BR112018006859B1 - Controlador de proteção de distância de corrente contínua e rede de energia elétrica de corrente contínua - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a uma rede de energia elétrica e a um controlador de proteção de distância de corrente contínua (CC) (10) configurado para identificar uma falta dentro de uma zona de proteção (12) que se estende entre um primeiro terminal (14) com o qual o controlador de proteção (10) está em uso operativamente associado e um ponto de ajuste (16) ao longo de um conduite de transmissão de energia de CC (18) situada entre os primeiro e segundo terminais (14, 20) dentro de uma rede de energia (22), sendo o controlador de proteção (10) programado para: (i) obter periodicamente como respectivos pares amostrados (38) um valor medido de tensão e um valor medido de corrente do conduite de transmissão (18) no primeiro terminal (14); (ii) isolar em relação a cada par amostrado (38), um valor de tensão do componente de falta a partir do valor medido de tensão correspondente e um valor de corrente do componente de falta do valor medido de corrente correspondente para definir um respectivo par isolado correspondente (40); (iii) calcular a partir de cada par isolado (40) dos valores de tensão e corrente do componente de falta, uma tensão de funcionamento do componente de falta do conduite de transmissão (18) no ponto de ajuste (16) ao longo do conduite (18); (iv) comparar (...).
Description
[001] A presente invenção refere-se a um controlador de proteção de distância de corrente contínua (CC) e a uma rede de energia elétrica de CC, incluindo pelo menos um desses controladores.
[002] As redes de energia elétrica de corrente contínua, tais como grades de corrente contínua, incluem tipicamente uma pluralidade de terminais, cada um dos quais pode estar operacionalmente associado a um conversor de energia para interconectar a rede de transmissão de energia de corrente contínua a uma rede de corrente alternada (CA) respectiva.
[003] Os respectivos pares de terminais são interconectados por um conduíte de transmissão de energia de CC, tal como uma linha de transmissão ou cabo. Dispositivos de proteção, tais como disjuntores e relés, podem ser operados por um ou mais controladores de proteção no caso de uma falha, de modo a proteger a rede de energia elétrica de CC.
[004] De acordo com uma primeira realização da invenção, é fornecido um controlador de proteção de distância de CC, para identificar uma falha dentro de uma zona de proteção que se estende entre um primeiro terminal com o qual o controlador de proteção está em uso associado operativamente e um ponto definido ao longo de um conduíte de transmissão de energia de CC situada entre o primeiro terminal e um segundo terminal dentro de uma rede de energia elétrica de CC, sendo o controlador de proteção programado para: (i) obter periodicamente, como respectivos pares amostrados, um valor medido de tensão e um valor medido de corrente do conduíte de transmissão de energia de corrente contínua no primeiro terminal; (ii) isolar em relação a cada par amostrado, um valor de tensão do componente de falha a partir do valor medido de tensão correspondente e um valor de corrente do componente de falha a partir do valor medido de corrente correspondente para definir um par isolado correspondente respectivo; (iii) calcular a partir de cada par isolado de valores de tensão e corrente do componente de falha uma tensão de funcionamento do componente de falha do conduíte de transmissão de energia de CC no ponto de ajuste ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC; (iv) comparar uma determinada tensão de funcionamento calculada do componente de falha com um valor histórico de tensão derivado a partir de um valor histórico de tensão medido de um par amostrado anterior de valores medidos de tensão e corrente; e (v) identificar uma falha na zona de proteção, quando a tensão de funcionamento do componente de falha calculado dado for maior do que o valor histórico de tensão com o qual é comparado.
[005] O fornecimento de um controlador que isola os valores de tensão e corrente do componente de falha a partir dos respectivos valores de tensão e corrente correspondentes medidos oferece uma indicação inicial de que uma falha surgiu e permite uma avaliação subsequente da natureza da falha, isto é, se a falha surgiu dentro da zona de proteção do conduíte de transmissão de energia de CC associada.
[006] Enquanto isso, subsequentemente calcular a partir de cada par isolado de valores de tensão e corrente do componente de falha, uma tensão de funcionamento do componente de falha no ponto definido facilita uma determinação da natureza da falha, isto é, por meio de uma comparação com um valor histórico de tensão medido, de uma maneira que seja confiável e repetitivo.
[007] Além disso, a dependência unicamente nos valores medidos de tensão e de corrente obtidos no primeiro terminal e tensões de funcionamento de componentes de falha calculados com base em tal tensão medida e valores de corrente permite que o controlador de proteção distância de CC da invenção identificar uma falha na zona de proteção, sem a necessidade confiar em medições remotas de uma ou mais outras partes de uma determinada rede elétrica de CC.
[008] Um tal controlador evita, por conseguinte, a necessidade de ligações de comunicação complexas e não confiáveis com as referidas partes remotas da rede de energia elétrica de CC, bem como a necessidade de compensar o atraso de tempo de comunicação associado a tais comunicações remotas.
[009] Além disso, a confiança do controlador em uma comparação de uma determinada tensão de funcionamento calculada do componente de falha com um valor histórico de tensão medido já medido, permite que o controlador forneça uma identificação de uma falha ultrarrápida, isto é, dentro de 1 milissegundo, dentro da zona de proteção, permitindo assim que as medidas de proteção, por exemplo, o funcionamento de um dispositivo de proteção associado, também sejam executadas muito rapidamente, isto é, dentro de 5 milissegundos.
[010] De preferência, o controlador é programado para isolar um valor de tensão do componente de falha e valor de corrente do componente de falha em relação a cada par amostrado de valores medidos de tensão e de corrente aplicando um filtro ao valor medido de tensão e ao valor medido de corrente de cada par amostrado.
[011] Tal etapa remove, com confiança e repetidamente, todos os outros elementos de cada um dos valores medidos de tensão e de corrente, de modo a deixar apenas os valores de tensão e corrente do componente de falha correspondentes requeridos.
[012] Opcionalmente, o controlador é programado para comparar as magnitudes das respectivas tensões de funcionamento do componente de falha calculadas e valores de tensão histórica.
[013] Tal comparação pode ser prontamente realizada por um controlador na forma de, por exemplo, um microcontrolador programável ou semelhante.
[014] Em uma forma de realização preferida da invenção, o controlador é programado para comparar uma determinada tensão de funcionamento calculada do componente de falha com um valor histórico de tensão correspondente derivado de um valor histórico de tensão medido obtido em um período de tempo predeterminado antes do tempo em que o par amostrado, em que a dita tensão de funcionamento do dado componente de falha é baseada, foi obtido.
[015] De preferência, o período de tempo predeterminado é de pelo menos 5 milissegundos.
[016] As características anteriores auxiliam o controlador de proteção em identificar com precisão uma falha dentro da zona de proteção, ajudando a assegurar que o valor histórico de tensão medido com o qual uma determinada tensão de funcionamento calculada do componente de falha é comparada não é afetado por um componente de falha que poderia afetar adversamente o resultado de tal comparação.
[017] Em uma forma de realização preferida da invenção, o ponto de ajuste é espaçado ao longo do conduíte de transmissão de CC a partir do primeiro terminal entre 80% e 95% do comprimento total do referido conduíte de transmissão.
[018] Localizando o ponto de ajuste ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC no modo acima mencionado define uma zona de proteção que fornece proteção para a grande maioria do conduíte de transmissão de energia CC, isto é, até 95% do dito conduíte de transmissão.
[019] O controlador de proteção pode ser programado para calcular uma tensão de funcionamento do componente de falha dada a partir do par isolado correspondente de tensão do componente de falha e os valores de corrente utilizando um dos seguintes modelos do conduíte de transmissão de energia de CC: - um modelo de resistência-indutância; - um modelo linear de parâmetro distribuído; e - um modelo linear de parâmetro distribuído dependente de frequência.
[020] Cada um dos modelos anteriores fornece um grau de precisão desejado, em termos da maneira como se aproxima das características de desempenho do conduíte de transmissão de energia de CC, de acordo com o comprimento total do dito conduíte de transmissão.
[021] Em uma outra forma de realização preferida da invenção, o controlador de proteção é adicionalmente programado para operar um dispositivo de proteção associado após recepção de um sinal de disparo externo.
[022] Tal realização estende vantajosamente a funcionalidade do controlador de proteção da invenção em circunstâncias onde uma comunicação modesta entre, por exemplo, terminais remotos em uma rede de energia elétrica de CC, é possível.
[023] De acordo com uma segunda realização da invenção, é fornecida uma rede de energia elétrica de CC que compreende pelo menos um controlador de proteção de distância de CC de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores.
[024] Tal rede de energia elétrica de CC partilha os benefícios associados com o ou cada controlador de proteção de distância de CC nele incluído.
[025] Segue-se agora uma breve descrição de formas de realização preferidas da invenção, através de exemplos não limitativos, sendo feita referência aos desenhos seguintes.
[026] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma rede de energia elétrica de CC incluindo os primeiro e segundo controladores de proteção de distância de CC, de acordo com as respectivas primeira e segunda formas de realização da invenção.
[027] A Figura 2 mostra uma representação esquemática do primeiro controlador de proteção mostrado na Figura 1.
[028] A Figura 3(a) ilustra esquematicamente o funcionamento do primeiro controlador de proteção no caso de uma primeira falha dentro de uma zona de proteção coberta pelo primeiro controlador de proteção.
[029] A Figura 3(b) ilustra esquematicamente o funcionamento do primeiro controlador de proteção no caso de uma segunda falha fora da zona de proteção coberta pelo primeiro controlador de proteção.
[030] Um controlador de proteção de distância de CC, de acordo com uma primeira forma de realização da invenção, é designado geralmente pelo numeral de referência (10).
[031] O primeiro controlador de proteção (10) é disposto para identificar uma falha dentro de uma zona de proteção (12) que se estende entre um primeiro terminal (14) com o qual o primeiro controlador de proteção (10), em uso, está operacionalmente associado, e um ponto de ajuste (16) ao longo de um conduíte de transmissão de energia (18).
[032] O conduíte de transmissão de energia de CC (18) se situa entre o primeiro terminal acima mencionado (14) e um segundo terminal (20), com ambos os primeiro e segundo terminais (14), (20) formando uma parte de uma rede de energia elétrica de CC (22) que tem a forma de uma grade de CC (24), conforme mostrado esquematicamente na Figura 1. O ponto de ajuste (16) está espaçado do primeiro terminal (14) entre 80% e 95%, e de preferência 90% e 95%, do comprimento total do primeiro conduíte de transmissão de energia de CC (18), de tal modo que o ponto de ajuste (16) fica a uma distância DSet a partir do primeiro terminal (14). Enquanto isso, o primeiro terminal (14) tem uma primeira rede de CA (26) conectada ao mesmo através de um primeiro conversor de energia (28) enquanto o segundo terminal (20) tem uma segunda rede de CA (30) conectada ao mesmo através de um segundo conversor de energia (32).
[033] O primeiro controlador de proteção (10) também é operativamente associado, em uso, com um primeiro dispositivo de proteção (34), que na forma de realização mostrada é um disjuntor (36), apesar de outros tipos de dispositivo de proteção tal como um relé também são possíveis. O primeiro dispositivo de proteção (34), isto é, o disjuntor (36), é operável para proteger a zona de proteção (12) dentro do primeiro conduíte de transmissão de energia de CC (18), e mais particularmente operável para isolar a zona de proteção (12) do primeiro terminal (14) e, portanto, da primeira rede de CA (26) conectada a esta.
[034] Com referência à Figura 2, o primeiro controlador de proteção (10) é programado para: (i) obter periodicamente como respectivos pares amostrados (38) um valor medido de tensão um e um valor atual medido im do conduíte de transmissão de energia de CC (18) no primeiro terminal (14); (ii) isolar em relação a cada par amostrado (38), um valor de tensão do componente de falha Δum do valor medido de tensão correspondente um e um valor de corrente do componente de falha Δim a partir do valor medido de corrente correspondente im para definir um respectivo par isolado correspondente (40); (iii) calcular a partir de cada par isolado (40) dos valores de tensão e corrente do componente de falha Δum, Δim uma tensão de funcionamento do componente de falha Δuop do conduíte de transmissão de corrente de CC (18) no ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de corrente de CC (18); (iv) comparar uma determinada tensão de funcionamento calculada do componente de falha Δuop com um valor histórico de tensão uh derivado de um valor de tensão de medição histórica um’ a partir de um par anterior amostrado (38) de valores medidos de tensão e de corrente um, im; e (v) identificar uma falha dentro da zona de proteção (12) quando a determinada tensão calculada de funcionamento do componente de falha Δuop for maior do que o valor da tensão histórica uh, com o qual é comparada.
[035] O primeiro controlador de proteção (10) periodicamente obtém valores medidos de tensão um e os valores medidos de corrente im do conduíte de transmissão de energia de CC (18) através de um aparelho de medição (não mostrado) que está operacionalmente associado ao primeiro terminal (14) e é capaz de medir seletivamente a corrente e a tensão do conduíte de transmissão de energia de CC (18) no dito primeiro terminal (14).
[036] Na forma de realização mostrada, o primeiro conduíte de transmissão de energia de CC (18) é definido por uma primeira linha de transmissão (42), e mais particularmente por uma primeira linha de transmissão bipolar (44), isto é, uma linha de transmissão que incorpora dois condutores (não mostrados) operando em diferentes polaridades. Em outras formas de realização (não mostradas), o primeiro conduíte de transmissão de energia de CC (18) pode, no entanto, ser definido por um primeiro cabo de transmissão subterrâneo que pode ou não ser bipolar e pode ser monopolar, isto é, pode incorporar um único condutor operando em uma única polaridade. O primeiro conduíte de transmissão de energia de CC (18) também pode ser definido por uma linha de transmissão monopolar.
[037] Com relação à primeira linha de transmissão bipolar (44), o aparelho de medição periodicamente toma amostras medidas de uma tensão de polo positivo umP de um primeiro condutor da linha de transmissão bipolar (44) operando em uma polaridade positiva e amostras medidas de uma tensão de polo negativo umN de um segundo conduíte da linha de transmissão bipolar (44) operando em polaridade negativa. Cada amostra medida é tirada em relação ao solo em cada momento e em um respectivo barramento de um barramento duplo (não mostrado) que define o primeiro terminal (14).
[038] Entretanto, o aparelho de medição realiza periodicamente amostras medidas, no primeiro terminal (14), de uma corrente positiva de polo imP que flui no primeiro condutor entre o primeiro e o segundo terminais (14), (20) e de uma corrente de polo negativo imN que flui no segundo conduíte entre o primeiro e o segundo terminais (14), (20).
[039] O período de amostragem Ts adotado pelo aparelho de medição pode, a título de exemplo, ser dado por:
[040] Uma vez que tais amostras positivas e negativas são tomadas, é necessário a partir daí, na forma de realização mostrada, para o primeiro controlador de proteção (10) calcular adicionalmente um equivalente a um valor medido de tensão diretamente um sob a forma de um modo positivo (o qual também pode ser conhecido como um modo ‘antena) valor da tensão um+, e também um equivalente a um valor medido de corrente diretamente im sob a forma de um valor de corrente de modo positivo im+ de acordo com a seguinte transformação de modo de fase:
em que, umP é a tensão medida do conduíte polar positivo; umN é a tensão medida do conduíte polar negativo; imP é a corrente medida do conduíte polar positivo; e imN é a corrente medida do conduíte polar negativo.
[041] Para realizar a transformação de modo de fase acima mencionada, o primeiro controlador de proteção (10) inclui um bloco de transformação de modo de fase (46), como mostrado na Figura 2.
[042] Em formas de realização da invenção operativamente associadas a um conduíte de transmissão de energia de CC (18) que é definido por uma linha ou cabo de transmissão monopolar, o primeiro controlador de proteção (10) não precisa ser programado para realizar a transformação de modo de fase acima mencionada, e é capaz de fazer uso em vez de valores medidos de tensão e de corrente um, im obtidos diretamente do aparelho de medição. Por conseguinte, o primeiro controlador de proteção (10) em tais formas de realização pode omitir o bloco de transformação de modo de fase (46) mencionado acima.
[043] Por conseguinte, o primeiro controlador de proteção (10) obtém respectivos pares de amostra (38) de valores medidos de tensão e de corrente um, im, isto é, valores equivalentes de tensão e de corrente de modo positivo um+, im+.
[044] Depois disso, o primeiro controlador de proteção (10) isola- se em relação a cada par amostrado (38) dos valores medidos de tensão e de corrente um, im respectivos componentes de tensão e de corrente de falha. Mais particularmente, o controlador de proteção (10) isola um valor de tensão do componente de falha Δum a partir de cada valor medido de tensão correspondente um e isola um valor de corrente do componente de falha Δim a partir de cada valor medido de corrente correspondente im, e, assim, define os respectivos pares isolados correspondentes (40) dos valores de tensão e de corrente do componente de falha Δum, Δim.
[045] O controlador de proteção (10) está programado para realizar esse isolamento aplicando um filtro, e mais particularmente um filtro de alta passagem, e para esse fim o controlador de proteção (10) inclui um bloco de filtro (48). O bloco de filtro (48) produz os respectivos pares isolados (40) acima mencionados de valores de tensão e de corrente do componente de falha Δum, Δim de acordo com o seguinte:
em que, M é o número de amostras na janela escolhida, que é determinado pelo comprimento da janela escolhida, nas quais as amostras são obtidas.
[046] Por exemplo, a janela pode ser de 5 milissegundos, de tal forma que:
em que, Ts é o período de amostragem, por exemplo, 1/96000 segundos através do qual
[047] Diferentes períodos de amostragem e/ou comprimentos de janela podem, no entanto, ser usados.
[048] O primeiro controlador de proteção (10) é então programado para calcular, a partir de cada par isolado (40) dos valores de tensão e de corrente do componente de falha Δum, Δim uma tensão de funcionamento do componente de falha Δuop do conduíte de transmissão de corrente de CC (18) no ponto de ajuste (16) ao longo da mesma.
[049] O controlador de proteção (10) é assim programado para calcular as respectivas tensões de funcionamento do componente de falha Δuop usando um modelo de resistência-indutância do conduíte de transmissão de energia de CC (18). Tal modelo é particularmente adequado, isto é, fornece um grau de precisão desejado, se a primeira linha de transmissão bipolar (44) é relativamente curta, por exemplo, menos de aproximadamente 100 km (ou menos de aproximadamente 30 km se o conduíte de transmissão de energia de CC (18) é, por outro lado, definido por um cabo de transmissão subterrâneo).
[050] O primeiro controlador de proteção (10) inclui um bloco de cálculo de tensão de funcionamento do componente de falha (50), o qual processa o cálculo de cada uma das várias tensões de funcionamento do componente de falha Δuop, do correspondente par isolado (40) dos valores de tensão e de corrente do componente de falha Δum, Δim, com base na equação diferencial,
em que, Rset, é a resistência da seção do conduíte de transmissão de energia de CC (18) a partir do primeiro terminal (14) para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18); e Lset é a indutância da seção do conduíte de transmissão de energia de CC (18) a partir do primeiro terminal (14) para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18).
[051] Cada um dos valores de resistência e indutância Rset, Lset mencionados acima pode ser estabelecido a partir de dados técnicos sobre o conduíte de transmissão de energia de CC (18), por exemplo, como fornecido pelo operador da rede de energia elétrica de CC (22), e a distância conhecida DSet do ponto de ajuste (16) do primeiro terminal (14).
[052] Em outras formas de realização da invenção (não mostradas), o primeiro controlador de proteção (10) em vez disso pode ser programado para calcular as respectivas tensões de funcionamento do componente de falha Δuop no ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18), utilizando um modelo linear de parâmetros distribuídos do conduíte de transmissão de energia de CC (18) ou um modelo linear de parâmetros distribuídos dependente da frequência do conduíte de transmissão de energia de CC (18).
[053] Em formas de realização em que o controlador de proteção (10) está programado para calcular as respectivas tensões de funcionamento do componente de falha Δuop usando um modelo linear de parâmetros distribuídos do conduíte de transmissão de energia de CC (18), assume-se que os parâmetros das frequências são os mesmos de uma frequência representativa, por exemplo, 50 Hz ou 100 Hz, de modo que
em que, Δfm é a onda viajante de tensão direta no local do primeiro dispositivo de proteção (34), isto é, no primeiro terminal (14); e Δbm é a onda viajante de tensão invertida na localização do primeiro dispositivo de proteção (34), isto é, no primeiro terminal (14) com Δfm e Δbm sendo dados por:
em que, 
é a impedância de oscilação (surge), que é calculada pela impedância z (ohm/km) e admitância y (S/km) por unidade da primeira linha de transmissão bipolar (44); 
, onde c°o é a frequência representativa, isto é, a frequência na qual a rede de energia elétrica de CC (22) está operando; 
é o tempo de propagação de onde o primeiro dispositivo de proteção (34) está localizado, isto é, o primeiro terminal (14), para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18) com Dset sendo a distância equivalente em km do ponto de ajuste (16) do primeiro terminal (14); e 
é o fator de decaimento de onde o primeiro dispositivo de proteção (34) está localizado, isto é, o primeiro terminal (14), para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18).
[054] Os valores de desempenho mencionados acima podem novamente ser estabelecidos a partir de dados técnicos fornecidos pelo operador da rede de energia elétrica de CC (22) e a distância conhecida Dset do ponto de ajuste (16) do primeiro terminal (14).
[055] Como uma alternativa, se a primeira linha de transmissão (42), isto é, a primeira linha de transmissão bipolar (44), não está em distorção, as equações principais apresentadas acima podem ser novamente utilizadas, mas os seguintes parâmetros podem ser calculados:
é a impedância de oscilação, com L sendo a indutância (H/km) e C sendo a capacitância (F/km) por unidade de comprimento da primeira linha de transmissão (42); Tz = 0, isto é, o deslocamento de fase da impedância de oscilação é negligenciado; 
é o tempo de propagação de onde o primeiro dispositivo de proteção (34) está localizado, isto é, o primeiro terminal (14), para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18); e 
, é o fator de decaimento de onde o primeiro dispositivo de proteção (34) está localizado, isto é, o primeiro terminal (14), para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18), sendo R a resistência por unidade de comprimento (ohm/km) da primeira linha de transmissão (42).
[056] Da mesma forma, esses valores de desempenho podem ser novamente estabelecidos a partir de dados técnicos fornecidos pelo operador da rede de energia elétrica de CC (22), e a distância conhecida Dset do ponto de ajuste (16) do primeiro terminal (14).
[057] Em qualquer caso, tendo o primeiro controlador de proteção (10) programado para calcular as respectivas tensões de funcionamento do componente de falha Δuop usando um modelo linear de parâmetros distribuídos do conduíte de transmissão de energia de CC (18) é útil para uma linha de transmissão mais longa (42), isto é, uma linha entre aproximadamente 100 km e 200 km (ou entre aproximadamente 30 km e 80 km se o conduíte de transmissão de energia de CC (18) é definido por um cabo subterrâneo), uma vez que é capaz de levar em conta qualquer atraso no tempo de propagação de uma forma de onda de tensão viajando dentro da linha.
[058] Em outras formas de realização, em que o primeiro controlador de proteção (10) está programado para calcular as respectivas tensões de funcionamento do componente de falha Δuop usando um modelo linear de parâmetros distribuídos em frequência do conduíte de transmissão de energia de CC (18), o controlador de proteção (10) primeiro de tudo calcula uma onda viajante para a frente Δfm (t) e uma onda viajante para trás Δbm(t) de acordo com as seguintes equações:
em que, Zc(t) é a impedância de oscilação que é dependente de frequência e que pode ser descrita no domínio da frequência por 
com Zc0 sendo a parte constante da impedância de oscilação; e ak e bk sendo coeficientes da impedância de oscilação no domínio de frequência Zc(z)
[059] Os coeficientes acima referidos ak e bk podem ser calculados pela equação de Carlson de dados técnicos sobre o conduíte de transmissão de energia de CC (18), por exemplo, como fornecido pelo operador da rede de energia elétrica de CC (22).
[060] Enquanto isso, o símbolo * representa a operação matemática da convolução, em que se pode assumir que a impedância de oscilação zc tem 3 ordens.
[061] O controlador de proteção (10) em segundo lugar, calcula as ondas viajantes para a frente e para trás fop, bop no ponto de ajuste (16) de acordo com:
em que, TpSet é o tempo mínimo de propagação de onde o primeiro dispositivo de proteção (34) está localizado, isto é, o primeiro terminal (14), para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18); hset(t) é a função de propagação para uma onda viajante de onde o primeiro dispositivo de proteção (34) está localizado, isto é, a partir do primeiro terminal (14), para o para o ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18), o qual pode ser descrito no domínio da frequência por
com, ck e dk sendo coeficientes da função de propagação Hset(z).
[062] Os coeficientes ck e dk precedentes podem ser novamente calculados pela equação de Carlson a partir de dados técnicos fornecidos pelo operador da rede de energia elétrica de CC (22).
[063] Finalmente, o controlador de proteção (10) calcula as respectivas tensões de funcionamento do componente de falha Δuop de acordo com:
[064] Tendo um primeiro controlador de proteção (10) programado para calcular as respectivas tensões de funcionamento do componente de falha Δuop usando um modelo linear de parâmetros distribuídos dependentes de frequência do conduíte de transmissão de energia de CC (18) é útil para linhas de transmissão extralongas (42), isto é, uma linha maior do que aproximadamente 200 km de comprimento (ou maior do que 80 km de comprimento se o conduíte de transmissão de energia de CC (18) for definido por um cabo subterrâneo), uma vez que é capaz de levar em conta parâmetros dependentes de frequência (como, por exemplo, o efeito de pele) que distorcem consideravelmente a forma de onda das ondas viajantes em linhas de transmissão de tal comprimento.
[065] Enquanto isso, voltando à forma de realização mostrada, o controlador de proteção (10) está programado para comparar uma determinada tensão calculada de funcionamento do componente de falha Δuop, e mais particularmente cada tensão calculada de funcionamento do componente de falha Δuop, com um valor histórico de tensão uh que é derivado de um valor histórico de tensão medido um’ de um par amostrado anterior (38) de valores medidos de tensão e de corrente um, im.
[066] Na forma de realização mostrada, o valor histórico de tensão uh é idêntico a, e, assim, derivado diretamente a partir de, o dito valor histórico medido de tensão um’, isto é, um valor medido de tensão anterior um' obtido no primeiro terminal (14).
[067] Em outras formas de realização da invenção, o valor histórico de tensão uh em vez disso pode ser determinado por um valor calculado de tensão histórico que foi calculado para algum outro ponto ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18). Em tais circunstâncias, o valor calculado de tensão histórico é calculado a partir de, isto é, derivado de valores medidos de tensão e de corrente históricos correspondentes obtidos (como um par amostrado previamente (38)) no primeiro terminal (14).
[068] O controlador de proteção (10) inclui um bloco de comparação (52) que está programado para comparar a magnitude de uma dada tensão de funcionamento do componente de falha Δuop com a magnitude da dita tensão histórica uh.
[069] Na forma de realização mostrada, o controlador de proteção (10) calcula cada uma dessas grandezas || || utilizando um bloco de cálculo de magnitude (54) que determina um valor de raiz quadrada média (RMS) II Δuop II, II uh I de cada uma das tensões de funcionamento do componente de falha correspondentes Δuop e o valor histórico de tensão uh de acordo com:
com, W sendo o número de amostras no conjunto de amostras, por exemplo 48, isto é, como obtido pela definição de um comprimento de janela de 0,5 milissegundos (para ajudar a garantir uma resposta rápida pelo controlador de proteção (10)) com um período de amostragem de 1/96000 segundos.
[070] Em outras formas de realização da invenção, o bloco de cálculo de magnitude (54) pode, em vez disso, determinar uma magnitude sob a forma de uma soma do valor absoluto, isto é, dado por:
onde, W é novamente o número de amostras no conjunto de amostras.
[071] Em ambos os casos, o controlador de proteção (10) é programado para comparar a magnitude de uma dada tensão de funcionamento do componente de falha calculado II Δuop II com a magnitude de um valor histórico de tensão correspondente I uh I derivado de, isto é, idêntico a, um valor histórico de tensão medido um’ que foi obtido, isto é, medido, um período de tempo predeterminado antes do momento em que o par amostrado (38) dos valores medidos de tensão e de corrente um, im a partir do qual a dita magnitude de uma determinada tensão calculada de funcionamento do componente de falha || Δuop || é derivada e foi obtida, isto é, medida.
[072] O período de tempo predeterminado é de pelo menos 5 milissegundos e é, na forma de realização mostrada, 10 milissegundos. O período predeterminado pode ser menor ou maior que 10 milissegundos.
[073] Em qualquer caso, uma forma prática de assegurar que o valor histórico de tensão medida um’ a partir do qual o valor histórico de tensão uh é derivado, foi obtido 10 milissegundos antes dos valores de tensão e de corrente um, im dos quais a tensão de funcionamento do componente de falha Δuop é para ser comparado com o que foi obtido, é para introduzir um atraso na utilização do valor da tensão histórico uh. O controlador de proteção (10) consegue isto incluindo um bloco de atraso (56) que sustenta a utilização adicional da magnitude do valor da tensão histórico II uh II pelos desejados (10) milissegundos.
[074] Quando a magnitude da tensão calculada de funcionamento do componente de falha || Δuop || é maior do que a magnitude do correspondente valor histórico de tensão I uh I, o primeiro controlador de proteção (10) identifica que há uma falha no interior da zona de proteção (12).
[075] Tal operação do primeiro controlador de proteção (10) no caso de uma primeira falha (60) surgindo dentro da zona de proteção (12) coberta pelo controlador de proteção (10) é ilustrada esquematicamente na Figura 3(a).
[076] Mais particularmente, antes da primeira falha (60) surgir, o valor medido de tensão no primeiro terminal (14) permanece igual a uma tensão de funcionamento normal do conduíte de transmissão de energia de CC associada (18) de tal forma que, por sua vez, os respectivos valores de tensão medidos históricos um’ semelhantemente permanecem iguais à tensão de funcionamento normal. Assim, os respectivos valores de tensão históricos uh, sendo derivados diretamente a partir dos valores medidos de tensão históricos um’, também permanecem iguais à tensão de funcionamento normal. Não há componentes de falha nos valores medidos de tensão e de corrente obtidos durante este período de pré-falha e, portanto, a magnitude da tensão de funcionamento calculada do componente de falha || Δuop || no ponto de ajuste (16) é zero.
[077] Deste modo, a magnitude de um determinado valor histórico de tensão II uh II, isto é, a magnitude da tensão de funcionamento normal esperada do conduíte de transmissão de energia CC (18), é maior do que a magnitude correspondente da tensão de funcionamento do componente de falha calculada I Δuop I, e assim o controlador de proteção (10) não fornece nenhuma indicação de que uma falha tenha surgido.
[078] Quando a primeira falha (60) surge um componente de falha aparece em cada um dos valores de tensão medidos um e dos valores de corrente medidos im no primeiro terminal (14), de tal modo que um par isolado (40) de tensão do componente de falha e de valores de corrente um, Δim é emitido pelo bloco de filtro (48) do controlador de proteção (10). Um tal par isolado (40) dá origem a uma tensão de funcionamento do componente de falha calculado Δuop que, como mostrado na Figura 3(a), tem uma magnitude que é maior que a magnitude do correspondente valor histórico de tensão uh, isto é, a tensão de funcionamento normal do conduíte de transmissão de CC (18) como medidos 10 milissegundos mais cedo. Consequentemente, o controlador de proteção (10) é capaz de identificar que a primeira falha (62) tenha surgido dentro da zona de proteção (12).
[079] Depois disso, o controlador de proteção (10) opera o primeiro dispositivo de proteção (34), por exemplo, emitindo um comando de trajeto (trip) (58), para proteger, isto é, isolar, a zona de proteção (12) da primeira rede de CA (26).
[080] O funcionamento do primeiro controlador de proteção (10) quando uma segunda falha (64) surge no conduíte de transmissão de energia de CC (18) em um ponto que se encontra fora da zona de proteção (12), está esquematicamente ilustrado na Figura 3(b).
[081] Mais uma vez, antes da primeira falha (60) surgir, o valor medido de tensão no primeiro terminal (14) permanece igual a uma tensão de funcionamento normal do conduíte de transmissão de energia de CC associado (18), de tal modo que respectivos valores históricos de tensão uh semelhantemente permanecem iguais à tensão de funcionamento normal. Não há componentes de falha nos valores medidos de tensão e de corrente, e assim a magnitude da tensão de funcionamento calculada do componente de falha ||Δuop|| no ponto de ajuste (16) é zero, de tal forma que o controlador de proteção (10) não indica que uma falha tenha surgido.
[082] Quando a segunda falha (64) surge fora da zona de proteção (12) de um componente de falha, no entanto, aparecem em cada um dos valores medidos de tensão um e o valor medido de corrente im no primeiro terminal (14), de tal modo que um par isolado (40) de valores de tensão e de corrente do componente de falha Δum, Δim são novamente emitidos pelo bloco de filtro (48) do controlador de proteção (10). A tensão de funcionamento do componente de falha calculada Δuop derivada do par isolado acima mencionado (40) tem, no entanto, uma magnitude que é menor do que a magnitude do valor histórico de tensão uh correspondente, isto é, a tensão de funcionamento normal do conduíte de transmissão de CC (18) tal como medido a 10 milissegundos mais cedo, como mostrado na Figura 3(b). Consequentemente, o controlador de proteção (10) é capaz de discernir que a segunda falha (64) surgiu fora da zona de proteção (12) e, portanto, não faz qualquer indicação de que uma falha tenha surgido.
[083] Em adição ao precedente, o primeiro controlador de proteção (10) opera o primeiro dispositivo de proteção (34) após a recepção de um sinal de trajeto externo (62), por exemplo, a partir de um segundo controlador de proteção (70) que é operativamente associado com o segundo terminal (20) na outra extremidade do primeiro conduíte de transmissão de energia de CC (18). O segundo controlador de proteção (70) é muito semelhante ao primeiro controlador de proteção (10) e é programado para operar essencialmente da mesma maneira em relação a um outro ponto de ajuste (não mostrado) similarmente espaçado do segundo terminal (20) para definir uma segunda zona de proteção que se sobrepõe à primeira zona de proteção (12).
[084] O segundo controlador de proteção (70) é adicionalmente disposto para operar um segundo dispositivo de proteção (72) na forma de um disjuntor adicional (36) para isolar a segunda zona de proteção do segundo terminal (20) e a segunda rede de CA (30) conectada com o mesmo. O primeiro e o segundo controladores de proteção (10); (70) e primeiro e segundo dispositivos de proteção associados (34); (72), portanto, juntos fornecem proteção sobreposta para o primeiro conduíte de transmissão de energia de CC (18).
Claims (9)
1. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) (10), para identificar uma falha (60) dentro de uma zona de proteção (12) que se estende entre um primeiro terminal (14) com o qual o controlador de proteção (10) está em uso operativamente associado e um ponto de ajuste (16) ao longo de um conduíte de transmissão de energia de CC (18) situada entre o primeiro terminal (14) e um segundo terminal (20) dentro de uma rede de energia elétrica de CC (22), sendo o controlador de proteção (10) programado para: (i) obter periodicamente como respectivos pares amostrados (38) um valor medido de tensão e um valor medido de corrente do conduíte de transmissão de energia de CC (18) no primeiro terminal (14); caracterizado pelo controlador de proteção (10) ser programado para: (ii) isolar em relação a cada par amostrado (38), um valor de tensão de um componente de falha (Δum) a partir do valor medido de tensão correspondente (um) e um valor de corrente do componente de falha (Δim) do valor medido de corrente correspondente (im) para definir um respectivo par isolado correspondente (40); (iii) calcular a partir de cada par isolado (40) dos valores de tensão e corrente do componente de falha (Δum, Δim), uma tensão de funcionamento do componente de falha (Δuop) do conduíte de transmissão de energia de CC (18) no ponto de ajuste (16) ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18); (iv) comparar uma dada voltagem de funcionamento do componente de falha calculada (Δuop) com um valor de voltagem histórico (uh) derivado de um valor de voltagem medido histórico (um) de um par amostrado anterior (38) de valores medidos de voltagem e de corrente(um,im); e (v) identificar uma falha (60) na zona de proteção (12), quando a dada tensão de funcionamento do componente de falha (Δuop) calculado é maior do que o valor histórico de tensão (um), com o qual é comparado.
2. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CC (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser programado para isolar um valor de tensão do componente de falha (Δum) e um valor de corrente do componente de falha(Δim) em relação a cada par amostrado (38) de valores medidos de tensão e de corrente (um,im) através da aplicação de um filtro (48) ao valor medido de tensão (um) e o valor medido de corrente (im) de cada par amostrado (38).
3. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CC (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por ser programado para comparar as magnitudes das respectivas tensões calculadas de funcionamento do componente de falha (Δuop) e valores de tensão históricos (uh).
4. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CC (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por ser programado para comparar uma dada tensão calculada de funcionamento do componente de falha (Δuop) com um valor histórico de tensão correspondente (uh) derivado de um valor histórico medido de tensão obtido em um período de tempo predeterminado antes do tempo em que o par amostrado (38) no qual se baseia a tensão de funcionamento do componente de falha (Δuop), foi obtido.
5. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CC (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo período de tempo predeterminado ser de pelo menos 5 milissegundos.
6. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CC (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo ponto de ajuste (16) estar espaçado ao longo do conduíte de transmissão de energia de CC (18) do primeiro terminal (14) entre 80% e 95% do comprimento total do conduíte de transmissão (18).
7. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CC (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por ser programado para calcular uma dada tensão de funcionamento do componente de falha (Δuop) a partir do par isolado correspondente (40) de valores de tensão e de corrente do componente de falha (Δum, Δim) utilizando um dos seguintes modelos do conduíte de transmissão de energia de CC (18): - um modelo de resistência-indutância; - um modelo linear de parâmetros distribuídos; e - um modelo linear de parâmetros distribuídos dependente da frequência.
8. CONTROLADOR DE PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA DE CC (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por ser adicionalmente programado para operar um dispositivo de proteção associado (34) após recepção de um sinal de trajeto externo (58).
9. REDE DE ENERGIA ELÉTRICA DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) (22), caracterizada por compreender pelo menos um controlador de proteção de distância de CC (10), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B06U | Preliminary requirement: requests with searches performed by other patent offices: procedure suspended [chapter 6.21 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] |
Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 20 (VINTE) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 29/09/2016, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS |