ES2352413T3 - Filtro de paso alto simulado en un relé protector. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para el filtrado de una señal de corriente eléctrica representativa de una corriente en un sistema eléctrico que usa un filtro dentro de un relé protector, que comprende las etapas de: recibir una señal i(t) de una corriente eléctrica de entrada; ajustar la señal eléctrica de entrada por medio de un valor de realimentación; amplificar la señal eléctrica ajustada por medio de un valor de ganancia proporcional; dar salida a la señal amplificada como señal de salida; y eliminar el ruido de la señal eléctrica de entrada en base a la señal de salida, en el que el valor de realimentación se determina integrando la señal de salida, caracterizado porque la etapa de eliminación del ruido se lleva a cabo calculado o bien la expresión **Fórmula** siendo IZ(t) el comportamiento de la línea de transmisión, siendo R una resistencia asociada con el sistema eléctrico, siendo L una inductancia asociada con el sistema eléctrico, siendo Kp el valor de ganancia proporcional y siendo Ki el valor de ganancia integral; o la expresión **Fórmula** siendo T el periodo de muestreo, siendo Isimulada(t) la salida del filtro simulado.

Description

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Típicamente, cuando se monitoriza un sistema eléctrico para detectar averías del sistema, el equipo de protección se configura para llevar a cabo varias rutinas diagnósticas o de monitorización. Una rutina tal incluye determinar si los componentes fundamentales de la frecuencia de la corriente están dentro de un intervalo o envolvente aceptable. Más específicamente, el equipo de protección está configurado para determinar periódicamente el componente fundamental de frecuencia del sistema eléctrico de las señales de corriente del sistema eléctrico para cada fase. Una vez que se determina para cada fase el componente fundamental de frecuencia de las señales de corriente, se compara cada componente con una envolvente deseada preseleccionada. Si el componente fundamental determinado está dentro de la envolvente, entonces se supera el ensayo diagnóstico del elemento. Sin embargo, si el componente fundamental no está dentro de la envolvente, tal condición puede ser indicativa de una avería potencial o de otro problema. Si tal condición persiste, el equipo de protección puede actuar para abrir el circuito asociado con el componente que está fuera de intervalo. Típicamente, una vez que se abre el circuito, un técnico de mantenimiento debe localizar y corregir la causa raíz del componente de corriente fuera de intervalo, y después cerrar el mecanismo de ruptura del circuito en el equipo de protección.

Para identificar con precisión la ubicación de una avería, por ejemplo, se analiza el componente fundamental de corriente para determinar la distancia desde el equipo de protección a la avería. Al efectuar tal análisis, es deseable eliminar los desfases de decaimiento del componente fundamental de la frecuencia del sistema eléctrico para mejorar la precisión. Los desfases de decaimiento suelen ocurrir en corrientes de línea durante perturbaciones transitorias en el sistema eléctrico y son causados por la respuesta de las impedancias inductivas y resistivas en la línea. La corrección de tal desfase de decaimiento debe compensar la naturaleza variante del desfase. Una vez que se ha eliminado el desfase de decaimiento, el componente fundamental de la frecuencia de la señal de corriente puede ser analizado para facilitar la localización de la avería.

Se conocen circuitos y filtros de simulación que modelan matemáticamente el comportamiento de la línea de transmisión según la función IZ(t) = i(t)•R + v(t), siendo v(t) = L(di(t)/dt). Esta señal de salida es la suma de dos términos: el primer término, proporcional al producto de la resistencia simulada y a la corriente de la línea; y el segundo término, proporcional al producto de la inductancia simulada y a la derivada del tiempo de la corriente de la línea. La función anterior se usa generalmente para eliminar desfases de decaimiento. En general, se usa una transformada discreta de Fourier (DFT) para determinar el componente fundamental de frecuencia del sistema eléctrica y los armónicos de cada corriente de línea.

La técnica de simulación tiene limitaciones. Por ejemplo, la diferenciación de la señal de entrada amplifica los armónicos de alta frecuencia, particularmente en dispositivos industriales como excitadores de motor y convertidores de ciclo. La amplificación de estos armónicos de alta frecuencia puede resultar en falsos picos de corriente, que pueden hacer que el relé protector se desconecte en un momento indebido. Este problema se ha vuelto más problemático a medida que ha aumentado la velocidad del equipo de protección.

En una implementación digital, los filtros de simulación típicamente se valen de la diferenciación de dos muestras de entrada. Para compensar un falso pico de señal, se reducen las ganancias diferenciales aumentado el periodo de muestreo. Sin embargo, el aumento en el periodo de muestreo tienda a disminuir el ancho de banda del filtro.

Se conoce otras técnicas. Por ejemplo, para reducir el número de cálculos requeridos para llevar a cabo una corrección de los desfases, la patente estadounidense nº 5.798.932 da a conocer la separación de la detección de averías y la determinación de la ubicación de la avería. Más específicamente, esta patente reconoce que los desfases de decaimiento no tienen necesariamente que eliminarse de los fasores de corriente para determinar si existe una avería, y que los desfases de decaimiento solo tienen que eliminarse cuando se usen fasores para ubicar la avería. Al invertir el orden de las etapas de proceso ejecutadas para que se generen los valores de los fasores y después, cuando haga falta, al eliminar los desfases de decaimiento de los valores generados de los fasores, puede reducirse significativamente la carga de cálculo en ciertas aplicaciones.

La patente estadounidense nº 5.796.630 da a conocer un sistema de un relé protector concebido en parte para eliminar la influencia de los componentes armónicos que puede haber presentes en una corriente defectuosa. El sistema incluye un filtro digital para dar salida a los datos variables eléctricos de las diferencias primera y segunda indicativos de las diferencias primera y segunda entre al menos dos datos de muestra de unas variables eléctricas primera y segunda. El sistema también incluye un filtro de adición para dar salida a los datos variables eléctricos aditivos primero y segundo indicativos de datos vectoriales ortogonales con respecto a los datos variables eléctricos de las diferencias primera y segunda. El sistema incluye además una unidad de control de relés para calcular variables controladas de una operación de relé en el sistema eléctrico en base a los datos variables eléctricos de las diferencias primera y segunda en un cierto tiempo de muestreo, para determinar si debe llevarse a cabo o no la protección del sistema eléctrico.

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La patente estadounidense nº 4.577.279 da a conocer un procedimiento para proporcionar compensación del desfase. Se eliminan los efectos de una señal de ruido exponencial transitoria tomando una muestra de una señal sinusoidal, haciendo la media de la perturbación transitoria en un intervalo temporal correspondiente a un número de ciclos de la señal sinusoidal, y restando la media de la media en el punto medio del intervalo temporal.

Aunque se conocen estas y otras técnicas para abordar los desfases, ninguna proporciona una técnica rápida, fiable y precisa para filtrar el ruido de las señales de sistemas eléctricos suministradas a relés protectores mientras se evitan falsos picos de señal.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

En vista de la presentación anterior, sería deseable proporcionar una técnica fiable, rápida, y precisa para filtrar las señales de sistemas eléctricos. También sería deseable que tal técnica evitara los falsos picos de señal. Sería deseable, además, que tal técnica fuera calibrable para diferentes aplicaciones y que tal técnica fuera realizable en circuitos analógicos o digitales.

Según un primer aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para filtrar una señal de corriente eléctrica representativa de una corriente en un parámetro de un sistema eléctrico que usa un filtro dentro de un relé protector, que comprende las etapas de recibir una señal de una corriente eléctrica de entrada; ajustar la señal eléctrica de entrada por medio de un valor de realimentación; amplificar la señal eléctrica ajustada por medio de un valor de ganancia proporcional; dar salida a la señal amplificada como señal de salida; y eliminar el ruido de la señal eléctrica de entrada en base a la señal de salida, en el que el valor de realimentación se determina integrando la señal de salida, en el que la etapa de eliminación del ruido se lleva a cabo calculado o bien

t = () ⋅ R + ⎡ K ⋅ L (+ K ⋅ K IZ tdt ) ⎤ ⋅ ( ),

IZ () it p /1 pi ∫ () it

⎣⎦

siendo Kp el valor de ganancia proporcional y siendo Ki el valor de ganancia integral; o

() t =⋅ () + B ⋅ it − T ) + K ⋅ I (t − T ),

I Ait (

simulada x simulada

siendo

K = ⎡2 − K KT ⎤imagen1 ⎡2 + K KT ⎤ ,

x ⎣ pi ⎦⎣ pi ⎦

A = R + L ⋅ 2⋅ K imagen1 ⎡2 + K KT ⎤ ,

p ⎣ pi ⎦

B = K ⋅ R − L ⋅ ⎡2K imagen1 ( 2 + K KT ) ⎤ ,

x ppi

⎣

⎦ siendo T un periodo de muestreo.

Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un filtro en un relé protector para filtrar una señal de entrada de corriente representativa de una corriente en un sistema eléctrico,

imagen2

que comprende una entrada para recibir la señal de una corriente eléctrica de entrada representativa de la corriente en el sistema eléctrico; un medio para ajustar la señal de entrada por medio de un valor de realimentación; un amplificador para amplificar la señal de entrada ajustada por medio de un valor de ganancia proporcional; y dar salida al resultado como una 5 señal de salida; y un integrador para integrar la señal de salida para generar el valor de realimentación, en el que el filtro comprende además un medio para generar o bien una función

IZ () t = it () ⋅ R + ⎡ Kp ⋅ L /1 (+ Kp ⋅ K IZ () t dt ) ⎤ ⋅ it ( ),

i

⎣ ∫⎦

siendo i(t) la señal de entrada, siendo R una resistencia asociada con el sistema eléctrico, siendo L una inductancia asociada con el sistema eléctrico, siendo Kp el valor de ganancia proporcional y siendo Ki el valor de ganancia integral; o

I () t = Ait () + B ⋅ it − T ) + K ⋅ I (t − T ),

simulada ⋅ ( x simulada

10 siendo

K = ⎡2 − K KT 2 + K KT ⎤ ,

x ⎣ p i pi ⎦

A = R + L ⋅ 2⋅ K 2 + K KT ⎤ ,

p pi ⎦

B = Kx ⋅ R − L ⋅ ⎡2 − Kp imagen3 pi )

2 + K KT ⎤ ,

⎣

⎦

y siendo, además i(t) la señal de entrada, siendo R la resistencia asociada con el sistema eléctrico, siendo L una inductancia asociada con el sistema eléctrico, siendo Kp el valor de ganancia proporcional, siendo Ki el valor de ganancia integral y siendo T un periodo de muestreo.

15 Así, la presente invención proporciona una técnica rápida, fiable y precisa para filtrar el ruido mientras que mantiene los falsos picos de señal.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La presente invención puede ser entendida más plenamente con la lectura de la siguiente Descripción detallada en conjunción con los dibujos adjuntos, en los que:

20 la FIG. 1 es un diagrama de bloques de un pseudodiferenciador según una relación de la presente invención; la FIG. 2 es un diagrama de flujo que describe un procedimiento de filtrado de una señal según una realización de la presente invención; la FIG. 3 es un diagrama de un circuito analógico adecuado para implementar un filtro

25 simulado según la presente invención; las FIGURAS 4A-B son gráficos de formas de onda de una señal de entrada y una comparación de la respuesta de salida de un filtro simulado convencional y un filtro simulado ejemplar según la presente invención, respectivamente; las FIGURAS 5A-B son gráficos que muestran la respuesta en magnitud y fase, respectivamente, de un filtro simulado convencional; y las FIGURAS 6A-B son gráficos de Bode que muestran la respuesta en magnitud y fase, respectivamente, de un filtro simulado ejemplar según la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Con referencia ahora a la FIG. 1, se muestra un diagrama de bloques de un pseudodiferenciador 10 según una realización de la presente invención. En este ejemplo, el pseudodiferenciador 10 está incorporado en un filtro contenido en un relé protector o asociado con el mismo de otra forma operativa. Una señal L•i(t) representa una corriente en una línea asociada con un relé protector que es multiplicada por una inductancia L asociada con la línea. A partir de esta entrada, se resta un valor de realimentación, generado por un bucle de realimentación que se ha de presentar más abajo, para generar una señal de entrada modificada. Se suministra la señal de entrada modificada a un amplificador 10 que tiene un valor de ganancia proporcional Kp, en el que la señal de entrada modificada es amplificada en el valor Kp, y se da salida al valor amplificado como señal v(t). Esta señal v(t) se usa en la ecuación modélica tradicional IZ(t) = i(t)•R + v(t), y el valor del desfase puede compensarse usando técnicas convencionales. El bucle de realimentación mencionado más arriba implica facilitar la señal amplificada a un integrador 14, en el que la señal amplificada es integrada con respecto al tiempo, y la integración es multiplicada por un valor de ganancia integral Ki. La señal integrada y multiplicada es restada a continuación de la señal de entrada L•i(t).

Cuando se implementa en un filtro, el pseudodiferenciador sustituye al diferenciador de la ecuación de modelado tradicional IZ(t) = i(t)•R + v(t) (en la que v(t) se equipara tradicionalmente con L(di(t)/dt)). Así, la ecuación de modelado que usa el pseudodiferenciador de la FIG. 1 se convierte en:

IZ () t = it () ⋅ R + ⎡ Kp ⋅ L /1 (+ Kp ⋅ K IZ () t dt ) ⎤ ⋅ it ( ),

i

⎣ ∫⎦ en la que Kp es la ganancia proporcional y Ki es la ganancia integral. Este modelo matemático puede implementarse en un circuito analógico usando resistencias, condensadores y otros componentes adecuados, un ejemplo de lo cual se describirá más abajo. Los valores de los componentes pueden seleccionarse para ajustar los valores proporcional e integral.

Según un aspecto de la invención, esta ecuación puede realizarse usando circuitos digitales

o un procesador debidamente programado, transformando la ecuación al dominio temporal

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discreto usando, por ejemplo, el procedimiento trapezoidal. Usando este enfoque, la ecuación de un filtro simulado basado en un procesador de señales digitales (DSP) se convierte en:

() t =⋅ () + B ⋅ it − T ) + K ⋅ I (t − T ),

I Ait (

simulada x simulada

siendo

K = ⎡2 − K KT 2 + K KT ⎤ ,

x ⎣ pi pi ⎦

A = R + L ⋅ 2⋅ K 2 + K KT ⎤ ,

p pi ⎦

B = K ⋅ R − L ⋅ ⎡2K 2 + K pK T ) ⎤ ,

x i

⎣ ⎦

y siendo T un periodo de muestreo.

Los coeficientes A y B tienen en cuanta la ganancia de diferenciación del filtrado. Debería apreciarse que el aumento en la ganancia proporcional Kp puede aumentar la ganancia de diferenciación y proporcionar una respuesta más rápida de filtrado. Sin embargo, una ganancia proporcional grande también puede producir sobretensión y zumbido en la salida del filtro. La ganancia integral Ki puede ajustarse para controlar el amortiguamiento. El aumento de la ganancia integral puede suprimir el zumbido y las perturbaciones transitorias con falso pico de señal, pero puede aumentar el tiempo de respuesta de estado estacionario del filtro. Así, el filtro de simulación puede ser ajustado o calibrado para optimizar el rendimiento del tiempo de respuesta de estado estacionario para diferentes aplicaciones. Por ello, el filtro ejemplar de simulación puede proporcionar un filtrado rápido y preciso de señales para suprimir desfases de cc u otro ruido a la vez que se previene la incidencia de picos falsos de señal. Preferentemente, Kp es un valor que es menor que 0,1 veces la frecuencia de corte del filtro, y Ki es menos del 40% de Kp.

Con referencia ahora a la FIG. 2, se muestra un diagrama de flujo que describe un procedimiento para filtrar una señal de entrada según una realización de la presente invención. El procedimiento comienza en la etapa 20, en la que el filtro recibe la señal de entrada. En la etapa 22, se modela el comportamiento del sistema eléctrico según la ecuación IZ(t) = I(t)•R + v(t), en la que se genera v(t) según el pseudodiferenciador descrito con respecto a la FIG. 1. El pseudodiferenciador puede implementarse en un circuito analógico, como en el ejemplo de la FIG. 3, o usando un procesador de señales digitales para generar las funciones apropiadas presentadas más arriba. En la etapa 24, se efectúa la compensación o la eliminación del desfase de cc o de otro ruido según técnicas conocidas.

Con referencia ahora a la FIG. 3, se muestra una implementación analógica ejemplar del circuito del filtro de simulación según la presente invención. El circuito 30 recibe una señal de entrada Ventrada y aplica esta señal a una resistencia 32 de entrada (Ri) y al primer terminal de una capacitancia 34 de entrada (C). El segundo terminal de la capacitancia de entrada C está conectado a la primera entrada de un amplificador operativo 36 cuya segunda entrada está conectada a tierra. El amplificador operativo 36 genera una señal de salida Vsalida, y esta señal de salida se vuelve a suministrar a la primera entrada del amplificador operativo 36 por medio de una resistencia de realimentación Rf. En este ejemplo, T(jω) = Vsalida(jω)/Ventrada(jω)= [jω•Rf/Ri]/[jω+1/(C•Ri)]. En este ejemplo, Kp = Rf/Ri, Ki •Kp = 1/C•Ri, y, por lo tanto, Ki = 1/C•Rf. Además, debería apreciarse que jω indica el dominio frecuencial.

imagen4

Con referencia ahora a las FIGURAS 4A-B, la FIG. 4A es una representación gráfica de una señal de entrada, como una señal de corriente representativa de la corriente de línea a través de una porción de un sistema eléctrico protegido por un relé. La señal de la FIG. 4A tiene un desfase de dc de decaimiento. La FIG. 4B muestra dos formas de onda, una que es la salida de un filtro de simulación convencional que recibe la señal de entrada de la FIG. 4A, y la otra de las cuales es un filtro de simulación que incorpora la técnica de la presente invención. En este ejemplo, Kp se ha seleccionado como 0,995, y Ki se ha seleccionado como 0,4. Como puede verse claramente en la FIG. 4B, el filtro simulado convencional (“simulado”) da salida a una punta de tensión, mientras que el filtro simulado mejorado de la presente invención “simulado nuevo”) no genera tal pico.

Con referencia ahora a las FIGURAS 5A-B, se muestran gráficos de Bode de la respuesta en magnitud y fase, respectivamente, de un filtro simulado convencional. Las FIGURAS 6A-B muestran los gráficos de Bode correspondientes de la respuesta en magnitud y fase, respectivamente de un filtro simulado según la presente invención. Puede verse con las FIGURAS 5A-B que el filtro simulado amplifica los componente de frecuencia elevada de hasta 30 dB, y puede verse con las FIGURAS 6A-B que el filtro simulado según la presente invención suprime la baja frecuencia y tiene una ganancia que se aproxima a la unidad para los componentes de frecuencia elevada. Estas formas de onda son una forma de proporcionar una indicación clara del rendimiento mejorado de un filtro simulado según la presente invención.

Aunque la descripción precedente incluye numerosos detalles y especificidades, estos se proporcionan únicamente con fines explicativos, y no son limitaciones de la invención. El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (5)

1. Un procedimiento para el filtrado de una señal de corriente eléctrica representativa de una corriente en un sistema eléctrico que usa un filtro dentro de un relé protector, que comprende las etapas de:

5 recibir una señal i(t) de una corriente eléctrica de entrada; ajustar la señal eléctrica de entrada por medio de un valor de realimentación; amplificar la señal eléctrica ajustada por medio de un valor de ganancia proporcional; dar salida a la señal amplificada como señal de salida; y eliminar el ruido de la señal eléctrica de entrada en base a la señal de salida,

10 en el que el valor de realimentación se determina integrando la señal de salida,

caracterizado porque

la etapa de eliminación del ruido se lleva a cabo calculado o bien la expresión

IZ () it p /1 pi ∫⎦t = () ⋅ R + ⎡ K ⋅ L (+ K ⋅ K IZ () t dt )⎤ ⋅ it ( ),

⎣

siendo IZ(t) el comportamiento de la línea de transmisión, siendo R una resistencia asociada con el sistema eléctrico, siendo L una inductancia asociada con el sistema 15 eléctrico, siendo Kp el valor de ganancia proporcional y siendo Ki el valor de ganancia integral; o la expresión

() t =⋅ () + B ⋅ it − T ) + K ⋅ I (t − T ),

I Ait (

simulada x simulada

siendo

K = ⎡2 − K KT 2 + K pK T i ⎤ ,

x ⎣ p i

⎦

A = R + L ⋅ 2⋅ K

p + K pK T i ⎤ ,

⎦

B = K ⋅ R − L ⋅ ⎡2K 2 + K pK T )⎤ ,

x i

⎣

⎦

siendo T el periodo de muestreo, siendo Isimulada(t) la salida del filtro simulado.

2. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que la señal de salida es una señal de 20 tensión.

3.

El procedimiento de las reivindicaciones 1 o 2 en el que el valor de ganancia proporcional Kp es menor que 0,1 veces una frecuencia de corte del filtro.

4.

El procedimiento de cualquier reivindicación precedente en el que la ganancia integral Ki es menos del 40% del valor de ganancia proporcional Kp.

25 5. Un filtro para un relé protector para filtrar una señal de entrada de corriente representativa

de una corriente en un sistema eléctrico, que comprende: una entrada para recibir la señal i(t) de una corriente eléctrica de entrada representativa de la corriente en el sistema eléctrico; un medio para ajustar la señal de entrada por medio de un valor de realimentación; un amplificador para amplificar la señal de entrada ajustada por medio de un valor de ganancia proporcional; y dar salida al resultado como una señal de salida; y un integrador para integrar la señal de salida para generar el valor de realimentación,

imagen1

5 caracterizado porque

comprende además un medio para generar o bien una función:

IZ () t = it () ⋅ R + K ⋅ L /1 + K ⋅ K IZ () t dt ⋅ it ( ),

⎡ p ( pi ∫ ) ⎤

⎣ ⎦

representando IZ(t) el comportamiento de la línea de transmisión, siendo i(t) la señal de entrada, siendo R una resistencia asociada con el sistema eléctrico, siendo L una inductancia asociada con el sistema eléctrico, siendo Kp el valor de ganancia

10 proporcional y siendo Ki el valor de ganancia integral; o

() t =⋅ () + B ⋅ it − T ) + K ⋅ I (t − T ),

I Ait (

simulada x simulada

siendo

K = KT 2 + K KT ⎤ ,

x ⎣⎡2 − Kp i

pi ⎦

A = R + L ⋅ 2⋅ K 2 + K KT ⎤ ,

p pi ⎦

B = K ⋅ R − L ⋅ ⎡2 − Kp imagen2 2 + K pK T i ) ⎤ ,

x

⎣

⎦

siendo T un periodo de muestreo y siendo Isimulada(t) la salida del filtro simulado.

6. El filtro de la reivindicación 5 en el que el valor de ganancia proporcional Kp es menor que 0,1 veces un valor de corte del filtro.

15 7. El filtro de las reivindicaciones 5 o 6 en el que el valor de la ganancia integral Ki es menos del 40% del valor de ganancia proporcional Kp.