ES2425792T3 - Procedimiento de detección de resonancia subsíncrona - Google Patents

Procedimiento de detección de resonancia subsíncrona Download PDF

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Abstract

Un procedimiento de detección de resonancia subsíncrona en sistemas de energía eléctrica con condensadoresen serie, donde señales de tensión de los sistemas de energía eléctrica se miden en línea y donde mediante labúsqueda de puntos de cruce por cero de la señal discreta (40) de la tensión medida, se calculan los medios ciclospositivos y negativos de la forma de onda de la señal discreta (40) de la tensión en un dispositivo informático al quese suministran parámetros constantes por parte del usuario, caracterizado porque comprende las siguientesacciones: - crear una señal demodulada (UDem) de tensión mediante la adición del valor absoluto del valor mínimo delmedio ciclo negativo de la forma de onda de una señal discreta procesada (UX) de la tensión al valor máximodel medio ciclo positivo de la forma de onda de la señal discreta procesada (UX) durante intervalos de tiempoque tienen una longitud de señal TL, donde TL es un parámetro constante, suministrado por el usuario, donde laseñal discreta procesada (UX) se calcula restando un valor medio (Xmedio) del valor de la tensión (ai) de cadapunto de muestra de la señal discreta (UD) y donde el valor medio (Xmedio) es el valor de la media aritmética dela señal discreta (UD) para la longitud de la señal TL, - calcular un valor cuadrático medio RMS para la señal demodulada de la tensión (UDem) y compararlo con elvalor de otro parámetro constante suministrado por el usuario como el nivel del valor cuadrático medio RMSLevy cuando el valor de RMS es menor que el valor de RMSLev, indica que no hay resonancia subsíncrona, ycuando el valor de RMS es mayor que el valor de RMSLev, se identifica la presencia de resonancia subsíncronamediante la determinación de la amplitud de la tensión (AFSS) de una resonancia subsíncrona y/o la frecuencia(fFSS) de una resonancia subsíncrona de la señal demodulada (UDem).

Description

Procedimiento de detección de resonancia subsíncrona
El objetivo de la invención es un procedimiento de detección de resonancia subsíncrona en sistemas de energía eléctrica con condensadores en serie.
En general, el fenómeno de resonancia subsíncrona SSR (Resonancia SubSíncrona) se produce en sistemas de energía eléctrica como resultado de la interacción de una turbina-generador con una línea de transmisión compensada en serie de larga distancia. Hay una condición de un sistema de energía eléctrica donde las redes eléctricas intercambian energía con el sistema mecánico del generador a frecuencias inferiores a la frecuencia nominal de la línea de transmisión (50 ó 60 Hz).
La resonancia subsíncrona se aborda en tres categorías, el efecto generador de inducción, la interacción torsional y la amplificación de torsión. Los dos primeros tipos son provocados por una alteración de estado estacionario, mientras que el tercero es excitado por perturbaciones transitorias.
Los condensadores en serie mejoran las capacidades de los sistemas de energía eléctrica mediante la compensación de la inductancia de la línea de transmisión, aumentando así la capacidad de las líneas y mejorando así el estado estacionario y los límites de estabilidad transitoria. Sin embargo, el uso de condensadores en serie aumenta el riesgo de aparición del fenómeno de resonancia subsíncrona. Normalmente, la frecuencia de resonancia subsíncrona tiene un valor en el intervalo del 15 % al 90 % de la frecuencia nominal de la línea de transmisión.
Los procedimientos conocidos de detección de resonancia subsíncrona SSR se basan en técnicas de filtrado o en un análisis de la vibración del árbol del generador. El documento US 2003/0160600 A describe un procedimiento de detección de corriente subsíncrona que utiliza una rectificación de la señal y una comparación del límite para la detección de corrientes subsíncronas. El procedimiento se puede implementar como un circuito analógico o también mediante el uso de circuitos de procesamiento de señales digitales. Otro procedimiento es conocido por la patente US 4.607.217. La resonancia subsíncrona se detecta en un sistema de alimentación eléctrica de CA mediante la determinación de los cambios en la longitud de sucesivos medios ciclos de forma de onda que son la base para la identificación de la resonancia subsíncrona. El cambio de parámetros medido es el periodo de la onda, y los cambios en la relación de la diferencia del período de positivo y el período de los ciclos de media negativos sobre la suma del período de los medios ciclos positivos y el período de los medios ciclos negativos están relacionados con la detección de la resonancia subsíncrona. La invención se basa en la observación de que la frecuencia subsíncrona en la línea actual crea un medio ciclo más largo y medio ciclos más cortos. La diferencia entre los períodos de los medios ciclos se mide sucesivamente para proporcionar un procedimiento para detectar la presencia de resonancia subsíncrona.
Un inconveniente de este procedimiento es la presencia de un retardo de tiempo entre la aparición del fenómeno de resonancia subsíncrona y su detección. Este retardo de tiempo puede ser demasiado largo para la detección de frecuencia de SSR, que puede resultar en daños en el árbol o el mal funcionamiento del relé de protección de la línea de transmisión. Este inconveniente se supera mediante el procedimiento de la invención tal como se define en la reivindicación 1, que permite la detección y la identificación de SSR más rápido en comparación con las técnicas conocidas y requiere el uso de una cantidad de muestra de los datos de entrada más pequeña que en las soluciones conocidas.
La esencia del procedimiento de la invención de detección de resonancia subsíncrona en sistemas de energía eléctrica con condensadores en serie, en el que las señales de tensión se miden en la línea y mediante el uso de un procedimiento de búsqueda de puntos de cruce por cero de la señal discreta de la tensión medida, se calculan medios ciclos positivos y negativos de una forma de onda de la señal discreta de tensión se calculan en un dispositivo informático al que se suministran los parámetros constantes por parte del usuario, que incluye las siguientes acciones:
•
crear una señal de tensión demodulada UDem mediante la adición de valor mínimo de medio ciclo negativo de la forma de onda de señal discreta procesada de la tensión Ux al valor máximo de medio ciclo positivo de la forma de onda de la señal discreta procesada de la tensión Ux durante intervalos de tiempo que tienen una longitud de señal TL, donde TL es un parámetro constante, suministrado por el usuario,
•
calcular un valor cuadrático medio RMS para la señal demodulada de la tensión UDem y compararlo con el valor de otro parámetro constante suministrado por el usuario como el nivel de valor cuadrático medio RMSLev y cuando el valor de (RMS) es menor que el valor de RMSLev indica que no hay resonancia subsíncrona, y cuando el valor de RMS es mayor que el valor de RMSLev, se identifica la presencia de resonancia subsíncrona mediante la determinación de la amplitud de la tensión AFSS de resonancia subsíncrona y/o la frecuencia fFSS de resonancia subsíncrona.
Preferiblemente, durante la búsqueda de cruces por cero, se establecen dos histéresis para medios ciclos positivos y negativos de la forma de onda para la determinación de secuencias de intervalos de tiempo consecutivos TPozl, TNegl, ..., TPozN, TNegN, respectivamente, para una parte positiva UPoz y negativa UNeg de la señal discreta procesada UX entre cruces por cero para crear el envolvente superior Esup y la envolvente inferior Einf sobre de la señal discreta
procesada Ux.
Preferiblemente, el valor absoluto de la histéresis para medios ciclos positivos y negativos de la forma de onda es igual al valor cuadrático medio del nivel RMSLev.
Preferiblemente, la longitud de la señal de tensión TL tiene un valor de tiempo en el dominio de tiempo de 0,2 s mínimo.
Un programa informático para la detección de la resonancia subsíncrona en sistemas de energía eléctrica con condensadores en serie, el cual programa informático se puede cargar y es ejecutable en una unidad de procesamiento de datos de un dispositivo de ordenador (8), y el cual programa informático al ser ejecutado mediante la unidad de procesamiento de datos del ordenador realiza el procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a
4.
El procedimiento de acuerdo con la presente invención se explica sobre la base de una realización presentada en el dibujo, donde:
La figura 1 muestra esquemáticamente un sistema de energía eléctrica con condensadores en serie y con un generador, la figura 2 muestra una forma de onda de la tensión del sistema de energía con frecuencia de resonancia subsíncrona antes de una demodulación, la figura 3 muestra una forma de onda de la señal discreta procesada, la figura 4 muestra una forma de onda de la señal demodulada con una frecuencia de resonancia subsíncrona, la figura 5 muestra un diagrama de flujo de las operaciones realizadas mientras se detecta la resonancia subsíncrona de acuerdo con la invención.
El sistema de energía eléctrica para la implementación del procedimiento de la invención se presenta en la figura 1. El sistema de energía eléctrica comprende una turbina-generador 1, que forma una parte mecánica del sistema, y líneas de transmisión de CA trifásicas conectadas a la turbina-generador, que junto con un transformador de alta tensión 2, las impedancias 3 de las líneas, los condensadores en serie 4, y los consumidores finales 5 de los sistemas de energía forman una parte eléctrica del sistema de energía. En cada fase de las líneas de transmisión trifásicas, entre el transformador 2 y los condensadores en serie 4, está conectado un transformador de tensión del condensador CVT 6 para medir la tensión de las líneas U1, U2, U3. Cada uno de los transformadores CVT 6 está conectado a través de un enlace de comunicación 7 con un dispositivo 8 para detectar e identificar el fenómeno de resonancia subsíncrona en la parte eléctrica del sistema de energía. El dispositivo 8 es un ordenador con una unidad de procesador para la implementación del procedimiento de detección SSR y puede ser una parte de un relé de protección o puede ser un dispositivo informático instalado separado del sistema. El dispositivo 8 incluye un convertidor analógico-digital 9 para la conversión de la señal analógica medida en una señal digital, una unidad de detección 10 de resonancia subsíncrona para la detección de SSR en las líneas de transmisión, una unidad de cálculo 11 y una unidad de almacenamiento 12 para el cálculo y la recogida de los datos procesados durante la operación, y dispositivos periféricos externos 13 para la visualización de los resultados de la detección de SSR. El convertidor analógico-digital 9 para la conversión de la señal analógica medida en una señal digital puede instalarse en un transformador CVT 6 lugar de en el dispositivo 8, que no se muestra en el dibujo.
El procedimiento de acuerdo con la invención se realiza tal como se representa en la figura 5 en las siguientes etapas.
Etapa S1
Determinación de la señal discreta UD a partir de la señal en línea media U.
La señal de tensión U1, U2, U3 de la línea de transmisión se mide mediante el transformador CVT 6 y se convierte en una señal discreta UD en el convertidor analógico-digital 9. La señal discreta UD consiste en el valor de la tensión ai de i muestras consecutivas. Para el proceso de conversión, se suministran algunos parámetros constantes al convertidor analógico-digital 9, y el proceso de conversión es bien conocido en la técnica.
El primer parámetro constante entregado al convertidor analógico-digital 9 es la frecuencia de muestreo Fs. Este parámetro define el número de muestras por segundo tomadas de la señal analógica U (la señal U se presenta en la figura 2 como la forma de onda). Usualmente, la frecuencia de muestreo se establece como 1 kHz mínimo, que es también una configuración por defecto para la invención presentada. La configuración de una frecuencia de muestreo inferior puede resultar en un cálculo erróneo.
El segundo parámetro constante suministrado al convertidor analógico-digital 9 es la longitud TL de la señal. Este parámetro presentado en la figura 2 define la longitud de una señal de tensión analógica U tomada para la conversión analógica-digital. Para producir resultados fiables de futuras etapas siguientes, el valor de la longitud de la señal TL debe ser igual a un periodo de la frecuencia subsíncrona más baja que pueda aparecer en el sistema de energía eléctrica. En la realización de la invención, el valor fue establecido como mínimo TL = 0,2 [s], que corresponde a 5 Hz de frecuencia subsíncrona de una línea de transmisión. La configuración de una longitud TL de la señal más corta pueden resultar en un cálculo erróneo.
El tercer parámetro constante suministrado al convertidor analógico-digital 9 es un valor procuadrático medio RMSLev que define la magnitud estadística de la señal discreta UD.
El valor RMSLev debe ser igual a la amplitud del nivel de ruido del transformador CVT 6, que es conocida para cada CVT específico. En futuras etapas a seguir, estos parámetros permiten distinguir el ruido de la señal discreta UD.
Etapa S2
Cálculo de la señal discreta procesada Ux y determinación de los puntos de cruce por cero para calcular las secuencias Tpoz1, TNeg1, ..., TPozN, TNegN, de respectivos intervalos de tiempo para la parte positiva Upoz y negativa UNeg de la señal discreta procesada Ux entre los puntos de cruce por cero.
En primer lugar, se calcula un valor de la media aritmética Xmedia de la señal discreta UD para la longitud de la señal TL - figura 2 de la siguiente manera:
donde ai es el valor de la tensión de la muestra i y n es el número de todas las muestras en la señal discreta UD. El número de muestras n es igual a la frecuencia de muestreo Fs multiplicada por la longitud de la señal TL.
A continuación, se calcula la señal discreta procesada Ux restando del valor promedio de Xmedia del valor de la tensión ai de cada punto de muestra de la señal discreta UD. Si no hay una resonancia subsíncrona, la señal discreta procesada Ux asigna la frecuencia nominal dominante de la línea de transmisión. Si hay ocurrencia subsíncrona, la señal discreta procesada Ux consiste en la frecuencia nominal de la línea de transmisión y los componentes de frecuencia subsíncronos.
Ux = ai – Xmedia (2)
para i = 1 ... n.
A continuación, se identifican los puntos de cruces por cero mediante la detección de cambios en el signo (+) o (-) de la señal discreta procesada Ux, figura 3. Siempre hay dos tipos de cruces por cero. Uno de los mismos es cuando el valor de la señal aumenta - cruce por cero positivo, el otro cuando el valor de la señal disminuye - cruce por cero negativo. El cruce por cero positivo (flecha B) se detecta cuando una señal discreta procesada Ux cambia su valor a de menos a más y cuando su valor es mayor que el valor de histéresis positiva establecido como el valor del valor cuadrático medio RMSLev, que es conocido para cada CVT 6 específico, marcado en la figura 3 como D. El cruce por cero negativo (flecha C) se detecta cuando una señal discreta procesada Ux cambia su valor de más a menos y cuando su valor es menor que el valor de histéresis negativa establecido como un valor negativo del valor cuadrático medio RMSLev, que es conocido para cada CVT 6 específico, marcado en la figura 3 como E. Las histéresis D y E se establecen para evitar la mezcla de cruces por cero con el ruido que siempre aparece en las señales recogidas de los sistemas de energía eléctricos reales.
Después de encontrar el primer punto de cruce por cero, que puede ser positivo o negativo, se encuentra el siguiente punto de cruce por cero, que es negativo o positivo, respectivamente, determinándose el intervalo de tiempo Tpoz1 o TNeg1 entre estos puntos de cruce por cero como un intervalo para el cálculo de la parte positiva Upoz (marcada en la figura 3 como línea de trazos) o la parte negativa UNeg (marcada en la figura 3 como línea continua) en relación con la señal discreta procesada Ux. Las secuencias de intervalos de tiempo consecutivos Tpoz1, TNeg1, ... TpozN, TNegN, respectivamente, para la parte positiva Upoz y la parte negativa UNeg de la señal discreta procesada Ux entre cruces por cero son el resultado de esta etapa.
Etapa S3
Cálculo de una señal demodulada UDem
En primer lugar, para cada Tpoz1, ..., TpozN, de intervalos de tiempo, respectivamente, para UPoz positiva a partir de la longitud de la señal igual al valor de TL, se calculan los valores máximos de la señal discreta procesada Ux y a continuación, a partir de los valores de dichos máximos, se crea la envolvente superior Esup de la señal discreta procesada Ux.
De manera similar, para cada TNeg1, ... , TNegN de intervalos de tiempo, respectivamente, para UNeg negativo a partir de la longitud de la señal igual al valor de TL, se calculan los valores mínimos de la señal discreta procesada Ux y a continuación, a partir de los valores de esos mínimos se crea la envolvente inferior Einf de la señal discreta procesada Ux.
A continuación, se calcula la señal demodulada UDem sumando los valores de la envolvente inferior Einf a los valores de la envolvente superior Esup.
UDem = Esup – Einf (3)
A diferencia de la señal discreta procesada Ux, la señal demodulada UDem no contiene la frecuencia nominal de la línea de transmisión.
Si se produce el fenómeno de resonancia subsíncrona, la señal discreta de demodulación UDem contiene una frecuencia de resonancia subarmónica que aparece como la dominante. Antes de la aparición del fenómeno de resonancia subsíncrona, la señal demodulada UDem es menor que el valor RMSLev. En el momento en que aparece la resonancia subsíncrona, la señal demodulada UDem excede del valor RMSLev.
Etapa S4
Detección de la presencia de la frecuencia de resonancia subsíncrona en la señal demodulada UDem
comparando el valor cuadrático medio RMS de la señal demodulada UDem con el valor de RMSLeV.
En primer lugar, se realiza el valor cuadrático medio RMS de la señal demodulada UDem. El valor RMS es la magnitud estadística de la señal discreta, los detalles de dicho cálculo son bien conocidos para los expertos en la técnica.
A continuación, el valor RMS se compara con el valor RMSLev que fue entregado como un parámetro en la primera etapa.
Si el valor RMS de UDem es menor que el valor RMSLev, eso significa que no se ha detectado ninguna frecuencia de resonancia subsíncrona en la señal demodulada UDem. En este caso, una amplitud de frecuencia de resonancia subsíncrona AFSS y la respectiva frecuencia fFss se considera igual a cero.
Si el valor RMS de la señal UDem es mayor o igual que el valor RMSLev, se realiza un análisis adicional en la etapa S5.
Etapa S5
Cálculo e identificación de la amplitud de tensión AFss y la frecuencia fFss, relacionadas con la resonancia subsíncrona
En primer lugar, se realiza el cálculo de la FFT (Transformada Rápida de Fourier) de la señal UDem. La operación de la FFT transforma la señal del dominio del tiempo en una señal en el dominio de la frecuencia; los detalles de dicho cálculo son bien conocidos para los expertos en la técnica.
A continuación, se calcula el valor más alto de una amplitud de tensión AFSS en una banda de espectro entre el 10 % y el 90 % de la frecuencia nominal de la línea de transmisión y se compara con el valor RMSLev.
Si el valor más alto de una amplitud de la tensión AFSS es menor que el valor de RMSLev, que significa que no se ha detectado ninguna frecuencia de resonancia subsíncrona (AFSS = 0, fFss = 0).
Si el valor más alto de una amplitud de tensión AFSS es mayor o igual que el valor de RMSLev, entonces el valor de la amplitud AFSS y la respectiva frecuencia fFss se considera resonancia subsíncrona.
Etapa 6
Visualización de la amplitud de resonancia subsíncrona como el valor más alto de una amplitud de tensión AFSS y/o la respectiva frecuencia fFss
En esta etapa, la amplitud de resonancia subsíncrona se muestra como el valor más alto de una amplitud de tensión AFSS y/o también se muestra la respectiva frecuencia de resonancia fFSS, utilizando medios bien conocidos para mostrar o imprimir los datos, conectados al dispositivo informático (8), que no se presenta en los dibujos.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento de detección de resonancia subsíncrona en sistemas de energía eléctrica con condensadores en serie, donde señales de tensión de los sistemas de energía eléctrica se miden en línea y donde mediante la búsqueda de puntos de cruce por cero de la señal discreta (40) de la tensión medida, se calculan los medios ciclos
    5 positivos y negativos de la forma de onda de la señal discreta (40) de la tensión en un dispositivo informático al que se suministran parámetros constantes por parte del usuario, caracterizado porque comprende las siguientes acciones:
    • crear una señal demodulada (UDem) de tensión mediante la adición del valor absoluto del valor mínimo del medio ciclo negativo de la forma de onda de una señal discreta procesada (UX) de la tensión al valor máximo
    10 del medio ciclo positivo de la forma de onda de la señal discreta procesada (UX) durante intervalos de tiempo que tienen una longitud de señal TL, donde TL es un parámetro constante, suministrado por el usuario, donde la señal discreta procesada (UX) se calcula restando un valor medio (Xmedio) del valor de la tensión (ai) de cada punto de muestra de la señal discreta (UD) y donde el valor medio (Xmedio) es el valor de la media aritmética de la señal discreta (UD) para la longitud de la señal TL,
    15 • calcular un valor cuadrático medio RMS para la señal demodulada de la tensión (UDem) y compararlo con el valor de otro parámetro constante suministrado por el usuario como el nivel del valor cuadrático medio RMSLev y cuando el valor de RMS es menor que el valor de RMSLev, indica que no hay resonancia subsíncrona, y cuando el valor de RMS es mayor que el valor de RMSLev, se identifica la presencia de resonancia subsíncrona mediante la determinación de la amplitud de la tensión (AFSS) de una resonancia subsíncrona y/o la frecuencia
    20 (fFSS) de una resonancia subsíncrona de la señal demodulada (UDem).
  2. 2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque durante la búsqueda de puntos de cruce por cero, se establecen dos histéresis para los medios ciclos positivos y negativos de la forma de onda para una determinación de secuencias de intervalos de tiempo consecutivos (TPoz1, TNeg1, ... TPozN, TNegN), respectivamente, para la parte positiva (UPoz) y negativa (UNeg) de la señal discreta procesada (UX) entre los puntos
    25 de cruce por cero para crear la envolvente superior (Esup) y la envolvente inferior (Einf) de la señal discreta procesada (UX).
  3. 3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque un valor absoluto de histéresis para los medios ciclos positivos y negativos de la forma de onda es igual al nivel del valor cuadrático medio RMSLev.
  4. 4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la longitud de la señal (TL) tiene un 30 valor de tiempo en el dominio de tiempo mínimo de 0,2 s.
  5. 5. Un programa informático que comprende medios para la detección de resonancia subsíncrona en sistemas de energía eléctrica con condensadores en serie, el cual programa informático se puede cargar y se puede ejecutar en una unidad de procesamiento de datos de un dispositivo informático (8) y el cual programa informático, cuando se ejecuta mediante la unidad de procesamiento de datos del ordenador, realiza el procedimiento de acuerdo con las
    35 reivindicaciones 1 a 4.
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