ES2913480T3 - Procedimiento de protección diferencial y dispositivo de protección diferencial - Google Patents

Abstract

Procedimiento de protección diferencial para la generación de una señal de error que indica un error en referencia a un componente primario (11) de una red de suministro de energía eléctrica, en el cual - mediante dispositivos de medición en al menos dos puntos de medición diferentes (lla-b) del componente primario (11) de la red de suministro de energía eléctrica se registran valores de medición de corriente; - los valores de medición de corriente se transmiten a un dispositivo de protección diferencial, que conforma un valor de corriente diferencial con los valores de corriente correspondientes entre sí de todos los dispositivos de medición al sumarlos con el signo correcto; y - mediante el dispositivo de protección diferencial se genera la señal de error cuando el valor de la corriente diferencial excede un valor umbral predeterminado; caracterizado porque - el valor de medición de corriente de al menos un dispositivo de medición se transmite al dispositivo de protección diferencial a través de una red de comunicaciones (16), en donde la red de comunicaciones (16) comprende nodos de red (40a-f) que están configurados para enviar mensajes de alta prioridad con respecto a los mensajes de baja prioridad, y en donde el valor de medición de corriente se transmite como un mensaje de alta prioridad; - se determina un parámetro Jitter que indica un máximo tiempo de transmisión posible del mensaje que contiene el valor de medición de corriente; y - el dispositivo de protección diferencial deriva el valor del valor umbral en función del parámetro Jitter.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de protección diferencial y dispositivo de protección diferencial

La presente invención hace referencia a un procedimiento de protección diferencial para la generación de una señal de error que indica un error en referencia a un componente primario de una red de suministro de energía eléctrica, en el cual mediante dispositivos de medición en al menos dos puntos de medición diferentes del componente primario de la red de suministro de energía eléctrica se registran valores de medición de corriente; los valores de medición de corriente se transmiten a un dispositivo de protección diferencial, que conforma un valor de corriente diferencial con los valores de corriente correspondientes entre sí de todos los dispositivos de medición al sumarlos con el signo correcto; y mediante el dispositivo de protección diferencial se genera la señal de error cuando el valor de la corriente diferencial excede un valor umbral predeterminado.

La presente invención también hace referencia a un dispositivo de protección diferencial para la ejecución de un procedimiento de protección diferencial.

Los dispositivos de protección diferencial se utilizan para el monitoreo de diferentes componentes primarios de las redes de suministro de energía eléctrica, como, por ejemplo, líneas, cables, barras colectoras y transformadores. La corriente eléctrica que fluye en los puntos de medición se registra en al menos dos puntos de medición diferentes del componente primario monitoreado y se suministra al dispositivo de protección diferencial. El dispositivo de protección diferencial conforma valores de corriente diferencial a partir de los valores de medición de corriente al sumarlos con el signo correcto, en donde dichos valores de corriente diferencial se utilizan para evaluar la situación operativa del componente primario monitoreado. En el caso sin errores, los valores de corriente diferencial se encuentran en un rango cercano a cero, ya que, en pocas palabras, la corriente que fluye hacia el componente también sale nuevamente por completo de él. Cuando, por el contrario, se presentan valores de corriente diferencial que exceden un valor umbral distinto de cero, esto indica un estado operativo defectuoso, por ejemplo, un cortocircuito interno. En este caso, la corriente diferencial presente se debe interrumpir abriendo dispositivos de conmutación que limitan el componente primario, por ejemplo, interruptores de potencia. Para ello, el dispositivo de protección diferencial genera una señal de error correspondiente, que hace que el dispositivo de conmutación abra sus contactos de conmutación.

En el caso de un componente primario con extremos muy distantes entre sí, por ejemplo, una línea de varios kilómetros de largo, los valores de medición de corriente se deben transmitir, por ejemplo, a lo largo de una ruta más larga. En un caso así, por lo general se dispone un dispositivo de protección diferencial separado en cada extremo del componente primario, que conforma el respectivo valor de corriente diferencial a partir de sus propios valores de medición de corriente (registrados localmente) y los valores de medición de corriente recibidos del otro extremo del componente primario. Además, en el caso de un componente primario con múltiples extremos, por ejemplo, una línea ramificada, se requieren valores de medición de corriente de cada uno de los extremos para que el procedimiento de protección diferencial se ejecute correctamente. Para ello, los valores de medición de corriente registrados localmente en los respectivos puntos de medición se deben transmitir entre los dispositivos de protección diferencial individuales.

Por lo tanto, para evaluar la situación operativa del componente primario se requieren valores de medición de corriente de al menos dos puntos de medición diferentes en los respectivos extremos del componente primario monitoreado. En los sistemas de protección diferencial existentes, los valores de medición a menudo se transmiten a través de una conexión punto a punto cableada (por ejemplo, líneas de fibra óptica), por lo cual se logra una transmisión determinista, es decir, el tiempo de transmisión de los valores de medición depende principalmente de la ruta de transmisión y del tipo de transmisión y es esencialmente constante.

De la solicitud alemana DE 23 39931 A1, se conoce, por ejemplo, un sistema de protección diferencial, en el cual los valores de medición de corriente se transmiten en forma de señales de corriente analógicas a través de líneas de conexión eléctricas a un dispositivo de protección diferencial. El valor de corriente diferencial se conforma a través de un transformador de medición de corriente, al que se suministran adecuadamente los valores de medición de corriente. La patente europea EP 1071 961 B1 también revela un procedimiento de protección diferencial para una línea que presenta una pluralidad de extremos, en el cual los valores de medición de corriente se transmiten a través de líneas de datos entre dispositivos de protección diferencial dispuestos en los respectivos puntos de medición. Finalmente, de la solicitud US 2011/063766 A1 se conoce un procedimiento de protección diferencial en el cual es posible conmutar entre sincronización externa y basada en canales de los relojes en los dispositivos de protección diferencial.

Con los sistemas de protección diferencial más recientes, los valores de medición de corriente se transmiten a través de una red de comunicaciones en lugar de a través de un cableado. Esto ofrece la ventaja de una infraestructura de comunicaciones más rentable. Además, las redes de comunicaciones a menudo ya están presentes en las proximidades de los componentes eléctricos primarios, por ejemplo, entre las así denominadas como subestaciones de una red de suministro de energía, y se pueden utilizar para transmitir valores de medición de corriente sin costes adicionales.

Al utilizar redes de comunicaciones para la transmisión de los valores de medición de corriente, por otro lado, a menudo se suprime la ventaja del tiempo de transmisión determinista, por lo cual surge un problema con respecto a la asociación de los valores de medición de corriente medidos que se corresponden entre sí. En este caso, los valores de medición locales y los recibidos se deben sincronizar temporalmente de tal manera que los valores de medición registrados en el mismo momento se comparen entre sí al conformar el valor diferencial. Cuando, por ejemplo, como resulta posible en un sistema de comunicación determinista, se conoce el respectivo tiempo de transmisión de los valores de medición de corriente, el respectivo momento en el que se registraron los valores medidos se puede determinar calculando la diferencia entre el momento en que los datos medidos se recibieron en el dispositivo de protección diferencial local y el tiempo de transmisión conocido. En los sistemas de comunicaciones no deterministas, por ejemplo, el caso de las redes Ethernet, existen problemas, por ejemplo, porque el tiempo de transmisión no es constante o porque se producen diferencias en el tiempo de transmisión en las direcciones de ida y vuelta.

Tales incertidumbres en el ajuste temporal de los respectivos valores de medición de corriente pueden conducir a un funcionamiento excesivo del dispositivo de protección diferencial, ya que la adición con signos correctos de valores de medición que no corresponden juntos conforma un valor de corriente diferencial que especifica un error en referencia al componente primario, que, sin embargo, no está realmente presente. Esto puede generar activaciones incorrectas que perjudiquen el correcto funcionamiento de la red de alimentación eléctrica.

Esto podría remediarse, por ejemplo, sincronizando los temporizadores internos de los dispositivos de medición y el dispositivo de protección diferencial entre sí a través de un sistema de temporizador externo, por ejemplo, utilizando la señal de tiempo contenida en la señal GPS. Sin embargo, esto requiere sistemas de recepción especiales, por ejemplo, receptores GPS, que incrementan el precio del dispositivo.

El objeto de la presente invención consiste en especificar una posibilidad lo más rentable posible con la cual se pueda ejecutar un procedimiento de protección diferencial de la forma más fiable posible incluso cuando los valores de medición de corriente se transmiten a través de una red de comunicaciones no determinista.

Para resolver dicho objeto, se desarrolla un procedimiento de la clase mencionada en la introducción en el cual el valor de medición de corriente de al menos un dispositivo de medición se transmite al dispositivo de protección diferencial a través de una red de comunicaciones, en donde la red de comunicaciones comprende nodos de red que están configurados para enviar mensajes de alta prioridad con respecto a los mensajes de baja prioridad, y en donde el valor de medición de corriente se transmite como un mensaje de alta prioridad. Se determina un parámetro Jitter, que indica un máximo tiempo de transmisión posible para el mensaje que contiene el valor de medición de corriente, y el dispositivo de protección diferencial deriva el valor del valor umbral en función del parámetro Jitter. En primer lugar, la invención se basa en el conocimiento de que en una red de comunicaciones entre un emisor y un receptor existen diferentes tiempos de transmisión, en particular, debido a mensajes de baja prioridad que bloquean el tráfico de datos de mensajes de alta prioridad. Incluso cuando se utiliza una red de comunicaciones que incluye un mecanismo de control (por ejemplo, el así denominado como "QoS" - del inglés: Quality of Service: calidad de servicio) con el que se prefiere la transmisión de mensajes de mayor prioridad a la transmisión de mensajes de menor prioridad; por lo general, un mensaje de alta prioridad no interrumpe el proceso de envío de un mensaje de baja prioridad, sino que simplemente se coloca al principio de la cola de envío (es decir, la "cola" de mensajes a enviar). Esto puede provocar lo que se conoce como "Jitter", es decir, un tiempo de transmisión variable de los mensajes que contienen el valor de medición de corriente, incluso cuando los mismos se transmiten a través de la misma ruta de transmisión física en la red.

En este contexto, la presente invención propone adaptar la sensibilidad de la detección de errores a través del dispositivo de protección diferencial a un grado de incertidumbre respecto al tiempo de transmisión del mensaje con el valor de medición de corriente. De esta manera, la sensibilidad de la detección de errores se puede reducir en particular cuando existe un alto grado de incertidumbre con respecto al tiempo de transmisión del mensaje, es decir, un amplio rango en el que puede fluctuar el tiempo de transmisión. Por otro lado, la sensibilidad de la detección de errores se puede aumentar siempre que el tiempo de transmisión no esté sujeto a ninguna fluctuación o solo a fluctuaciones menores. De esta forma, las diferencias en el tiempo de transmisión se pueden compensar ajustando correspondientemente la sensibilidad de la detección de errores, es decir, ajustando el valor umbral.

De acuerdo a la invención, el grado de incertidumbre del tiempo de transmisión se especifica mediante el parámetro Jitter, que indica el máximo tiempo de transmisión posible del mensaje.

La forma en que se ajusta el valor umbral puede basarse en particular en la siguiente consideración: Idealmente, las curvas (idealmente sinusoidales) de las evoluciones de los valores de medición de corriente de los puntos de medición individuales que coinciden con precisión entre sí en términos de tiempo se encuentran directamente superpuestas, de modo que, en cada caso, del cálculo de la diferencia resulta el valor cero. Debido al retraso de tiempo en la transmisión del mensaje, las curvas se desplazan una contra la otra a lo largo del eje del tiempo, de modo que las curvas ya no se superponen exactamente y surge una desviación que se debe únicamente al tiempo de transmisión del mensaje. Por lo tanto, una duración de transmisión máxima determinada puede convertirse directamente en un desplazamiento de las curvas entre sí. En consecuencia, esto da como resultado una desviación de los valores a lo largo del eje de la corriente, de modo que el error de lectura causado por el desplazamiento temporal de las curvas se puede determinar directamente. Por lo tanto, el valor umbral se debe seleccionar considerando la desviación en los valores de medición de corriente causada por el desplazamiento temporal de las curvas en referencia a la detección de errores.

El dispositivo de medición y el dispositivo de protección diferencial con frecuencia se combinan en un dispositivo de protección diferencial común. En este caso, el parámetro Jitter se determina para aquellos mensajes que se transmiten a través de la red de comunicaciones desde el dispositivo de medición del dispositivo de protección diferencial al dispositivo de protección diferencial de otro dispositivo de protección diferencial, mientras que para la transmisión interna del dispositivo de los valores de medición de corriente locales desde el dispositivo de medición de un dispositivo de protección diferencial a su dispositivo de protección diferencial, el tiempo de transmisión se considera insignificante y además constante. Sin embargo, también existe la posibilidad de proporcionar en los puntos de medición sólo dispositivos de medición (por ejemplo, dispositivos de medición de puntero, las así denominadas como "unidades de medición de fasores" - "Phasor Measurement Units"-), que envíen sus valores de medición a un dispositivo de protección diferencial central.

Una forma de ejecución ventajosa del procedimiento conforme a la invención prevé que para comprobar si el valor de la corriente diferencial excede el valor umbral predeterminado, los valores de estabilización también se conformen a partir de los valores de medición de corriente de los puntos de medición individuales y en el marco de una prueba de rango de activación se verifique si un par de valores de medición conformados usando un valor de corriente diferencial y un respectivo valor de estabilización correspondiente se encuentra en un rango de activación predeterminado y un exceso del valor umbral cuando el par de lecturas está dentro del rango de activación.

Como en la práctica no existen condiciones ideales y el valor de la corriente diferencial generalmente no asume exactamente el valor cero incluso en el caso de que no haya errores, resulta conveniente utilizar un valor de comparación adecuado como valor umbral para el valor de la corriente diferencial. Para este propósito, se utiliza el así denominado como valor de estabilización, que se calcula de manera diferente según el componente primario. Por ejemplo, en el caso de la protección diferencial de línea, el valor de estabilización resulta de la suma de las magnitudes de los valores de medición de corriente en los respectivos extremos de línea. El uso de un valor de estabilización en la protección diferencial es en sí conocido. Cuando en un diagrama de activación se registra un valor de corriente diferencial y un correspondiente valor de estabilización que además presenta una curva característica que separa un rango de activación de un rango normal, entonces el respectivo par de valores de medición está dentro o fuera del rango de activación definido mediante la curva característica. De esta manera, al evaluar la posición del par de valores de medición, se puede tomar una decisión con respecto a la conformación de la señal de error: la señal de error se genera cuando el par de valores de medición está dentro del rango de activación especificado. En este caso, la curva característica representa un valor umbral cuyo valor se define en función del valor de estabilización.

De acuerdo con una forma de ejecución ventajosa del procedimiento conforme a la invención está previsto que el valor del valor umbral aumente a medida que se incremente el valor del parámetro Jitter.

De esta manera se consigue que la sensibilidad de la detección de errores se reduzca cuando existe un alto grado de incertidumbre con respecto al tiempo de transmisión del mensaje. Por otro lado, de esta manera se puede aumentar la sensibilidad de la detección de errores, siempre que el tiempo de transmisión no esté sujeto a ninguna o sólo a fluctuaciones menores.

Cuando se utiliza un valor umbral simple, su valor se puede ajustar fácilmente en función del parámetro Jitter. En la forma de ejecución descrita anteriormente en referencia a la verificación del rango de activación, en la cual el valor umbral no consta de un solo valor, el valor umbral se puede determinar adaptando la curva característica en el diagrama de activación o cambiando el cálculo del valor de estabilización - por ejemplo, mediante el uso de un factor previo variable - con la curva característica invariable.

Con respecto al valor umbral, puede estar previsto de una manera no conforme a la invención que el parámetro Jitter se determine, por ejemplo, cuando se inicia el sistema de protección diferencial y eventualmente también en el caso de cambios significativos, y mostrar al personal encargado de la puesta en servicio del dispositivo de protección diferencial, de modo que el valor del valor umbral se pueda adoptar manualmente como parámetro en la configuración del dispositivo. Sin embargo, según la invención, también existe la posibilidad de una recepción automática de parámetros; en este caso, el dispositivo de protección diferencial está provisto del parámetro Jitter, a partir del cual el dispositivo de protección diferencial deriva entonces un valor para el valor umbral.

Según una forma de ejecución alternativa del procedimiento conforme a la invención, en particular, cuando el valor umbral se transfiere automáticamente al dispositivo de protección diferencial, la determinación del parámetro Jitter se puede realizar repetidamente y la determinación del valor umbral, dinámicamente en función del valor respectivamente determinado del parámetro de Jitter.

De esta manera, el valor umbral también se puede actualizar automáticamente, sin necesidad de una intervención manual, cuando cambia el comportamiento de transmisión de la red de comunicaciones, por ejemplo, cuando hay un cambio en la topología, cuando se reemplaza un nodo de red o cuando hay un aumento en el ancho de banda. Otra forma de ejecución ventajosa del procedimiento conforme a la invención está previsto que para determinar el parámetro Jitter, se determinen aquellos nodos de red que se encuentran a lo largo de la ruta del mensaje que contiene el valor de medición de corriente entre el dispositivo de medición y el dispositivo de protección diferencial; se determine un tiempo máximo de permanencia del mensaje en el respectivo nodo de red; y que el tiempo máximo de transmisión del mensaje se determine como la suma de los tiempos máximos de permanencia del mensaje en todos los nodos de red determinados.

De esta manera, el tiempo de transmisión máximo se reduce al "tiempo de espera" o al tiempo de permanencia de los mensajes de alta prioridad con los valores de medición de corriente en los nodos de red individuales. Como ya se mencionó, este tiempo de permanencia surge cuando el mensaje de alta prioridad llega a un nodo de la red en el cual ya se está enviando un mensaje de baja prioridad (o un mensaje con el mismo nivel de alta prioridad) y dicho envío no se aborta. Después de completar el proceso de transmisión del mensaje de baja prioridad, el nodo de red envía el mensaje de alta prioridad con el valor de medición de corriente. Por otra parte, el tiempo de transmisión resultante de las longitudes de las líneas se puede omitir en la determinación el parámetro Jitter, ya que éste no presenta un componente variable y por lo tanto suele considerarse como un desplazamiento temporal fijo en el dispositivo de protección diferencial que recibe el mensaje.

En este contexto, según otra forma de ejecución ventajosa del procedimiento conforme a la invención puede estar previsto que la duración máxima de permanencia de un mensaje en un nodo de red se determine a partir del mayor tamaño de mensaje posible de un mensaje a enviar a través del nodo de red y de la velocidad de transmisión a la que se envía dicho mensaje a través del nodo de red.

La información sobre el mayor tamaño posible de mensaje (también conocido como tamaño de paquete o tamaño de trama) en bytes y la velocidad de transmisión se pueden determinar, por ejemplo, utilizando el protocolo LLDP (del inglés: Link Layer Discovery Protocol: Protocolo de descubrimiento de capa de enlace). Este protocolo prevé que los nodos de la red adyacentes intercambien mensajes de estado entre sí, que, entre otras cosas, comprenden las informaciones requeridas. Por ejemplo, cuando la red de comunicaciones está diseñada como una red compatible con Ethernet, lo habitual es un tamaño máximo de mensaje de 1518 bytes. Las velocidades de transmisión convencionales se encuentran, por ejemplo, en los 100 MBit/s o 1000 MBit/s.

Finalmente, en este contexto, otra forma de ejecución del procedimiento conforme a la invención prevé que para determinar aquellos nodos de red que se encuentran a lo largo de la ruta del mensaje que contiene el valor de medición de corriente entre el dispositivo de medición y el dispositivo de protección diferencial se implemente un algoritmo de optimización de rutas, que resulta adecuado para resolver un problema del viajante (Traveling-Salesman-Problem).

Dichos algoritmos de optimización se utilizan en diferentes áreas de la ingeniería de software y están diseñados para determinar la conexión más corta posible entre dos puntos de referencia, considerando cualquier número de otros puntos de referencia intermedios. En el presente caso, el algoritmo determina así la conexión más corta entre el dispositivo de medición y el dispositivo de protección diferencial a lo largo de los nodos de red de la red de comunicaciones. Cuando la red corresponde, por ejemplo, al estándar Ethernet, entonces sólo existe una única conexión física o lógica. Cuando, por ejemplo por razones de redundancia, debieran permitirse múltiples conexiones, todas estas conexiones deben determinarse como rutas posibles y usarse para determinar el parámetro Jitter.

El objeto antes mencionado también se consigue mediante un dispositivo de protección diferencial para la generación de una señal de error que indica un error en referencia a un componente primario de una red de suministro de energía eléctrica, según el concepto general de la reivindicación 8. Conforme a la invención está previsto que el valor de medición de corriente de al menos un dispositivo de medición se transmite al dispositivo de protección diferencial a través de una red de comunicaciones, en donde la red de comunicaciones comprenda nodos de red que estén configurados para enviar mensajes de alta prioridad con respecto a los mensajes de baja prioridad, y en donde el valor de medición de corriente se transmita como un mensaje de alta prioridad; que se determine un parámetro Jitter que indique un máximo tiempo de transmisión posible del mensaje que contiene el valor de medición de corriente; y el dispositivo de protección diferencial esté configurado para derivar el valor del valor umbral en función del parámetro Jitter.

En referencia a las ventajas del dispositivo de protección diferencial conforme a la invención, se remite a las ventajas descritas con respecto al procedimiento conforme a la invención. El dispositivo de protección diferencial conforme a la invención está configurado para la ejecución cada forma de ejecución del procedimiento conforme a la invención, por lo cual todo lo dicho sobre el procedimiento también puede estar relacionado con el dispositivo de protección diferencial.

A continuación, la presente invención se explica en detalle de acuerdo con un ejemplo de ejecución. Las figuras muestras:

Figura 1: una vista esquemática de una línea de alimentación eléctrica de una red de alimentación eléctrica supervisada por dos dispositivos de protección diferencial.

Figura 2: una vista esquemática de un diagrama de activación que puede ser utilizado por un dispositivo de protección diferencial para la detección de errores.

Figura 3: una vista esquemática de la evolución en el tiempo de dos valores de medición de corriente para explicar la determinación del valor umbral.

Figura 4: una vista esquemática de dos dispositivos de protección diferencial conectados a través de una red de comunicaciones.

La figura 1 muestra una parte 10 de una red de suministro de energía eléctrica, que no será mostrada con mayor detalle. En la sección 10 está dispuesto un componente primario 11 que puede consistir, por ejemplo, en una línea aérea eléctrica trifásica de la red de suministro de energía eléctrica. Aunque según la figura 1 se muestra un componente primario trifásico 11 con sólo dos extremos 11a o 11b, el procedimiento que se describe a continuación también se puede utilizar con cualquier componente primario monofásico o multifásico con dos o más extremos, por ejemplo, barras eléctricas con múltiples ramales.

El componente primario 11 es monitoreado en su primer extremo 11a a través de un primer dispositivo de protección diferencial 12a y en su segundo extremo 11b a través de un segundo dispositivo de protección diferencial 12b. Para ello, se detectan señales de corriente eléctrica para cada fase 13a, 13b, 13c del componente primario 11 con primeros transformadores de corriente 14a en un primer punto de medición en el primer extremo 11a del componente primario 11 y con segundos transformadores de corriente 15a, 15b y 15c en un segundo punto de medición en el segundo extremo 11b del componente primario 11. Los valores de medición de corriente digitales se generan a partir de las señales de corriente analógicas. Los valores de medición de corriente pueden estar configurados, por ejemplo, como valores de medición de puntero de corriente que indican la amplitud y el ángulo de fase de la señal de corriente en el momento de la detección. Los valores de medición de corriente digitales se pueden determinar bien en los transformadores de corriente mismos, en los dispositivos de protección diferencial 12a, 12b o bien en un adecuado dispositivo de medición separado, por ejemplo, una unidad de medición fasorial (PMU, del inglés: Phasor Measurement Unit), una unidad terminal remota (RTU, del inglés: Remote Terminal Unit) o una unidad de fusión (Merging Unit). Para la detección y/o conformación de los valores de medición de corriente, los dispositivos de protección diferencial 12a, 12b presentan dispositivos de medición que no se muestran en la figura 1. Los valores de medición de corriente generados se suministras después a un dispositivo de protección diferencial (no mostrado explícitamente en la figura 1) que, en el ejemplo de ejecución según la figura 1, está integrado de la misma manera que el dispositivo de medición en los respectivos dispositivos de protección diferencial y que presenta, por ejemplo, una CPU o un procesador de señales, y que está configurado para ejecutar el software del dispositivo que especifica un algoritmo de protección diferencial.

Los dispositivos de protección diferencial 12a y 12b están conectados entre sí a través de una red de comunicaciones 16, representada sólo esquemáticamente en la figura 1, que puede tratarse, por ejemplo, de una red de comunicaciones Ethernet. Sin embargo, también se puede utilizar cualquier otra red de comunicaciones de cualquier tipo para conectar los dispositivos de protección diferencial 12a y 12b. La red de comunicaciones 16 presenta múltiples nodos de red que están configurados para enviar mensajes de diferentes prioridades con diferentes preferencias. Los detalles de un ejemplo de ejecución de la red de comunicaciones 16 se explican más adelante en relación con la figura 3. La red de comunicaciones 16 puede proveer al otro dispositivo de protección diferencial 12a o 12b sus propios valores de medición de corriente, es decir, que en cada dispositivo de protección diferencial 12a o 12b se pueden conformar, para cada fase 13a, 13b, 13c del objeto protegido 11, pares de valores de medición de corriente registrados en ambos extremos 11a y 11b.

En base a los valores de corriente medidos de ambos extremos 11a y 11b del componente primario 11, disponibles en los dos dispositivos de protección diferencial 12a y 12b, en uno o ambos dispositivos de protección diferencial 12a o 12b se puede conformar a través del dispositivo de protección diferencial una diferencia en las magnitudes de los valores de corriente por fase (o bien una suma con el signo correcto) como un valor de corriente diferencial I^diff y compararla con un valor umbral.

Cuando el componente primario 11 está libre de fallas, la corriente eléctrica que ingresa al objeto protegido 11 por cada fase es igual a la corriente que sale del objeto protegido 11, de modo que la diferencia entre las magnitudes de los valores de corriente (o su suma con el signo correcto) tendría que asumir el valor cero. En realidad, sin embargo, el valor de medición de corriente prácticamente nunca asume exactamente el valor cero de forma permanente, incluso aunque no se presenten fallas, sino que se encuentra por debajo de un valor umbral predeterminado. El efecto descrito es causado, por ejemplo, por imprecisiones del convertidor, errores de medición y una sincronización temporal imprecisa de los dispositivos de protección diferencial 12a, 12b. Además, juegan un papel importante cuando se utilizan redes de comunicaciones no deterministas para transmitir los valores de medición de corriente y las diferencias en el tiempo de transmisión ("Jitter") en la transmisión de los valores de medición de corriente al otro dispositivo de protección diferencial 12a, 12b. Estas diferencias en el tiempo de transmisión no son constantes sino que pueden variar para cada mensaje que transmita un valor de medición de corriente.

El valor umbral se puede establecer como un único parámetro. Sin embargo, también puede estar previsto comprobar un exceso del valor umbral mediante la evaluación de la posición de un par de valores de medición del valor de corriente diferencia I^diff y de un correspondiente valor de estabilización I^stab en un diagrama de activación. Para ello, los valores de corriente diferencial I^diff y los correspondientes valores de estabilización I^stab se conforman a partir de valores de medición de corriente que se corresponden, es decir, que se registran simultáneamente, y en el diagrama de activación se verifica la posición del par de valores de medición que consisten en un valor de corriente diferencial y un valor de estabilización. Cuando el par de valores de medición se encuentra dentro de un rango de activación, se deduce una falla con respecto al componente primario monitoreado y se genera la señal de error.

Cuando el valor de corriente diferencial para una determinada fase excede el valor umbral especificado, esto indica una falla con respecto a la fase en cuestión del componente primario 11, que consiste, por ejemplo, en una falla a tierra o un cortocircuito bifásico o multifásico, es decir, un cortocircuito entre dos o más fases del componente primario. Para esa fase en la que se detectó la falla, los dispositivos de protección diferencial 12a y 12b emiten una correspondiente señal de activación a través de las líneas de control 17a, 17b a los interruptores de potencia conmutables de fase selectiva 18 o 19, como resultado de lo cual el correspondiente interruptor de potencia relacionado con la fase 18a, 18b, 18c o 19a, 19b, 19c permite la apertura de sus contactos de conmutación y la fase 13a, 13b, 13c afectada por el error se separa del resto de la red de suministro de energía eléctrica.

Cuando, por ejemplo, hay una falla a tierra en la fase 13b, los dispositivos de protección diferencial 12a o 12b lo detectan en función de un valor de corriente diferencial que excede el respectivo valor umbral y emiten señales de activación a los interruptores automáticos relacionados con la fase 18b o 19b respectivamente, para separar la fase 13b del componente primario 11 de la red de suministro de energía eléctrica.

Para considerar también de manera eficiente las proporciones de la duración de transmisión variable del mensaje que contiene un valor de medición de corriente cuando se transmite a través de la red de comunicaciones 16, el valor umbral también se determina en función de un parámetro Jitter que especifica la máxima duración de la transmisión posible. Cuando existe un alto nivel de incertidumbre con respecto a la duración de la transmisión, es decir, el tiempo de transmisión de cada mensaje, para cada mensaje se puede asumir cualquier valor arbitrario, no predeterminable dentro de un rango de tiempo comparativamente grande, entonces, el valor umbral se debe dimensionar de manera que la detección de errores se realice con una sensibilidad correspondientemente menor para evitar incorrectas activaciones innecesarias. Por otro lado, cuando el tiempo de transmisión máximo especificado a través del parámetro Jitter se puede limitar a un rango comparativamente reducido, se puede utilizar una sensibilidad correspondientemente mayor.

Cuando se utiliza un único valor como valor de umbral, la dependencia se puede realizar comparativamente de manera sencilla. Por lo general, sin embargo, para la detección de errores en la protección diferencial se realiza la verificación de rango de activación mencionada anteriormente. El ajuste del valor umbral para el último caso se explica con mayor detalle a continuación con referencia a la figura 2.

Para ello, la figura 2 muestra un diagrama de activación simplificado 20 en el cual se pueden introducir pares de valores de medición compuestos por valores de corriente diferencial I^diff correspondientes respectivamente a valores de estabilización I^stab. Además, el diagrama de activación 20 contiene una curva característica 21, cuya evolución delimita un rango de activación 22 de un rango normal 23.

Los pares de valores de medición se determinan mediante el dispositivo de protección diferencial del respectivo dispositivo de protección diferencial (12a, 12b), en donde para el ejemplo de ejecución de la figura 1, el valor de corriente diferencial I^diff para cada fase se calcula según la siguiente ecuación:

En este caso, I^a representa el valor de medición de corriente de una determinada fase en el primer punto de medición 11a mientras que I^b indica el valor de medición de corriente de la misma fase en el segundo punto de medición 11b. Para más de dos puntos de medición, la ecuación anterior se debe ampliar para incluir los términos correspondientes.

El valor de estabilización I^stab se determina en función del tipo de componente primario. Para el caso cuando el componente primario 11 de la figura 1 se trata de una línea eléctrica, el valor de estabilización I^stab para cada fase se calcula para este ejemplo de ejecución según la siguiente ecuación:

= I J-a I I I b I -En base a la posición de un par de valores de medición en el diagrama de activación 20, el dispositivo de protección diferencial toma una decisión sobre si existe o no un error en el componente primario. Por ejemplo, cuando un par de valores de medición 24 está dentro del rango normal 23 indica un estado de funcionamiento sin errores, mientras que un par de valores de medición 25 que está por encima de la curva característica 21 en el rango de activación 22 indica un error con respecto al componente primario.

Para determinar el valor de corriente diferencial I^diff y el valor de estabilización I^stab, el dispositivo de protección diferencial tiene que utilizar valores de medición de corriente correspondientes I^a y I^b, es decir, valores de medición de corriente que se registraron en el mismo momento. Sin embargo, debido a la variabilidad de la duración de transmisión de los mensajes que contienen los valores de medición de corriente en la red de comunicaciones 16, puede suceder que los momentos de detección de los valores de medición de corriente I^a y I^b, utilizados no coincidan exactamente, dando como resultado un error en la determinación de las variables I^diff e I^stab. Por lo tanto, el umbral utilizado se puede ajustar en función del parámetro Jitter que indica el tiempo máximo de transmisión. Cuando se utiliza un diagrama de activación, esto se puede realizar, por ejemplo, adaptando de manera correspondiente la evolución de la curva característica 21. Esto está indicado en la figura 2 mediante una segunda curva característica 26 que en comparación con la curva característica 21 es más inclinada. Como resultado, el rango de activación 22 se reduce y la detección de errores es correspondientemente menos sensible. Por lo tanto, cuanto mayor sea el parámetro Jitter (y, por lo tanto, el tiempo máximo de transmisión), la curva característica debería asumir una evolución más pronunciada.

En el ejemplo de la figura 2, después de adaptar la curva característica 21 a la evolución de la curva característica 26, el par de valores de medición 25 ya no estaría dentro del rango de activación 22, sólo un par de valores de medición 27 con una proporción comparativamente más alta de corriente diferencial estaría de nuevo en el rango de activación.

Otra posibilidad para el ajuste del valor umbral al utilizar la verificación del rango de activación consiste en influenciar la porción de valor de estabilización del par de valores de medición. Para ello, la ecuación anterior para determinar el valor de estabilización I^stab se puede modificar de la siguiente manera:

El factor K añadido se determina en función del parámetro Jitter y tiene un efecto correspondiente sobre el valor de estabilización. Con un factor K ascendente, la detección de errores se ajusta correspondientemente menos sensible. Esto se muestra en la figura 2 como ejemplo utilizando el par de valores de medición 25: Cuando, en este caso, el valor de estabilización está influenciado por un factor K > 1, la posición del par de valores de medición 25 se desplaza a lo largo de la línea discontinua a la nueva posición del par de valores de medición 28 mientras que la I^diff permanece igual.

Por lo tanto, se puede afirmar que para adaptar el valor umbral al utilizar una verificación del rango de activación, o bien se puede adaptar la evolución de la curva característica en el diagrama de activación o el tipo de cálculo del valor de estabilidad.

Con referencia a la figura 3, a continuación se explicará brevemente cómo se puede ajustar el valor umbral cuando se conoce el parámetro Jitter. Al respecto, la figura 3 muestra un diagrama con una primera evolución de una curva 31 descrita mediante valores de medición de corriente sucesivos I^a del primer punto de medición 11a y una segunda evolución de una curva 32 descrita mediante valores de medición de corriente sucesivos I^b del segundo punto de medida 11b. Al determinar el ajuste del valor umbral, se puede utilizar, en particular, la siguiente consideración: De manera ideal, las dos curvas 31 y 32 se encuentran directamente una encima de la otra, siempre que sus evoluciones coincidan temporalmente con exactitud. Al conformar la diferencia, en cada caso el resultado sería el valor cero.

Para la siguiente explicación se supone que el valor de corriente diferencial I^diff y el valor de estabilización I^stab se determinan a través del dispositivo de protección diferencial integrado en el dispositivo de protección diferencial 12b. Por lo tanto, el valor de medición de corriente I^a necesario en cada caso se debe transmitir al dispositivo de protección diferencial 12b a través de la red de comunicaciones 16. Debido al retardo de tiempo en la transmisión del mensaje I^a que contiene el valor de medición de corriente, la curva 31 se desplaza a lo largo del eje del tiempo contra la curva 32, de modo que las curvas 31 y 32 ya no se superponen exactamente y el tiempo máximo de transmisión da como resultado una desviación At que sólo se debe a la duración de la transmisión del mensaje que contiene el respectivo valor de medición de corriente I^a . De este modo, una máxima duración de transmisión determinada se puede convertir directamente en un desplazamiento de las curvas entre sí. Esto da como resultado una correspondiente desviación AI de los valores a lo largo del eje de la corriente, por lo cual esta desviación de corriente no es la misma en todos los puntos debido a la evolución sinusoidal característica de las curvas. Como estimación del peor de los casos, por ejemplo, se debe utilizar la mayor desviación posible A I para determinar el ajuste del valor umbral; eventualmente también puede ser posible utilizar una desviación media A I. En resumen, el error de lectura resultante del desplazamiento temporal de las curvas con respecto al valor de medición de corriente se puede determinar directamente. El valor umbral se debe seleccionar de tal manera que la desviación AI de los valores de corriente causada por el desplazamiento de tiempo de las curvas se compense con respecto a la detección de errores.

Finalmente, la figura 4 muestra un ejemplo de ejecución de un procedimiento para determinar el parámetro Jitter. Para ello, en la figura 4 se muestran los dos dispositivos de protección diferencial 12a y 12b así como la red de comunicaciones 16, en donde la representación de la red de comunicaciones 16 se presenta con más detalle que en la figura 1. La red de comunicaciones 16 comprende múltiples nodos de red 40a-f, que pueden ser, por ejemplo, conmutadores, enrutadores, concentradores o puentes de red (bridges). En aras de la claridad, también se muestran únicamente las conexiones 41a-g entre los nodos de comunicaciones 40a-f de la red de comunicaciones 16; otras conexiones, por ejemplo, a otras unidades terminales fueron omitidas en la figura 4.

Los nodos de red 40a-f están configurados para procesar de manera diferenciada mensajes de diferentes prioridades; en donde los mensajes con una prioridad mayor se envían con preferencia en comparación con los que presentan una menor prioridad. Un método conocido para implementar dicho tráfico de red dependiente de la prioridad es, por ejemplo, el de "Calidad de servicio" (QoS, del inglés: "Quality-of-Service"). Aunque normalmente se prevé que los mensajes de prioridad alta se envíen con mayor prioridad que aquellos de menor prioridad, sin embargo, una interrupción de un proceso de transmisión de un mensaje con una prioridad más baja que ya haya comenzado a favor de un mensaje con una mayor prioridad muchas veces no se implementa. Por lo tanto, incluso en el caso de mensajes de alta prioridad, se pueden producir "tiempos de espera" o períodos de permanencia en los distintos nodos de la red, que conducen a las diferentes duraciones de transmisión ya descritas anteriormente.

Para determinar el parámetro Jitter que indica el tiempo máximo de transmisión, en un primer paso se determina la ruta que debe tomar el mensaje en la red de comunicaciones entre los dispositivos de protección diferencial 12a y 12b. Cuando son posibles múltiples caminos, todos estos deben ser determinados. Sin embargo, en las redes Ethernet de uso frecuente, por definición sólo se permite una conexión entre dos unidades terminales, de modo que sólo hay una ruta por determinar. La determinación de ruta se puede realizar de acuerdo con un método de optimización para resolver el así denominado como "Problema del viajante". El problema como tal, sus aplicaciones anteriores y los algoritmos de solución se describen, por ejemplo, en "El problema del viajante: Un estudio computacional" ("The Traveling Salesman Problem: A Computational Study") de la Serie de Princeton en Matemáticas Aplicadas, de David L. Applegate, Robert E. Bixby y William J. Cook, del 15 de enero de 2007. Los posibles métodos de optimización consisten, por ejemplo, en métodos de optimización lineal entera.

Cuando la ruta del mensaje es fija, esto define también los nodos de la red por los cuales debe pasar el mensaje a lo largo de esta ruta. Para cada uno de estos nodos de red identificados, ahora se puede determinar una duración máxima de permanencia individual del mensaje, que resulta, por ejemplo, del tamaño máximo del mensaje a transmitir y de la velocidad de transmisión de otro mensaje a enviar antes del mensaje que contiene el valor de medición de corriente cuando es enviado por el nodo de red en cuestión. El tiempo máximo de transmisión y, por lo tanto, el parámetro Jitter resulta entonces de la suma de todas las duraciones máximas de permanencia del mensaje en los nodos de red identificados individualmente. Por lo tanto, se supone, prácticamente como el peor de los casos (Worst-Case-Szenario), que el mensaje permanece en cada nodo de la red durante máxima la duración de permanencias a causa de otros mensajes que aún deben enviarse.

A continuación se explicará mediante un ejemplo la determinación del parámetro Jitter. La determinación de la ruta muestra que desde el dispositivo de protección diferencial 12a se transmite un mensaje al dispositivo de protección diferencial 12b a lo largo de la siguiente ruta: Dispositivo de protección diferencial 12a --> conexión 41a --> nodo de red 40a --> conexión 41b --> nodo de red 40b --> conexión 41c --> nodo de red 40c --> conexión 41d --> dispositivo de protección diferencial 12b.

Conociendo esta ruta, los nodos de red 40a-c se pueden identificar como aquellos en los cuales el mensaje puede permanecer. La velocidad de transmisión a través de las conexiones 41a y 41d es también de 100 MBit/s, la de las conexiones 41b y 41c de 1000 MBit/s. El tamaño máximo del mensaje con Ethernet suele ser de 1518 bytes.

Para el nodo de red 40a, un tiempo de permanencia máximo del mensaje resulta de la suposición de que antes de enviarlo, debe enviarse otro mensaje completo, cuyo proceso de envío ha comenzado inmediatamente: El envío de 1518 bytes a 1000 MBit/s demora 12,144 |js. Este tiempo corresponde a la duración máxima de permanencia del mensaje en el nodo de red 40a. Para el nodo de red 40b, la duración máxima de permanencia también es de 12,144js debido al tamaño máximo del mensaje y a la velocidad de transmisión idénticos.

Debido a la diferente velocidad de transmisión de sólo 100 Mbit/s, para el nodo de red 40c resulta un valor diferente para la duración máxima de permanencia: El envío de 1518 bytes a 100 MBit/s demora 121,44js. Este tiempo corresponde a la duración máxima de permanencia del mensaje en el nodo de red 40c.

La suma de las duraciones de permanencia máximas a lo largo de toda la ruta del mensaje da como resultado un tiempo de transmisión máximo de

I 2 , 144 u s - I 2 , 144 u s - I 2 l , 44 u s = 14i:, 72 a p 5.

El valor de 145,728js corresponde al parámetro Jitter del mensaje a lo largo de la ruta identificada.

La transmisión del mensaje requiere fundamentalmente una duración fija, que resulta esencialmente de la longitud de las líneas de conexión y de la velocidad de transmisión. Este período de tiempo se puede determinar previamente como el período mínimo de transmisión y a partir de entonces, permanece constante. El valor de 145.728js para el parámetro Jitter significa entonces que la transmisión del mensaje puede ser mayor que el tiempo mínimo de transmisión, cualquier valor entre cero y 145.728js, debido a que aún existen otros mensajes pendientes en los nodos de la red. La incertidumbre resultante se debe compensar ajustando el valor umbral de manera correspondiente (véase, por ejemplo, la figura 3).

El parámetro Jitter se puede determinar, por ejemplo, una sola vez, en particular, cuando se inicia el sistema de protección diferencial. Según la invención, el valor umbral se establece automáticamente en el dispositivo de protección diferencial. Eventualmente, el procedimiento se puede realizar nuevamente en caso de cambios significativos en la red de comunicaciones.

Sin embargo, también puede estar previsto que el proceso se lleve a cabo de forma regular o repetida con control por eventos, de modo que el valor umbral también se pueda controlar de forma continua en caso de pequeñas variaciones en el parámetro Jitter. Con una alta tasa de repetición, el valor umbral puede incluso adaptarse dinámicamente al parámetro Jitter prácticamente en tiempo real.

El procedimiento descrito ofrece la ventaja particular de que el sistema de protección diferencial se puede configurar para que sea en general más sensible que si la influencia de la duración variable de transmisión simplemente se estimara, por lo cual, generalmente se configuraría demasiado alta. El valor umbral se puede adaptar a la topología de la red realmente presente y ajustarse continuamente a cambios con verificaciones regulares.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de protección diferencial para la generación de una señal de error que indica un error en referencia a un componente primario (11) de una red de suministro de energía eléctrica, en el cual

- mediante dispositivos de medición en al menos dos puntos de medición diferentes (lla-b) del componente primario (11) de la red de suministro de energía eléctrica se registran valores de medición de corriente; - los valores de medición de corriente se transmiten a un dispositivo de protección diferencial, que conforma un valor de corriente diferencial con los valores de corriente correspondientes entre sí de todos los dispositivos de medición al sumarlos con el signo correcto; y

- mediante el dispositivo de protección diferencial se genera la señal de error cuando el valor de la corriente diferencial excede un valor umbral predeterminado;

caracterizado porque

- el valor de medición de corriente de al menos un dispositivo de medición se transmite al dispositivo de protección diferencial a través de una red de comunicaciones (16), en donde la red de comunicaciones (16) comprende nodos de red (40a-f) que están configurados para enviar mensajes de alta prioridad con respecto a los mensajes de baja prioridad, y en donde el valor de medición de corriente se transmite como un mensaje de alta prioridad;

- se determina un parámetro Jitter que indica un máximo tiempo de transmisión posible del mensaje que contiene el valor de medición de corriente; y

- el dispositivo de protección diferencial deriva el valor del valor umbral en función del parámetro Jitter.

2. Procedimiento de protección diferencial según la reivindicación 1,

caracterizado porque

- para comprobar si el valor de la corriente diferencial excede el valor umbral predeterminado, los valores de estabilización también se conforman a partir de los valores de medición de corriente de los puntos de medición individuales (lla-b) y en el marco de una prueba de rango de activación se verifica si un par de valores de medición conformados usando un valor de corriente diferencial y un respectivo valor de estabilización correspondiente se encuentra en un rango de activación predeterminado (22).

- se detecta un exceso del valor umbral cuando el par de valores de medición está dentro del rango de activación (22).

3. Procedimiento de protección diferencial según la reivindicación 1 ó 2,

caracterizado porque

- el valor del valor umbral aumenta a medida que se incrementa el valor del parámetro Jitter.

4. Procedimiento de protección diferencial según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

- la determinación del parámetro Jitter se realiza reiteradamente; y

- la definición del valor umbral se realiza de manera dinámica en función del valor determinado del parámetro Jitter.

5. Procedimiento de protección diferencial según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

- para determinar el parámetro Jitter, se determinan aquellos nodos de red (40a-f) que se encuentran a lo largo de la ruta del mensaje que contiene el valor de medición de corriente entre el dispositivo de medición y el dispositivo de protección diferencial;

- se determina un tiempo máximo de permanencia del mensaje en el respectivo nodo de red (40a-f); y - el tiempo máximo de transmisión del mensaje se determina como la suma de los tiempos máximos de permanencia del mensaje en todos los nodos de red determinados (40a-f).

6. Procedimiento de protección diferencial según la reivindicación 5,

caracterizado porque

- la duración máxima de permanencia de un mensaje en un nodo de red (40a-f) se determina a partir del mayor tamaño de mensaje posible de un mensaje a enviar a través del nodo de red (40a-f) y la velocidad de transmisión a la que se envía dicho mensaje a través del nodo de red (40a-f).

7. Procedimiento de protección diferencial según la reivindicación 5 ó 6,

caracterizado porque

- para determinar aquellos nodos de red (40a-f) que se encuentran a lo largo de la ruta del mensaje que contiene el valor de medición de corriente entre el dispositivo de medición y el dispositivo de protección diferencial se implementa un algoritmo de optimización de rutas, que resulta adecuado para resolver un problema del viajante (Traveling-Salesman-Problem).

8. Dispositivo de protección diferencial para la generación de una señal de error que indica un error en referencia a un componente primario (11) de una red de suministro de energía eléctrica, en donde el dispositivo de protección diferencial está configurado para recibir valores de medición de corriente registrados respectivamente a través de dispositivos de medición en al menos dos puntos de medición diferentes (11a-b) del componente primario (11) de la red de suministro de energía eléctrica; para conformar un valor de corriente diferencial con valores de medición de corriente asociados de todos los dispositivos de medición mediante adición con el signo correcto; y para generar la señal de error cuando el valor de corriente diferencial excede un valor de umbral predeterminado; caracterizado porque

- el valor de medición de corriente de al menos un dispositivo de medición se transmite al dispositivo de protección diferencial a través de una red de comunicaciones (16), en donde la red de comunicaciones (16) comprende nodos de red (40a-f) que están configurados para enviar mensajes de alta prioridad con respecto a los mensajes de baja prioridad, y en donde el valor de medición de corriente se transmite como un mensaje de alta prioridad;

- se determina un parámetro Jitter que indica un máximo tiempo de transmisión posible del mensaje que contiene el valor de medición de corriente; y

- el dispositivo de protección diferencial está configurado para derivar el valor del valor umbral en función del parámetro Jitter.