MX2009002646A

MX2009002646A - Aparato, sistemas y metodos para detectar confiablemente fallas dentro de un sistema de distribucion de energia.

Info

Publication number: MX2009002646A
Application number: MX2009002646A
Authority: MX
Inventors: Edmund O Schweitzer Iii; Veselin Skendzic; Gregary C Zweigle; Robert E Morris; Andrew A Miller
Original assignee: Schweitzer Engineering Lab Inc
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-03-24
Also published as: WO2008042125A2; AU2007302649A1; CA2664353A1; AU2007302649B2; US20080080114A1; WO2008042125A3; BRPI0717049A2; ZA200900862B

Abstract

Se describe un detector de perturbaciones de línea que inspecciona la operación de dispositivos de protección de energía que monitorean al mismo conductor, y solamente permite una operación de control o de automatización de energía cuando tanto el detector de perturbaciones como un dispositivo de protección de energía tradicional, tal como un relé de protección, determinan que se requiere tal operación.

Description

APARATO, SISTEMAS Y METODOS PARA DETECTAR CONFIABLEMENTE FALLAS DENTRO DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA CAMPO DE LA INVENCIÓN En general la presente invención se refiere a aparato, sistemas, y métodos para la protección de energía, y más específicamente, a aparato, sistemas, y métodos para validar mecanismos de toma de decisiones dentro de un sistema de protección de energía.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA ANTERIOR Las redes de transmisión y distribución de energía requieren un grado de conflabilidad extremadamente alto. Las fallas en tales sistemas pueden conducir a apagones. El aparato de conexión eléctrica, tal como interruptores y restablecedores de circuitos, se despliegan en redes de energía para aislar las fallas mientras se mantiene la energía a tantos usuarios finales como sea posible. Usualmente, un dispositivo electrónico inteligente digital, tal como un relé o control del restablecedor, controla la operación del aparato de conexión eléctrica. No obstante, los dispositivos electrónicos inteligentes son susceptibles a errores provocados por la radiación de fondo. En particular, los componentes de memoria utilizados dentro de los dispositivos electrónicos inteligentes son susceptibles a errores en bits provocados por partículas con alta energía tales como neutrones o partículas alfa. Se han descrito diversas técnicas en los métodos que detallan la técnica anterior para reducir errores provocados por radiación y otras fuentes de errores impredecibles . Por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos No. 6, 886,116, expedida a Christopher MacLellan, describe un sistema para validar la lógica de detección de errores en un sistema de almacenamiento de datos. MacLellan utiliza una pluralidad de inyectores de fallas para crear condiciones erróneas, y después utiliza lógica adicional para asegurar que la lógica de detección de errores capte el error y no interfiera con la operación normal del dispositivo. MacLellan es un buen ejemplo de una técnica de detección de errores aplicada a un sistema combinado de hardware/software . La Patente de los Estados Unidos No. 6, 594,774, expedida a Craig Chapman y Mark Moeller, se enfoca exclusivamente en errores de software. Además de otras técnicas, Chapman aplica el concepto de un controlador de secuencia para procesos individuales de software. Un controlador de secuencia es un temporizador de hardware acoplado a un microprocesador que se debe reiniciar dentro de un periodo de tiempo dado o el controlador de secuencia provoca que el microprocesador se reinicie. En Chapman, fibras ejecutables individuales (es decir; hebras o procesos) se registran con una hebra de control. Las fibras ejecutables después deben notificar a la hebra de control periódicamente, o la hebra de control toma una acción de contención, tal como terminación de la hebra. Muchas técnicas adecuadas para otras industrias no son necesariamente muy adecuadas para la industria de protección de energía. Los dispositivos de protección de energía frecuentemente operan en ambientes hostiles, con grandes cantidades de radiación electromagnética presentes. Históricamente, la industria de la protección de energía se ha enfrentado con este problema a través del uso de blindaje, conexión a tierra, y otras técnicas básicas mecánicas y eléctricas, así como validación de relectura de estructuras de memoria. Dada la sensibilidad de la rejilla de energía a las fallas, existe una necesidad continua en la industria de la protección de energía para considerar técnicas con el fin de reducir más las fallas de los dispositivos de protección de energía y así mejorar la conflabilidad de la rejilla de energía.

OBJETOS DE LA INVENCIÓN Por consiguiente, un objeto de esta invención es proporcionar automatización y control confiables del sistema de energía, capaces de detectar y corregir un gran porcentaje de las posibles fallas, y con ello elevar la conflabilidad global de la rejilla de energía. Otro objeto de esta invención es proporcionar un sistema para identificar y aislar confiablemente las fallas en una línea de energía monitoreada con lógica de detección de falla que puede, en un gran porcentaje de casos, detectar cuándo se ha detectado erróneamente una falla, y prevenir que el sistema emprenda la acción contraria con base en la falla detectada erróneamente. Otro objeto adicional de esta invención es proporcionar un detector de perturbaciones para supervisar la operación de un detector de falla primaria.

LA INVENCIÓN La invención descrita logra sus objetivos a través del uso de un detector de perturbaciones, el cual inspecciona la operación de los dispositivos de protección de energía que monitorean el mismo conductor. El "detector de perturbaciones" puede ser un dispositivo separado, o puede ser lógica adicional proporcionada dentro de un relé, control del restablecedor , u otro dispositivo electrónico inteligente dentro del sistema de distribución de energía. En una modalidad, en donde el detector de perturbaciones es un dispositivo separado, solamente se permite una operación de corte cuando tanto el detector de perturbaciones como un dispositivo de protección de energía tradicional, tal como un relé de protección, detectan una falla en el conductor de energía monitoreado. Esto se logra a través del uso de una barra colectora de corte conectada a los contactos del dispositivo de protección de energía tradicional, para que el dispositivo de protección de energía tradicional no pueda provocar que un seccionador de línea se abra, salvo que la barra colectora de corte esté energizada. La barra colectora de corte solamente se energiza cuando el detector de perturbaciones detecta una falla en el conductor monitoreado. Por consiguiente, tanto el detector de perturbaciones como el dispositivo de protección de energía tradicional deben detectar una falla antes de que pueda ocurrir un corte, aislando el conductor monitoreado. En una modalidad separada, el detector de perturbaciones se implementa como lógica adicional dentro de un dispositivo electrónico inteligente. Un convertidor de analógico en digital muestrea un parámetro de la línea relacionado con un conductor de energía. Un primer procesador de lógica comprendido de uno o varios procesadores físicos, procesan las muestras de parámetros de línea y ejecuta un algoritmo de detección de falla que produce una salida de la falla. Un segundo procesador de lógica hace lo mismo. Un bloque de lógica examina las salidas de falla de ambos procesadores de lógica y produce una señal de corte con base en las salidas de falla. Esta invención también se puede implementar como un método para detectar y aislar confiablemente fallas en un conductor de energía. El detector de perturbaciones si es un dispositivo separado o lógica adicional en un dispositivo simple, monitorea el conductor de energía para detectar las fallas y energiza una barra colectora de corte cuando detecta una falla. Además, un dispositivo de protección de energía también monitorea el mismo conductor de energía y opera sus contactos, los cuales solamente provocarán una operación de corte para aislar el conductor de energía si la barra colectora de corte ha sido energizada.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Aunque los rasgos característicos de esta invención se señalarán particularmente en las reivindicaciones, la invención misma, y la manera en la cual se puede realizar y utilizar, se pueden comprender mejor al hacer referencia a la siguiente descripción, tomada en relación con los dibujos anexos que forman parte de la misma, en donde números de referencia similares se refieren a partes similares en todas las diversas vistas y en las cuales : La figura 1 es un diagrama de un sistema de protección de energía que utiliza un detector de perturbaciones para inspeccionar otros dispositivos de protección de energía. La figura 2 es un diagrama de bloques funcionales de una modalidad del detector de perturbaciones descrito. La figura 3 es una ilustración de un algoritmo de detección de fallas, preferido del detector de perturbaciones descrito. La figura 4 es un diagrama de bloques funcionales de un detector de perturbaciones, implementado utilizando lógica adicional dentro de un dispositivo electrónico inteligente . La figura 5 es un diagrama de bloques funcionales que muestra una manera en la que se podría implementar un detector de perturbaciones a través de múltiples componentes dentro de un dispositivo electrónico inteligente.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES ILUSTRADAS Con referencia a las figuras, y en particular a la figura 1, se ilustra un sistema de protección de energía 100 que utiliza un detector de perturbaciones 110. El sistema de protección de energía 100 podría estar ubicado en una estación de conmutación o en algún otro sitio apropiado. Un par de terminales de corriente directa (DC) 106 y 108 proporciona energía a los dispositivos protectores en el sitio, tales como el detector de perturbaciones 110 y el relé protector 120. Como se ilustra, el detector de perturbaciones 110 inspecciona la operación del relé protector 120. Los pares de contactos de corte y control del relé protector 120 están cableados para que un contacto de cada par esté cableado conjuntamente para formar una barra colectora de corte 129. Los contactos 110a del detector de perturbaciones 110 están cableados para que solamente si los contactos 110 del detector de perturbaciones están cerrados, la barra colectora de corte 129 esté energizada; es decir, se lleva al potencial de la terminal DC positiva 108. Al contrario de los contactos secos, un dispositivo semiconductor se podría utilizar de manera concebible para energizar la barra colectora de corte. El relé protector 120 tiene múltiples contactos, de los cuales cada grupo de contactos realiza una función específica. Como se presenta, el relé protector 120 tiene contactos de corte 122, contactos de descarga 124, y contactos de frecuencia fuera de alcance 126. El interruptor de circuito 136 tiene una bobina 138 que controla los contactos 137, los cuales se cierran cuando la bobina no está energizada. Un extremo de la bobina 138 está cableado a los contactos de corte 122 del relé protector 120, y, como se ilustra, el otro extremo de la bobina 138 está cableado a la terminal DC negativa 106. Cuando la bobina 138 del interruptor de circuito 136 está energizada, los contactos 137 se abren, los cuales aislarán el conductor de energía 104 en conjunto con un interruptor de circuito remoto (no ilustrado) . La figura 2 ilustra los bloques funcionales del detector de perturbaciones 200 descrito. La fuente de energía DC 210, que puede ser la barra colectora DC presente en un sitio de protección de energía, proporciona energía para el detector de perturbaciones 200. Tres transformadores de corriente 220 y transformadores de voltaje 224 monitorean una línea de distribución de energía trifásica (no mostrada) y adquieren las señales de corriente y las señales de voltaje correspondientes. Cada fase de las señales de corriente monitoreadas pasa a través de un filtro de paso bajo 222, cuya frecuencia limita las señales de corriente adquiridas a un intervalo adecuado para utilizarse por el convertidor de analógico en digital 230. De manera similar, cada fase de las señales de voltaje adquiridas también pasa a través de un filtro de paso bajo 226 antes de ser convertida en forma digital por el convertidor de analógico en digital 230. El microcontrolador 234 opera sobre las señales de voltaje y de corriente digital adquiridas y determinan si está presente una falla en cualquiera de las tres fases monitoreadas. La figura 2 también ilustra la posibilidad de que el detector de perturbaciones 200 incluya múltiples contactos 240, 244, 248, y 252. Los múltiples contactos pueden incluir un contacto de alarma 240, y otros contactos 244, 248, y 252. Los otros contactos se pueden utilizar, por ejemplo, para múltiples fases, o múltiples funciones tales como descarga, frecuencia fuera de alcance, y similares. Los contactos pueden estar cableados en la posición normalmente cerrada de modo que una falla en la barra colectora se energizaria en el caso de que falle el detector de perturbaciones 200. Además, existen dos entradas adicionales al detector de perturbaciones 200 para cancelar 260 y habilitar 262. La opción de cancelar 260 forzaría a todos los contactos a cerrarse, y la opción de habilitar 262 prevendría que se cerraran algunos contactos. La figura 3 ilustra el algoritmo de detección de falla 300 preferido, utilizado por el detector de perturbaciones 200 de la figura 2, aunque se podrían utilizar otros algoritmos de detección de falla de la técnica anterior, dentro de los principios de esta invención. Como se ilustra, se realiza una determinación de falla para cualquier fase si (i) la corriente RMS (raíz cuadrada media) calculada con base en la muestra tomada más recientemente de alguna fase, es mayor a tres veces la corriente RMS nominal, (ii) el cálculo de la corriente RMS más reciente difiere por más del 2% del cálculo de corriente RMS realizado con base en los 16 periodos de muestreo tomados por muestra (o 1 ciclo, asumiendo un muestreo de frecuencia de 16 muestras por ciclo) previo en alguna de las fases, (iii) el cálculo de corriente residual más reciente difiere por más del 2% del cálculo de corriente residual realizado con base en los 16 periodos de muestreo tomados por muestra previos, (iv) el cálculo de corriente residual más reciente difiere por más del 2% del cálculo de corriente residual memorizado, (v) el voltaje RMS calculado aplicado a cualquier fase difiere por más del 2% del voltaje RMS memorizado, (vi) el voltaje RMS calculado más recientemente en cualquier fase difiere por más del 2% del cálculo de voltaje RMS elaborado antes de los 16 periodos de muestreo, (vii) el voltaje de secuencia cero RMS calculado más recientemente difiere en más del 2% del voltaje de secuencia cero RMS calculado con base en los 16 periodos de muestreo tomados por muestra previos en cualquiera de las fases, o (viii) el voltaje RMS de secuencia cero calculado con base en la muestra más reciente difiere en más del 2% del voltaje RMS de secuencia cero calculado con base en los 16 periodos de muestreo tomados por muestra previos. En el algoritmo descrito, el memorizado se refiere a un valor de cálculo especifico tomado en un periodo de tiempo predeterminado anterior; es decir; 1 segundo previo, etc.

La figura 4 ilustra un dispositivo electrónico inteligente 400 que utiliza lógica adicional para implementar un detector de perturbaciones internas. Las tres fases de corriente y de voltaje se adquieren como señales analógicas 401-406 y se convierten en forma digital por el convertidor de analógico en digital 410. Nótese que la adquisición tanto de voltaje como de corriente no se requiere para algoritmos más robustos para detección de falla, y se muestran aquí solamente como una posible implementación de la invención que ejecuta el algoritmo de detección de falla, mostrado en la figura 3. El convertidor de analógico en digital 410 muestrea periódicamente diferentes canales de información bajo el control del reloj 420. El reloj 420 representa un mecanismo de sincronización y se puede implementar utilizando uno de múltiples procedimientos. Por ejemplo, un cristal, o un mecanismo de control que surja de un procesador que incluye uno o todos del procesador de lógica A 430, procesador de lógica B 440, y bloque de lógica 445. Posteriormente el dato muestreado se procesa por dos procesadores de lógica separados, denotados como 430 y 440 en la figura 4. El procesador de lógica A 430 y el procesador de lógica B 440 se pueden implementar utilizando el mismo procesador físico, procesadores físicos idénticos separados, o procesadores físicos separados y diferentes. Si el procesador de lógica A 430 y el procesador de lógica B 440 se implementan utilizando el mismo procesador físico, entonces éstos representan dos programas separados que utilizan dos áreas separadas de memoria. En cualquier caso, el procesador de lógica A 430 y el procesador de lógica B 440 pueden ejecutar el mismo algoritmo, pero no se requiere que sea así por la invención descrita. Además, si los procesadores de lógica 430 y 440 se implementan utilizando procesadores físicos separados, cada uno de ellos puede implementar ciertas partes de sus algoritmos ejecutados a través de los procesadores físicos separados. Ambos procesadores de lógica producen una salida de falla, la cual se examina en el bloque de lógica 445. El bloque de lógica 445 puede configurarse para producir una señal de corte si ambos procesadores de lógica 430 y 440 indican una falla para mayor seguridad, o se pueden configurar para producir una señal de corte si cualquier procesador de lógica 430 ó 440 indica una falla, por redundancia. Nótese que los principios mostrados aquí se podrían extender a más de dos procesadores de lógica. Similarmente, un procesador de lógica simple podría operar a través de más de dos procesadores físicos. La figura 5 muestra una manera en la cual los procesadores de lógica se pueden dividir entre procesadores físicos que utilizan los principios ilustrados en la figura 4. Tres fases de corriente y de voltaje se adquieren como señales analógicas 501-506 y se convierten en forma digital por el convertidor de analógico en digital 510, a una velocidad de muestreo establecida por el reloj 515. Un arreglo de compuerta programable por campo (FPGA) 520 (un procesador físico) implementa el filtro A 561, el filtro A' 562, y el filtro B' 563. El microprocesador 530 (un procesador físico) implementa el filtro B 564, la lógica de falla 565, y la lógica de falla' 566. Como se ilustra, el filtro A 561, el filtro B 564, y la lógica de falla 565 comprenderían el procesador de lógica A 430 de la figura 4. De manera correspondiente, el filtro A' 562, el filtro B' 563, y la lógica de falla' 566 comprenderían el procesador de lógica B 440 de la figura 4. El bloque de lógica 570 puede ser idéntico al bloque de lógica 445 de la figura 4, y se podría implementar como parte de FPGA 520, el microprocesador 530, o con un componente separado. Como se dibuja, el procesador de lógica A 430 y el procesador de lógica B 440 utilizan algoritmos idénticos. Sin embargo, si éstos no utilizaran algoritmos idénticos, se podría requerir que el bloque de lógica 570 explique las diferencias de la implementación de algoritmos. En esta modalidad, la lógica de falla 565 y la lógica de falla' 566 cada una calcula separadamente la magnitud de la señal. El bloque de lógica 570 entonces compara la diferencia de magnitud contra una fracción del valor máximo de las magnitudes. La fracción del valor máximo se determina con base en la implementación particular. Por ejemplo, si los dos trayectos de señal se procesan con filtros idénticos de precisión numérica idéntica, entonces la fracción puede ser pequeña, incrementando la sensibilidad de la verificación de la falla. En una modalidad, se puede elegir un valor del 10% del valor máximo de las magnitudes. Si la comparación produce un valor que excede la fracción especificada del valor máximo de las magnitudes y la diferencia excede un umbral mínimo, entonces se determinan los dos trayectos de señales para que sean diferentes a causa de una falla de cualquiera de FPGA 520, microprocesador 530, o el dispositivo que implementa el bloque de lógica 570, el cual podría ser cualquiera de FPGA 520 o el microprocesador 530. En este caso, el dispositivo electrónico inteligente está bloqueado de la emisión de una orden de corte al sistema de energía. El umbral mínimo se elige para poner un piso a la fracción del valor máximo de las magnitudes. Nótese que la invención descrita en la presente utiliza un procesador digital. Ya que los algoritmos descritos no requieren alguna de las características particulares de procesamiento, será suficiente cualquier tipo de procesador. Por ejemplo, microprocesadores, microcontroladores , procesadores de señales digitales, arreglos de compuerta programable por campo, circuitos integrados específicos de aplicación (ASIC) y otros dispositivos capaces de efectuar cálculos digitales, son aceptables, en donde se utilicen los términos procesador o máquina de computación. Nótese también que la invención opera sobre parámetros de línea de conductores de energía para detectar fallas, utilizando algoritmos perfectamente conocidos. Dentro del contexto de esta patente, los parámetros de línea se definen como voltaje y corriente. La descripción anterior de la invención se ha presentado para fines de ilustración y de descripción, y no se pretende que sea exhaustiva o que limite la invención a la forma precisa descrita. La descripción se seleccionó para explicar mejor los principios de la invención y la aplicación práctica de estos principios, para hacer posible que otros expertos en la técnica utilicen mejor la invención en varias modalidades y varias modificaciones como sean adecuadas para el uso particular contemplado. Se pretende que el alcance de la invención no esté limitado por la especificación, sino que se defina por las reivindicaciones establecidas enseguida.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema para detectar y aislar confiablemente fallas en un conductor de energía, el sistema comprende: i) 5 un detector de perturbaciones, el detector de perturbaciones está acoplado al conductor de energía, el detector de perturbaciones monitorea además el conductor de energía para detectar fallas, el detector de perturbaciones está acoplado además a una barra colectora de corte y opera para energizar 0 una barra colectora de corte cuando se detecta una falla en al menos un conductor de energía; y ii) al menos un dispositivo protector, el dispositivo protector está acoplado al conductor de energía y monitorea el conductor de energía para detectar fallas separadamente del detector de _ perturbaciones, el dispositivo protector está acoplado a la barra colectora de corte y tiene la capacidad operativa de abrir el conductor de energía cuando la barra colectora de corte está energizada y se detecta una falla por al menos un dispositivo protector. 0

2. Sistema según la reivindicación 1, que comprende además al menos un interruptor de circuito, el interruptor de circuito está acoplado al conductor de energía y tiene la capacidad de interrumpir el flujo de 5 corriente en éste, el interruptor de circuito está acoplado sensiblemente al dispositivo protector.

3. Sistema según la reivindicación 2, en donde el dispositivo protector es un relé protector. 5

4. Detector de perturbaciones del sistema de energía para detectar fallas en un conductor de energía y para habilitar el aislamiento de fallas detectadas, el detector de perturbaciones del sistema de energía comprende: 10 i) al menos una salida acoplada adaptablemente a una barra colectora de corte y que energiza la barra colectora de corte cuando se activa; ii) entradas sensibles para detectar al menos un parámetro de línea relacionado al conductor de energía; iii) un convertidor de analógico en digital para ]_5 convertir al menos un parámetro de línea en al menos un parámetro de línea digital; y iv) un procesador acoplado a la salida y que acepta al menos un parámetro de línea digital y que analiza además al menos un parámetro de línea digital y determina si ha ocurrido una falla sobre el 20 conductor de energía, y activa además la salida con la determinación de la aparición de la falla.

5. Método para detectar y aislar confiablemente fallas en un conductor de energía, que comprende las etapas 5 de: i) monitorear el conductor de energía para detectar fallas con un detector de perturbaciones; ii) energizar una barra colectora de corte con el detector de perturbaciones cuando el detector de perturbaciones detecta una falla; iii) monitorear el conductor de energía para detectar fallas con un dispositivo de protección de energía capaz de aislar las fallas en el conductor de energía; y iv) aislar una falla detectada por el dispositivo de protección de energía solamente si el detector de perturbaciones ha energizado la barra colectora de corte.

6. Dispositivo electrónico inteligente para detectar y aislar confiablemente fallas dentro de un conductor de energía, que comprende: i) un convertidor de analógico en digital para muestrear al menos un parámetro de línea del conductor de energía y producir un parámetro de línea digital; ii) un primer procesador de lógica acoplado al convertidor de analógico en digital y que recibe el parámetro de línea digital y ejecuta un primer algoritmo de detección de falla para producir una primera salida de falla; iii) un segundo procesador de lógica, acoplado al convertidor de analógico en digital y que recibe el parámetro de línea digital y ejecuta un segundo algoritmo de detección de falla para producir una segunda salida de falla; y iv) un bloque de lógica acoplado al primer procesador de lógica y al segundo procesador de lógica, y que recibe la primera salida de falla y la segunda salida de falla y produce una salida de corte con base en la primera salida de falla y en la segunda salida de falla.

7. Dispositivo electrónico inteligente según la reivindicación 6, en donde el primer procesador de lógica se implementa dentro de un primer procesador físico, y el segundo procesador de lógica se implementa dentro de un segundo procesador físico.

8. Dispositivo electrónico inteligente según la reivindicación 6, en donde el primer procesador de lógica y el segundo procesador de lógica se implementan dentro de un procesador físico simple.

9. Dispositivo electrónico inteligente según la reivindicación 6, en donde el primer procesador de lógica se implementa al menos parcialmente en un primer procesador físico, y el segundo procesador de lógica se implementa al menos parcialmente en un segundo procesador físico.

10. Dispositivo electrónico inteligente según la reivindicación 6, en donde el primer algoritmo de detección de falla es idéntico al segundo algoritmo de detección de falla.

11. Método para detectar y aislar confiablemente fallas dentro de un conductor de energía, que comprende las etapas de: i) muestrear un parámetro de línea y producir muestras de parámetros de línea; ii) analizar las muestras de parámetros de línea con un primer procesador de lógica y producir una primera salida de falla; iii) analizar las muestras de parámetros de línea con un segundo procesador de lógica y producir una segunda salida de falla; y iv) generar una salida de corte con base en la primera salida de falla y en la segunda salida de falla.