminações do OP, existem relés digitais de proteção (IED - Intelligent Electronic Device) e os sinais de corrente são medidos pelos IEDs através de transformadores de corrente (TCs). Cada IED se comunica com o respectivo disjuntor (DJ) do terminal do OP para enviar sinais de trip (abertura de disjuntor). Os IEDs se comunicam entre si através de um canal de comunicação (CC) e estão sincronizados através de um método de ping-pong, trocando os valores coletados de corrente de entrada ( ( )) e uma corrente de saída ( ( )) nas duas terminações do OP.[027] In both OP terminations, there are digital protection relays (IED - Intelligent Electronic Device) and the current signals are measured by the IEDs through current transformers (CTs). Each IED communicates with the respective circuit breaker (DJ) of the OP terminal to send trip signals (breaker opening). The IEDs communicate with each other through a communication channel (DC) and are synchronized through a ping-pong method, exchanging the collected values of an input current ( ( )) and an output current ( ( )) in the two OP endings.

[028] O método de proteção diferencial de sistemas elétricos no domínio do tempo da presente invenção compreende as seguintes etapas:

- etapa 1: Ajuste de Parâmetros;
- etapa 2: Atualização dos vetores de amostra das correntes de entrada e saída ( e );
- etapa 3: Cálculo dos vetores de corrente de operação e restrição ( e );
- etapa 4: Cálculo do vetor Psi (Ψ);
- etapa 5: Cálculo da probabilidade a priori de curto-circuito;
- etapa 6: Cálculo da variável fi ( );
- etapa 7: Cálculo da probabilidade a posteriori de falta;
- etapa 8: Verificação de curto-circuito no Objeto Protegido (OP).

[028] The method of differential protection of electrical systems in the time domain of the present invention comprises the following steps:

- step 1: Parameter Adjustment;
- step 2: Update of the input and output current sample vectors ( and );
- step 3: Calculation of the operating and restraint current vectors ( and );
- step 4: Calculation of the Psi vector (Ψ);
- step 5: Calculation of the a priori probability of short circuit;
- step 6: Calculation of the variable fi ( );
- step 7: Calculation of the a posteriori probability of failure;
- step 8: Check for short circuit in the Protected Object (OP).

[029] Na etapa 1 são definidos os parâmetros de slope da proteção diferencial ( ), probabilidade de se obter um valor ( ) = 1 durante curto-circuito interno no OP ( 1), probabilidade de se obter um valor ( ) = 1 durante operação normal do OP ( 2), fator de importância ( ) e valor mínimo de probabilidade de falta (þ).[029] In step 1, the differential protection slope parameters are defined ( ), probability of obtaining a value ( ) = 1 during an internal short circuit in the OP ( 1), probability of obtaining a value ( ) = 1 during normal OP operation ( 2), importance factor ( ) and minimum fault probability value (þ).

[030] Os algoritmos convencionais de proteção diferencial se baseiam na comparação entre os fasores de corrente de operação e de restrição , calculados respectivamente através da diferença entre os fasores de corrente de entrada e de saída do OP e através da média aritmética destes fasores (os fasores de corrente de entrada e saída mencionados são calculados via Transformada de Fourier). Se for maior do que um múltiplo pré-determinado de , a proteção considera que há uma falta interna ao OP. Este múltiplo pré-determinado é o slope ( ) da proteção diferencial, que tipicamente é ajustado de maneira percentual (valores típicos são 30%, 50% e 70%), através dos estudos de proteção realizados anteriormente à implementação do algoritmo. É evidente que quanto maior o slope, menor a chance de que o algoritmo de proteção produza falhas de segurança (atuações indevidas), porém o tempo de detecção dos defeitos será maior. Assim, o ideal é realizar simulações e diversos ajustes para encontrar um valor ótimo de slope, que faça com que a rapidez e a confiabilidade da proteção seja a maior possível. O método proposto na invenção, ao contrário dos convencionais baseados em fasores, realiza as comparações entre as amostras de corrente de operação e restrição, que são calculadas através das equações (1)-(6), ilustradas mais adiante. O algoritmo verifica se a amostra de corrente de operação é maior do que o slope multiplicado pela amostra de corrente de restrição, ao invés de comparar os fasores. Entretanto, o mesmo valor de slope definido para os algoritmos convencionais pode ser utilizado para a implementação do método apresentado na presente invenção.[030] Conventional differential protection algorithms are based on the comparison between the operating and restraint current phasors, respectively calculated through the difference between the input and output current phasors of the OP and through the arithmetic mean of these phasors (the Mentioned input and output current phasors are calculated via Fourier Transform). If it is greater than a predetermined multiple of , the protection considers that there is an internal OP fault. This predetermined multiple is the slope ( ) of the differential protection, which is typically adjusted in a percentage way (typical values are 30%, 50% and 70%), through protection studies carried out prior to the implementation of the algorithm. It is evident that the higher the slope, the lower the chance that the protection algorithm will produce security failures (inappropriate actions), but the fault detection time will be longer. Thus, the ideal is to carry out simulations and various adjustments to find an optimal slope value, which makes the protection speed and reliability as high as possible. The method proposed in the invention, contrary to the conventional ones based on phasors, performs comparisons between the operating and restraint current samples, which are calculated through equations (1)-(6), illustrated further on. The algorithm checks if the operating current sample is greater than the slope multiplied by the restraint current sample, instead of comparing the phasors. However, the same slope value defined for conventional algorithms can be used to implement the method presented in the present invention.

[031] No algoritmo proposto, cada comparação envolvendo as amostras de corrente de operação e de restrição são representadas por um valor lógico ψ(k), que recebe o nome de valor lógico de comparação de correntes. Um dado valor ψ(k) será verdadeiro (igual a 1) caso a amostra de corrente de operação no instante k seja maior do que o slope multiplicado pela amostra de corrente de restrição no instante k e falso (igual a 0) caso contrário (equação (8)). O conjunto de n valores ψ(k), com k variando de 1 a n (n é o número de valores de amostras considerado em cada janela de observação dos sinais de corrente), e é definido previamente à implementação do algoritmo (por exemplo, n pode ser igual ao número de amostras contido em um ciclo da componente de frequência fundamental), formam o vetor Psi (Ψ), que recebe o nome de vetor de comparação de correntes (equação (7)). A partir dos valores lógicos ψ(k), pode-se definir os parâmetros 1 e 2.[031] In the proposed algorithm, each comparison involving the operating and restraint current samples is represented by a logical value ψ(k), which is called current comparison logical value. A given value ψ(k) will be true (equal to 1) if the operating current sample at instant k is greater than the slope multiplied by the restraint current sample at instant k and false (equal to 0) otherwise (equation (8)). The set of n values ψ(k), with k ranging from 1 to n (n is the number of sample values considered in each observation window of current signals), and is defined prior to the implementation of the algorithm (for example, n may be equal to the number of samples contained in a cycle of the fundamental frequency component), form the Psi vector (Ψ), which is called the current comparison vector (equation (7)). From the logical values ψ(k), parameters 1 and 2 can be defined.

[032] O parâmetro 1 é a probabilidade de se obter um valor ψ(k)= 1 (valor lógico de comparação que é verdadeiro se a amostra de corrente de operação é maior do que o slope multiplicado pela corrente de restrição e falso caso contrário) durante uma situação em que sabe-se que está ocorrendo uma falta interna ao OP, isto é, quando uma falta ocorrer, o valor 1 é a probabilidade de que um dado valor ψ(k) seja verdadeiro. Esse valor é o mesmo para todos os valores lógicos de comparação de correntes, e deve ser ajustado previamente à execução do método como sendo um valor entre (0.50 e 0.99). Este valor não pode ser exatamente igual a 1, pois os testes realizados apontam que nem todos os valores ψ(k) são verdadeiros em uma situação de falta interna, embora a maioria de valores lógicos o são. Assim como no caso do slope, o valor ideal de 1 deve ser obtido a partir dos estudos e simulações da performance da proteção, de modo a maximizar a velocidade de detecção dos curtoscircuitos internos e a confiabilidade do sistema de proteção.[032] Parameter 1 is the probability of obtaining a value ψ(k)= 1 (comparison logic value that is true if the operating current sample is greater than the slope multiplied by the restraint current and false otherwise ) during a situation where it is known that an internal OP fault is occurring, that is, when a fault occurs, the value 1 is the probability that a given value ψ(k) is true. This value is the same for all current comparison logic values, and must be adjusted prior to executing the method as being a value between (0.50 and 0.99). This value cannot be exactly equal to 1, as the tests carried out indicate that not all ψ(k) values are true in an internal fault situation, although most logical values are. As in the case of slope, the ideal value of 1 must be obtained from studies and simulations of protection performance, in order to maximize the speed of detection of internal short circuits and the reliability of the protection system.

[033] O parâmetro 2, por sua vez, é a probabilidade de se obter ψ(k)= 1 durante uma situação em que o OP esteja em operação normal, isto é, é a probabilidade de um dado ψ(k) ser igual a 1 (verdadeiro) quando o OP estiver operando normalmente. Este valor, assim como 1, é igual para todos os valores lógicos de comparação de correntes e deve ser definido como um valor entre (0.01 e 0.50) antes da execução do método. O parâmetro 2 não pode ser exatamente nulo pois os testes e simulações realizados indicam que é possível ter valores ψ(k) verdadeiros em operação sem falta, embora isso seja improvável, e seu ajuste ideal deve ser realizado a partir das simulações anteriores à implementação do algoritmo apresentado na invenção, tal como os demais parâmetros.[033] Parameter 2, in turn, is the probability of obtaining ψ(k)= 1 during a situation where the OP is in normal operation, that is, it is the probability that a given ψ(k) is equal to 1 (true) when the OP is operating normally. This value, like 1, is the same for all current comparison logic values and must be set to a value between (0.01 and 0.50) before executing the method. Parameter 2 cannot be exactly zero since the tests and simulations carried out indicate that it is possible to have true ψ(k) values in operation without fail, although this is unlikely, and its ideal adjustment must be carried out from the simulations prior to the implementation of the algorithm presented in the invention, as well as the other parameters.

[034] O parâmetro beta ( ) recebe o nome de fator de importância das amostras ao longo do tempo. Conforme mencionado anteriormente, o vetor de comparação de correntes Psi (Ψ) possui n valores lógicos ψ(k). O valor ψ(n) é o mais recente do conjunto, enquanto o valor ψ(1) é o mais antigo. Como o método apresentado trabalha no domínio do tempo, as informações contidas nos valores lógicos de comparação de correntes ψ(k) mais recentes são consideradas mais importantes do que as mais antigas. Assim, representa o quanto o valor lógico ψ(k) é mais importante do que o valor lógico ψ(k-1) para o cálculo da probabilidade a posteriori de falta, que é a base para a tomada de decisão do algoritmo de comandar ou não uma atuação da proteção e cuja formulação matemática encontra-se mais adiante. O ajuste ideal de para uma dada aplicação também deve ser oriundo de simulações de performance da proteção. Quanto maior seu valor, mais rápidos serão os tempos de atuação, entretanto, as margens para atuações indevidas também aumentam. Tipicamente, podese utilizar um valor entre 1 e 4 para o ajuste de .[034] The beta parameter ( ) is called the importance factor of the samples over time. As previously mentioned, the Psi current comparison vector (Ψ) has n logical values ψ(k). The ψ(n) value is the most recent in the set, while the ψ(1) value is the oldest. As the presented method works in the time domain, the information contained in the most recent logical values of comparison of currents ψ(k) are considered more important than the oldest ones. Thus, it represents how much the logical value ψ(k) is more important than the logical value ψ(k-1) for the calculation of the a posteriori probability of fault, which is the basis for the decision making of the algorithm to command or not a performance of the protection and whose mathematical formulation is found later. The ideal setting of for a given application must also come from simulations of protection performance. The higher its value, the faster the action times will be, however, the margins for improper actions also increase. Typically, a value between 1 and 4 can be used for the adjustment.

[035] O valor mínimo de probabilidade de falta (þ) é aquele para o qual o método considera que há uma falta interna, isto é, se o valor de probabilidade a posteriori de falta for maior do que þ, a proteção considera que uma falta está ocorrendo no interior do OP. Evidentemente, valores baixos de þ (por exemplo 5%) levarão a tempos de atuação da proteção mais rápidos, porém irão aumentar as chances de atuações indevidas, enquanto valores mais elevados (por exemplo 70%) irão retardar os tempos de atuação mas irão manter a confiabilidade do método.[035] The minimum fault probability value (þ) is the one for which the method considers that there is an internal fault, that is, if the posterior fault probability value is greater than þ, the protection considers that an fault is occurring inside the OP. Evidently, low values of þ (for example 5%) will lead to faster protection actuation times, but will increase the chances of undue actuations, while higher values (for example 70%) will delay the actuation times but will maintain the reliability of the method.

[036] Cabe destacar que nenhum conjunto de ajustes de uma função e/ou algoritmo de proteção de sistemas elétricos é universal, de maneira que cada tipo de proteção deve ser ajustado conforme a aplicação, levando em consideração aspectos críticos tais como a velocidade de detecção de faltas e a confiabilidade da proteção. Assim, todos os parâmetros apresentados devem ser definidos na fase de estudos de proteção, anteriores à implementação, de modo a configurar um sistema de proteção rápido, efetivo e confiável.[036] It should be noted that no set of settings for a function and/or algorithm for the protection of electrical systems is universal, so that each type of protection must be adjusted according to the application, taking into account critical aspects such as detection speed of faults and the reliability of the protection. Thus, all parameters presented must be defined in the protection studies phase, prior to implementation, in order to configure a fast, effective and reliable protection system.

[037] Na etapa 2, um número pré-determinado de valores de correntes de entrada ( ( )) e saída ( ( )) do Objeto Protegido (OP) são armazenados por pelo menos um dos relés digitais de proteção (IEDs) formando os vetores de amostra das correntes de entrada e saída ( e ):

[037] In step 2, a predetermined number of input ( ( )) and output ( ( )) current values of the Protected Object (OP) are stored by at least one of the digital protection relays (IEDs) forming the sample vectors of input and output currents ( and ):

[038] A cada nova amostragem, que ocorre a cada determinado período de amostragem ( ), os vetores e são atualizados: os valores recém amostrados vão para as enésimas posições e os valores previamente nas posições 1 são descartados.[038] At each new sampling, which occurs at each certain sampling period ( ), the vectors and are updated: the newly sampled values go to the nth positions and the values previously in positions 1 are discarded.

[039] Na etapa 3 são calculados, a partir dos vetores de amostra das correntes de entrada e saída ( e ), os vetores de corrente de operação e restrição ( e ):

[039] In step 3, the operating and restraint current vectors ( and ) are calculated from the sample vectors of the input and output currents ( and ):

[040] Em que os valores de corrente de operação são dados pelos valores absolutos das diferenças entre os valores de corrente de entrada e de saída do OP e os valores de corrente de restrição são dados pelas médias aritméticas entre os valores absolutos das correntes terminais, de acordo com as equações abaixo:

[040] Where the operating current values are given by the absolute values of the differences between the input and output current values of the OP and the restraint current values are given by the arithmetic means between the absolute values of the terminal currents, according to the equations below:

[041] Na etapa 4 é calculado o vetor psi (Ψ), que é o vetor de comparações ψ(k) entre as correntes de operação ( ) e restrição ( ):

[041] In step 4, the psi vector (Ψ) is calculated, which is the comparison vector ψ(k) between the operating currents ( ) and restraint currents ( ):

[042] Na etapa 5 é calculada a probabilidade a priori de curto-circuito em que consideramos os seguintes eventos possíveis de ocorrer no interior do OP: 1: curto-circuito interno; e 2: operação normal.[042] In step 5, the a priori probability of short circuit is calculated, considering the following possible events to occur inside the OP: 1: internal short circuit; and 2: normal operation.

[043] A probabilidade a priori dos dois eventos se dão na forma de:

[043] The a priori probability of the two events is given in the form of:

[044] A cada atualização do vetor Psi (Ψ) é recalculado levando em conta as posições = {1 … } de cada ( ) e do fator de importância , de acordo com a equação:

[044] At each update of the Psi vector (Ψ) it is recalculated taking into account the positions = {1 … } of each ( ) and the importance factor , according to the equation:

[045] Na etapa 6 é calculado o valor de fi ( ), que é a razão entre a função de verossimilhança do evento de operação normal e a função de verossimilhança do evento de falta, multiplicada pela razão entre a probabilidade a priori de operação normal (1-p) e a probabilidade a priori de falta (p).[045] In step 6, the value of fi ( ) is calculated, which is the ratio between the likelihood function of the normal operation event and the likelihood function of the fault event, multiplied by the ratio between the a priori probability of normal operation (1-p) and the prior probability of missing (p).

[046] Um dado valor ψ(k) tem distribuição de probabilidade Bernoulli em função de 1 quando está ocorrendo uma falta interna ( 1) e em função de 2 quando o OP está operando em circunstâncias normais ( 2), de forma que:

[046] A given value ψ(k) has a Bernoulli probability distribution as a function of 1 when an internal fault is occurring ( 1) and as a function of 2 when the OP is operating under normal circumstances ( 2), so that:

[047] Para calcular a probabilidade de falta a partir dos valores pertencentes a , deve se considerar as funções de verossimilhança de cada evento ( 1 e 2) em função de . A função de verossimilhança (L - Likelihood) de um evento com base em um conjunto de valores equivale ao produto das funções de distribuição de probabilidade de cada valor observado dada a ocorrência do evento. A partir das equações (12) e (13) temos:

[047] To calculate the probability of failure from the values belonging to , one must consider the likelihood functions of each event ( 1 and 2) as a function of . The likelihood function (L - Likelihood) of an event based on a set of values is equivalent to the product of the probability distribution functions of each observed value given the occurrence of the event. From equations (12) and (13) we have:

[048] Com isso, é possível calcular a probabilidade a posteriori de falta, ( 1| ), em função de aplicando o Teorema de Bayes aos valores considerados:

[048] With this, it is possible to calculate the a posteriori probability of failure, ( 1| ), depending on applying Bayes' Theorem to the considered values:

[049] Substituindo (9), (10), (14) e (15) em (16), temos:

[049] Substituting (9), (10), (14) and (15) in (16), we have:

[050] Na etapa 7, após obter o valor de , é calculado a probabilidade a posteriori de falta de acordo com a equação (17):

[050] In step 7, after obtaining the value of , the posterior probability of fault is calculated according to equation (17):

[051] Na etapa 8 é verificado se há um curto-circuito no Objeto Protegido (OP) a partir das probabilidades a posteriori obtidas. Pelos menos um dos relés digitais de proteção (IED) armazena pelo menos /8 valores de ( 1| ) mais recentes – em caso de /8 for um número decimal é considerado o maior valor natural mais próximo.[051] In step 8, it is checked whether there is a short circuit in the Protected Object (OP) from the posterior probabilities obtained. At least one of the digital protection relays (IED) stores at least /8 values of the most recent ( 1| ) – in case /8 is a decimal number, the closest natural value is considered.

[052] A verificação é dada na forma de que se todos os /8 valores de probabilidade de falta forem maiores do que o valor mínimo de probabilidade de falta (þ) (estado de pickup), o método considera que está ocorrendo um curto-circuito no interior do OP. Ao constatar tal curto-circuito os relés digitais de proteção (IED) envia um sinal trip aos disjuntores (DJs) desligando o Objeto Protegido (OP).[052] The check is given in the form that if all /8 fault probability values are greater than the minimum fault probability value (þ) (pickup state), the method considers that a short-circuit is occurring. circuit inside the OP. When detecting such a short circuit, the digital protection relays (IED) send a trip signal to the circuit breakers (DJs) turning off the Protected Object (OP).

[053] Em caso da constatação de operação normal, ou seja, nem todos os /8 valores de probabilidade de falta forem maiores do que o valor mínimo de probabilidade de falta (þ), continua-se o monitoramento o Objeto Protegido (OP) voltando para a etapa 2 do método da presente invenção.[053] If normal operation is found, that is, not all /8 fault probability values are greater than the minimum fault probability value (þ), monitoring of the Protected Object (OP) is continued returning to step 2 of the method of the present invention.

Benefits

[054] Quando comparado às anterioridades, o método inventado é vantajoso pois apresenta tempos de detecção de faltas mais rápidos do que métodos que trabalham no domínio da frequência calculando fasores (não realiza Transformadas de Fourier), pois não requer alto poder de processamento de hardware como métodos que trabalham com modos de propagação, redes neurais ou lógica difusa e pois é um método no domínio do tempo que necessita apenas das amostras de corrente, diferentemente do algoritmo no domínio do tempo que calcula os fluxos de potência ativa e reativa que entram na zona de proteção.[054] When compared to the previous ones, the invented method is advantageous because it presents faster fault detection times than methods that work in the frequency domain by calculating phasors (does not perform Fourier Transforms), since it does not require high hardware processing power as methods that work with propagation modes, neural networks or fuzzy logic and because it is a time domain method that only needs current samples, unlike the time domain algorithm that calculates the active and reactive power flows that enter the protection zone.

[055] O avanço tecnológico trazido por este método reside em obter tempos de detecção rápidos e precisos inclusive nas situações mais críticas para o desempenho de um método de proteção diferencial, que são desalinhamento de amostras terminais no tempo, saturação de TC, sinais de corrente com ruídos e balanços de potência, através da aplicação da Inferência Bayesiana, que consiste na aplicação do Teoremas de Bayes, que por sua vez é o mais fundamental da Teoria de Probabilidade.[055] The technological advance brought by this method lies in obtaining fast and accurate detection times even in the most critical situations for the performance of a differential protection method, which are misalignment of terminal samples in time, CT saturation, current signals with noise and power balances, through the application of Bayesian Inference, which consists of the application of Bayes' Theorems, which in turn is the most fundamental of Probability Theory.

[056] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.[056] Those versed in the art will value the knowledge presented here and will be able to reproduce the invention in the presented modalities and in other variants, covered in the scope of the appended claims.

Claims

Method of differential protection of electrical systems in the time domain characterized by the fact that it comprises the following steps:

Method, according to claim 1, characterized by the fact that step 1 defines the slope parameters of the differential protection ( ), the probability of obtaining a value ( ) = 1 during an internal short circuit in the OP ( 1), the probability of obtaining a value ( ) = 1 during normal OP operation ( 2), the importance factor ( ) and the minimum fault probability value (þ).

Method, according to claim 1, characterized in that step 2 defines the sample vectors of the input and output currents and:

Method, according to claim 1, characterized in that step 3 calculates the operating and restraint current vectors and:

Method, according to claims 1 or 4, characterized by the fact that the operating current values are given by the absolute values of the differences between the input and output current values of the OP:

the restraint current values are given by the arithmetic means between the absolute values of the terminal currents:

Method, according to claim 1, characterized in that step 4 calculates the psi vector (Ψ):

Method, according to claim 1, characterized in that step 5 calculates the a priori probability of a short circuit inside the OP:

where 1 is internal short circuit and 2 is normal operation.

Method, according to claim 1, characterized in that step 6 calculates the value of fi ( ):

Method, according to claim 1, characterized in that step 7 calculates the posterior probability of failure:

Method, according to claim 1, characterized in that step 8 verifies that all /8 values of probability of failure are greater than the minimum value of probability of failure (þ).