Tesis Orlys-Doctorado

Tesis doctoral

DESARR DESA RROL OLLO LO DE HE HERR RRAM AMIE IENT NTAS AS PAR ARAA LA LACR CREA EACIÓ CIÓN, N, MODE MO DELA LACI CIÓN ÓN Y CO COMP MPRO ROBA BACI CIÓN ÓN DE PR PROT OTEC ECCI CION ONES ES ELÉCTRICAS

Orlys Ernesto Torres Breffe

Resumen de la Tesis

1

MINISTERIO MINISTERIO DE EDUCACI EDUCACI ÓN SUPERIOR INSTITUTO INSTITUTO SUPERIOR SUPERIOR MINERO MINERO MET MET ALÚRGICO ALÚRGICO “DR. “DR. ANTONIO ANTONIO NÚÑEZ NÚÑEZ JI JIMÉNEZ” MÉNEZ” FACULTAD DE METALURGIA Y ELECTROMECÁNICA DEP DEP ARTA ARTAM M ENTO ENTO DE EL ÉCTRI ÉCTRI CA

TESIS TESIS PRESENTADA PRESENTADA EN OPCIÓN OPCIÓN AL TÍTULO ACADÉMICO ACADÉMICO DE DOC DOC TOR TOR EN CIENCIAS TÉCNICAS

TÍTULO: Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de protecciones eléctricas

Autor: Autor: MSc. Orl Orl ys Ernesto Ernesto Torres Torres Breffe Breffe Tuto Tuto res: Dr. Dr. Antonio Antonio Ma Martínez rtínez Ga García rcía Dra. Miriam Vilaragut Llanes

2005 Año Año de la Alternativa Alternativa Boli Boliva variana riana para para las Amér Amér ic icas as

De s ar ro ll o de he rr am i en ta s pa ra l a c re ac i ón , modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas

M. Sc . Or lys Er ne st o To rr es Br ef fe

Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez

Resumen de la Tesis

1

MINISTERIO MINISTERIO DE EDUCACI EDUCACI ÓN SUPERIOR INSTITUTO INSTITUTO SUPERIOR SUPERIOR MINERO MINERO MET MET ALÚRGICO ALÚRGICO “DR. “DR. ANTONIO ANTONIO NÚÑEZ NÚÑEZ JI JIMÉNEZ” MÉNEZ” FACULTAD DE METALURGIA Y ELECTROMECÁNICA DEP DEP ARTA ARTAM M ENTO ENTO DE EL ÉCTRI ÉCTRI CA

TESIS TESIS PRESENTADA PRESENTADA EN OPCIÓN OPCIÓN AL TÍTULO ACADÉMICO ACADÉMICO DE DOC DOC TOR TOR EN CIENCIAS TÉCNICAS

TÍTULO: Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de protecciones eléctricas

Autor: Autor: MSc. Orl Orl ys Ernesto Ernesto Torres Torres Breffe Breffe Tuto Tuto res: Dr. Dr. Antonio Antonio Ma Martínez rtínez Ga García rcía Dra. Miriam Vilaragut Llanes

2005 Año Año de la Alternativa Alternativa Boli Boliva variana riana para para las Amér Amér ic icas as

De s ar ro ll o de he rr am i en ta s pa ra l a c re ac i ón , modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas

M. Sc . Or lys Er ne st o To rr es Br ef fe

Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez

Introducción General

2

La ciencia de las protecciones eléctricas tiene poco más de un siglo de existencia. Los primeros dispositivos de protección surgen, por necesidad, al unísono con el primer Sistema Eléctrico de Potencia a finales del siglo XIX. A lo largo del siglo XX, se desarrollan sorprendentemente tanto los conceptos teóricos como la tecnología utilizada en los dispositivos de protección. El siglo XXI augura cambios aún más sorprendentes con modificaciones conceptuales y filosóficas para esta ciencia. Los conceptos desarrollados a principios del siglo pasado, basados fundamentalmente en el empleo de la lógica booleana (protecciones convencionales), aún son la base de la filosofía empleada en la comprensión y el trabajo de los dispositivos digitales que se emplean en la actualidad. La introducción de los Métodos de Inteligencia Artificial amenaza con transformar radicalmente estos conceptos (protecciones inteligentes).  A finales del siglo XX tanto la modelación modelación matemática matemática y la simulación de los dispositivos dispositivos de protección comenzaron a ser una necesidad. Los dispositivos digitales, basados en microprocesadores, han incorporado funciones de protección que evolucionaron en numerosas y necesarias combinaciones lógicas, si se comparan con los clásicos dispositivos de principios de siglo, aumentando las probabilidades de una selección y/o ajuste incorrectos. En la actualidad, un Relé Digital Multifunción, además de constituir la protección integral de un elemento cualquiera del Sistema Eléctrico de Potencia, incluye los instrumentos de medición y control necesarios. Esto ofrece numerosas ventajas en cuanto a la reducción del tamaño de las instalaciones y el costo del mantenimiento, entre otras.

Introducción General

3

Situación problémica Los fabricantes de Relés Digitales modernos precisan de verificar adecuadamente el correcto funcionamiento de cada una de las funciones de protección, medición y control, así como sus combinaciones, antes de introducirlos al mercado. Constantemente se están publicando nuevas versiones del software de bajo nivel de estos dispositivos, ya sea para corregir determinado error encontrado, hacer determinada modificación o mejorar una u otra función de protección, medición o control. Los técnicos que proyectan y/o instalan los sistemas de protecciones digitales, necesitan asegurar o garantizar la correcta selección de las funciones de protección y sus ajustes. De la misma forma, en caso de que se presenten incorrectas operaciones, el problema radica en determinar rápidamente las causas que las provocan. Las numerosas combinaciones lógicas de las funciones de protección incluidas en los Relés Multifunción, así como la complejidad de las mismas, hacen de este proceso de selección, ajuste y búsqueda de las causas de operaciones incorrectas, un proceso lento y costoso. Este problema, tanto desde el punto de vista del fabricante como de los técnicos y proyectistas, se incrementará con el empleo de los Métodos de Inteligencia Artificial en los dispositivos de protección. Estos métodos sencillamente no pueden ser analizados sin la ayuda de una computadora digital potente. Problemas no resueltos  A finales del siglo XX las grandes grandes compañías fabricantes fabricantes de Relés comenzaron comenzaron con la aplicación de Simuladores Digitales en Tiempo Real que les permitieron verificar el

Introducción General

4

comportamiento de sus Relés antes de introducirlos en el mercado, pero estos simuladores no están al alcance de los técnicos y proyectistas en los países subdesarrollados. Estos simuladores son de dos tipos: en un caso realizan la simulación del Sistema Eléctrico de Potencia para verificar en la práctica los Relés Digitales simulados y en el otro caso, hacen la simulación de las funciones del Relé Digital, utilizando modelos detallados del hardware, el cual comprueban con parámetros de averías generadas en Simuladores Analógicos. Por otra parte, hasta el momento los software que permiten hacer una simulación del Sistema Eléctrico de Potencia y sus Protecciones (EMTP®) no incluyen las Técnicas de Inteligencia Artificial, para estos análisis se emplean otras herramientas informáticas por parte de los investigadores. En nuestro país existe poco desarrollo en la modelación y simulación de protecciones eléctricas. En escasas ocasiones prácticas se utilizan software con modelos fasoriales y estos modelos no permiten hacer un análisis dinámico o transitorio de las instalaciones, el resto no utiliza la simulación. Escasos investigadores han estudiado la modelación y simulación transitoria de algunos dispositivos de protección, pero separando la operación del sistema de potencia y las protecciones eléctricas. No se reportan trabajos de aplicación de las Técnicas de Inteligencia Artificial en las protecciones eléctricas, por tanto no se pueden hacer valoraciones técnicas profundas de las investigaciones realizadas por otros autores. No se fabrican Relés de Protección ni se cuenta con las herramientas adecuadas para hacerlo.

Introducción General

5

Objetivo General Crear una herramienta que permita simular el comportamiento de las funciones de protección de un sistema convencional o inteligente, que esté instalado o se pretenda instalar, a partir de los datos de averías simuladas (al unísono) en el propio Sistema Eléctrico de Potencia, que permita predecir las operaciones incorrectas en las protecciones y buscar sus soluciones. Hipótesis Si se crea una herramienta computacional que involucre no sólo la modelación y simulación de los dispositivos de protección sino incluso, de los elementos del Sistema Eléctrico de Potencia, se podrá facilitar el proceso de verificación del comportamiento de los sistemas de protección instalados o que estén en proyección.  Adicionalmente, esta herramienta virtual ayudará a investigadores relacionados con las protecciones eléctricas en la búsqueda de nuevas soluciones, tanto con la tecnología convencional como con la aplicación de los Métodos de Inteligencia Artificial. La herramienta a crear debe ser capaz de conectarse, mediante tarjetas interfases, a señales eléctricas provenientes de simuladores analógicos o de instalaciones reales, para así verificar el comportamiento de los métodos de medición utilizados en las nuevas funciones de protección creadas. Novedades del trabajo 1. La creación de una Biblioteca en el SIMULINK del MATLAB que incluya los dispositivos de protección

más utilizados en la práctica, así como soportar los

dispositivos basados en técnicas de inteligencia artificial y que permita predecir el

Introducción General

6

comportamiento ante fenómenos transitorios de los sistemas de protecciones completos a partir de la simulación del sistema eléctrico de potencia y sus protecciones eléctricas como una unidad. 2. Obtener los patrones de entrenamiento, entrenar una Red de Neuronas Artificiales para ser utilizada en específico en la protección de Transformadores de Potencia y que opere correctamente, para aquellos regímenes más difíciles de identificar, incluso con determinados defectos en los instrumentos de medición como la apertura de un conductor en el circuito secundario de los transformadores de corriente. Tareas de la investigación: Para hacer esta investigación el autor se propuso las siguientes etapas: 1. Investigar el desarrollo tecnológico y científico de las protecciones eléctricas desde su surgimiento, para lograr una fundamentación coherente del por qué del empleo de los simuladores digitales de protección, así como para hacer una valoración de los trabajos anteriores relacionados con la modelación de dispositivos de protección. 2. Investigar el desarrollo y las aplicaciones de las Técnicas de Inteligencia Artificial en las Protecciones Eléctricas. 3. Seleccionar la herramienta matemática o plataforma de programación y crear sobre ella la Biblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas que permita simular al unísono un Sistema de Potencia cualquiera y sus protecciones. 4. Hacer la modelación matemática de los dispositivos secundarios convencionales mayormente utilizados en la práctica nacional.

Introducción General

7

5. Validar en tiempo real los modelos matemáticos creados, empleando tarjetas interfases, comparando su funcionamiento con el de los Relés reales. 6. Simular, con la herramienta creada, instalaciones importantes de protecciones eléctricas reales del país y verificar sus comportamientos. En caso de encontrar deficiencias concretas, verificar las soluciones antes de proponerlas, utilizando la propia herramienta. 7. Proponer un Relé Inteligente basado en Redes de Neuronas Artificiales y comprobar su funcionamiento comparándolo con una aplicación real de protecciones convencionales. El documento se divide en 4 capítulos en los cuales se resuelven las tareas anteriormente enumeradas. El capítulo inicial se dedica a describir el estado actual de la modelación, simulación y comprobación de protecciones eléctricas en el ámbito internacional. En el segundo capítulo se desarrollan y comprueban los modelos de los dispositivos de protecciones creándose una Biblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas. Estos modelos se emplean en la simulación de las protecciones eléctricas de instalaciones industriales reales del territorio de MOA (Cuba), lo cual se encuentra en el tercer capítulo. El último capítulo se dedica a la creación, entrenamiento y verificación de un Relé basado en Redes de Neuronas Artificiales para la protección de un transformador de potencia, mostrando sus ventajas con respecto a los Relés convencionales simulados y estudiados en el tercer capítulo.

ResumendelaTesis

8

Se presenta una panorámica del desarrollo actual de la modelación matemática de las proteccioneseléctricasenlaquesedestacaeldesarrollodesoftwaretalescomoEMTP®y MATLAB®,paralasimulacióndeSistemasEléctricosdePotenciasconsusprotecciones. Sereconocecomomodelomatemático deRelésdeProtecciónalconjuntodeecuaciones quedescribenlascaracterísticasdeoperacióndelosmismos.Estascaracterísticaspueden ser disímiles: corrientesversus tiempo,corrientediferencialversus corrientederetención, resistenciaversusreactancia,entreotras. Hoydía,losfabricantesdeReléssimulansusdiseñosynuevosmétodosdeprotecciónen las computadoras. Los modelos empleados en estos casos son modelos detallados del hardware, que resultarían inadecuados para la simulación del comportamiento de un SistemaEléctricodePotenciaysusprotecciones. Losmodelosgenéricosresultansuficientesparaelanálisisyprevencióndelasoperaciones incorrectasen sistemas deprotecciones eléctricasinstaladosoque sepretendaninstalar en un Sistema Eléctrico de Potencia cualquiera. Estos modelos son mucho más representativos que los modelos fasoriales que utilizan los valores eficaces calculados mediantemétodosmatriciales. Enlamodelacióngenéricadelosdispositivosdeprotecciónseestáempleandoelmétodo de caja negra, donde se relacionan matemáticamente las entradas y salidas de un dispositivodeterminado.Estavariante,aunqueeslamásutilizada,presentainconveniente

Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas

M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe

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Actualidad en la Modelación y Simulación de Protecciones Eléctricas

9

en la modelación de los Relés Electromecánicos; dado que en estos, influyen otras variablesensufuncionamiento. Losdispositivosbasadosentécnicasdeinteligenciaartificial,ampliamenteinvestigadosen la actualidad, pero de muy poca aplicación real o comercial, no pueden ser puestos en funcionamiento sin el uso de simuladores. Muchos de estos dispositivos aprenden o precisandereglasdeconocimientos,esdecir,nonecesitandeserajustados,porloqueel empleo de simuladores que brinden los datos necesarios para el aprendizaje, son imprescindibles. Losactualesestudiosdeprotecciones,basadasenRedesdeNeuronasArtificiales(RNA), emplean el simulador EMTP® y crean, entrenan y comprueban la RNA utilizando MATLAB®uotrasherramientasmatemáticas.

ResumendelaTesis

10

Se construyeron los modelos matemáticos de varios dispositivos de protección y se simularonutilizandoelsoftwareMATLAB/Simulink.EnlaBibliotecaPowerSystemBlockset de Simulink existen varios modelos de los elementos del Sistema Eléctrico de Potencia (transformadores,generadores,líneas,motores,entreotros)asícomoalgunosdispositivos de protección tales como los descargadores valvulares, interruptores de potencia, entre otrosqueseutilizanenlamodelaciónmatemáticadeunsistemadeprotecciones. EnestecapítuloseconstruyeronmodelosparaTransformadoresdeCorrientedadoqueno existenenMATLAB,asícomoelmodelogenéricodevariosRelésdeProteccióndemayor utilizaciónenlaprácticanacional.

Elconjuntodeecuacionesutilizadasparalamodelaciónmatemáticadelostransformadores decorrientesemuestraacontinuación: i ' P  =

i P   K TC 

i 0 = i ' P  − i S  =  f  (i0 )

 I  S  ( s ) =

 s (  R  H  +  s ⋅  L  H  )

ψ 

(s)

Donde: Ip:

corrientedeldevanadoprimario

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M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe

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ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas



11

I’p:

corrientedelprimarioreferidaalsecundario

Is:

corrientedeldevanadosecundario

K  TC :

relacióndetransformacióndecorriente

Io:

corrientedemagnetización

ψ : 

concatenacionestotales deFlujo

R H :

resistencia equivalente calculada a partir de la suma de la resistencia interna del devanado secundarioylacarga.

X  H :

reactanciaequivalentecalculadaapartirdelasumadelareactanciainternadeldevanadosecundario  ylacarga.

s:

operador de Laplace

ModeloenSimulinkparalasimulacióndeunTCmonofásicoconsiderandolasaturaciónatravésde unasolacurvadehistéresisylamáscaradinámicaparaidentificarelmodeloconelTCquese deseaestudiar.

ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas



12

Estas ecuaciones se obtuvieron con la aplicación de las Leyes de Kirchhoff al circuito equivalente del Transformador de Corriente. Son fundamentalmente ecuaciones diferencialesdeprimerorden,perolarelaciónentrelasconcatenacionestotalesdeflujo(

ψ)

ylacorrientedemagnetizaciónesunarelaciónnolineal,querepresentalosfenómenosde histéresisdelnúcleo. SeconstruyóunmodeloenSimulink(figura1.0)paralasimulacióndelosTransformadores deCorrienteelcualutilizaunasolacurvaparasimularlahistéresisdelnúcleo,mediante unatabladebúsqueda(lookuptable).Tambiénsemuestralamáscaradinámicacreada paraqueelusuariointroduzcalosdatosqueidentificanelTransformadordeCorrienteque sedeseasimular. 120 100

   )    A    (   a    i   r   a    d   n   u   c   e   s   e    t   n   e    i   r   r   o    C

80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Tiempo(s) Corriente ideal(líneadiscontinua)y real(líneacontinua),simuladas con elmodelodelTC de100/5, R= 1.58y X= 4.52 utilizandola funcióntangencialhiperbólicaparasimularlaalinealidaddelnúcleo. Devanadosecundarioen cortocircuito. La corriente simulada esde 10veceslanominal.

Tambiénsecreóunmodelodetransformadordecorrientetrifásico,construidoapartirdela unión de tres transformadores de corriente monofásicos, en el que adicionalmentea la

ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas



13

curva de saturación del núcleo se permite cambiar la conexión de los devanados del secundario. En la figura 2.0 se muestra los resultados de la simulación de un TC monofásicoconcorrientemayoresa10veceslanominalyconcomponentesdedirecta, muyfrecuentesenloscortocircuitodelossistemaseléctricosdepotencia. Enlafigura3.0semuestraladependenciadeladeformacióndelaondadelacorrienteen el secundario con relación a la componente resistiva o reactiva de la impedancia equivalentedelcircuitosecundariodelTransformadordeCorriente. 80

80

60

60

40

40

   )    A    ( 20   e    t   n 0   e    i   r   r -20   o    C

   ) 20    A    (   e 0    t   n   e-20    i   r   r   o-40    C

-40 -60 -80

-60

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Tiempo(s)

0.08

0.09

0.1

-80

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Tiempo(s)

Corrientessecundarias,idealyrealsimulada,deunTC,conunaintensidadde10veceselvalornominal.Cargas resistivapura mayormenteinductiva.ElTCsimuladoposeelosmismosdatosqueelutilizadoenlafigura2.0

Cuando la componente resistiva es mayor (figura 3.0 a), la deformación es visualmente menoryduramuchomenosciclossisecomparaconlacorrientecuandolaimpedanciaes mayormenteinductiva(figura3.0b).Adicionalmentesecomprobólavalidezdelosmodelos comparándolosconlosresultadosdedosensayosaTransformadoresdeCorrienterealesy las formas de onda son muy similares. Como curva de excitación se utilizó la función tangencialhiperbólica.

ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas



14

Los modelos de los Relés de Protección se realizaron según el método de caja negra, tomandocomoseñaldeentradalosparámetroseléctricosqueutilizanensufuncionamiento y comoseñalde salida, elestado del contacto de disparo. La salida “0” significa que el dispositivovirtual(modelo)haoperado.

ModeloenSimulinkparaunRelédePorcentajeDiferencialde doble rampa, perorepresenta la generalidad de losmodelos creados.

Enlafigura4.0semuestraelmodelo deunReléPorcentajeDiferencialdondesepueden observar las características fundamentales de la modelación empleada en Simulink para cualquierRelé.LassalidasdelmodelosoncontroladasporelestadodelavariableA,la cualesmodificadaporelusuarioenlasmáscarasdinámicasquesecrearonparaestefin. Enestecaso,elmodeloutilizatresseñalesdecorrienteyunasalida.ElbloqueTripColor permitecambiarelcolordelmodelodurantelamodelación,sieldispositivomodeladoha operado. Semodelaronlossiguientesdispositivos,queseenumeraránenformageneralutilizandola numeraciónANSI/IEEE:

ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas

•



15

RelésdeMagnitud o

RelésdeSobrecorriente(50y51)

o

RelésdeBajayAltaTensión(27y59)

o

RelésdeBajayAltaFrecuencia(81U/O)

•

RelésDireccionales(67y32)

•

RelésdeDistancia(21)

•

RelésDiferenciales(87)

LosRelésdemagnitudsonaquellosqueutilizanunasolavariableoparámetroeléctrico para su funcionamiento. Dentro de estos se modelaron varios tipos de Relés de Sobrecorriente,RelésdeSobrecorrientedeTiempoInversoyTiempoDefinido.LosRelés detiempodefinidocontiempocero,imitanlosRelésdeSobrecorrienteinstantáneos. SecrearonlossiguientesmodelosdeRelésdeSobrecorriente: •

RelésdefasedeTiempoDefinidoeInverso.

•

RelésdeSecuenciaCerodeTiempoDefinidoeInverso.

•

RelésdeSecuenciaNegativadeTiempoDefinidoeInverso.

•

RelésconRestricciónporTensión.

EstosReléspuedenserseleccionadosenlabibliotecayserinstaladosenunmodelode Power System Blockset de Simulink, para ser una simulación de una instalación real cualquiera.TodoslosRelésdeSobrecorrientemodeladossondeampliautilizaciónenla práctica nacional e internacional. Las curvas de tiempo contra corriente modeladas respondenalosestándaresANSI,IAC,IEC.

ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas



16

SeconstruyeronlosmodelosdevariosRelésDireccionales,tantolosRelésDireccionales de comparación de fase, como los Relés Direccionales de potencia. Adicionalmente se incluyen losRelés Direccionales deSobrecorriente (67). En susvariantes monofásicasy trifásicas, así como los Relés Direccionales de Secuencia Cero. Las ecuaciones que permitieronmodelarestosReléssonlassiguientes: Cos (

 sm

−

r 

) = Cos(

Pr = Ur  ⋅  Ir  ⋅ Cos(

 sm

 sm

−

−( r 

u

−

i

)) > 0

)

donde: ϕ r :

ángulodedesfaseentrelasseñalesdetensiónycorrientemedidasporelReléDireccional.

ϕ u :

ángulodedesfasedelatensiónmedidoporelReléDireccional.

ϕ i :

ángulodedesfasedelacorrientemedidaporelReléDireccional

ϕ sm :

ángulodemáximasensibilidadajustadoenelReléDireccionalocaracterísticodelmismo.

Ur:

valoreficazdelatensiónmedidaporelReléDireccional.

Ir:

valoreficazdelacorrientemedidaporelReléDireccional.

Pr:

potenciamedidaporelReléDireccional.

ModelosdeRelésdeDistanciatambiénfueronincluidosenlabibliotecacreada.Sepueden simular dos tipos fundamentales de Relés de Distancia, basado en un modelo de comparacióndefase,losdeltipoMHOylosElípticos.Lasecuacionessonlassiguientes:  Z 2 =

U r   I r 



 Z op =  Z 2 − Z 1  Z  pol  =  Z 2 Donde: Ur:

valorcomplejodelatensiónmedidaenelRelédeDistancia.

 I r:

valorcomplejodelacorrientemedidaenelRelédeDistancia.

Z  1 :

valorcomplejodelaimpedanciaajustadaenelRelédeDistancia.

Z  2 :

valorcomplejodelaimpedanciamedidaenelRelédeDistancia.

Zop:

impedanciadeoperacióncalculadaenelRelédeDistancia.

Zpol:

impedanciadepolarizacióncalculadaenelRelédeDistancia.

ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas



17

Igualmente se simularon varios tipos de Relés Diferenciales. Los Relés Diferenciales de Sobrecorriente,asícomolosdePorcentajeDiferencialdeunaydosrampas,condiferentes comportamiento en dependencia de las corrientes de retensión. Las ecuaciones para modelarunReléDiferencialde2rampaseslasiguiente:  Iop =  I 1 − I  2  Iret  = máximo( I 1 , I 2 ) Si

 Iret  ≤ 1 pu

y  Iop >  Is1

entoncesopera 

Si

1 pu <  Iret  < Is 2

y  Iop >   K 1 ⋅ Iret 

entonces opera 

Si

 Iret  ≥  Is 2

y

 Iop >   K 2 ⋅ Iret 

entonces opera  

Donde: Iop:

valoreficazdelacorrientediferencialcalculadaenelReléDiferencial.

Iaj:

valoreficazdelacorrientepreestablecidaenelReléDiferencialporencimadelacualopera.

I 1 :

valorcomplejodelacorrientemedidaporelReléDiferencialenunterminaldelelementoprotegido.

I 2 :

valorcomplejodelacorrientemedidaporelReléDiferencialenelotroterminaldelelementoprotegido.

Iret:

valoreficazdelacorrientederetencióndelRelé.

K  1 :

coeficientederetenciónajustableenelRelé.

Is1:

corrienteajustablequeestableceelmínimovalordecorrientedeoperacióndelRelé.

Is 2:  

corrientederetencióndelReléDiferencialporencimadelacualsecambiaalasegundarampa

K  2 :

coeficientederetencióndelasegundarampa

ParavalidarelfuncionamientodelosRelésdeProteccióncreados,seutilizólaposibilidad de MATLAB para el trabajo en tiempo real a través del equipo dSPACE, que es una interfaseparalaadquisicióndedatos.Enlafigura6.0semuestraundiagramamonolineal delainstalaciónutilizada.

ModelaciónMatemática,SimulaciónyComprobacióndeDispositivosdeProteccionesEléctricas

 Esquemasimplificadodelexperimentoparalaproteccióndigitaldeunmotordeinducción.



18

VistafrontaldeldSPACE

Se experimentó con varios tipos de defectos y averías en el motor: cortocircuitos multifásicosymonofásicosatierraenelmotor,sobrecargassimétricasyasimétricas,bajay sobre tensión, entre otros, los cuales se repitieron más de 20 veces cada uno. Los resultados de la operación de la protección computarizada mostraron que los modelos simuladosenMATLABrespondencomolohacensushomólogosenlapráctica.Enlafigura 7.0semuestralaformadeondadelacorrientedelestatorduranteelprocesodearranquey duranteuncortocircuitobifásicoenelterminaldelmotorqueesdesconectado.

Imagencapturadadesdeelosciloscopiodigital,quepresentalascorrientesenlafaseAdelmotorreferidaalsecundariodel TC duranteelarranque duranteunfallobifásicoatierraqueinvolucrólasfasesAyC. 

ResumendelaTesis

19

Enestecapítulosesimulanlasproteccionesinstaladasendostransformadoresdepotencia diferentes correspondientes a subestaciones industriales reales. Los casos de estudios corresponden con los Transformadores de Potencia de las empresas niquelíferas ComandantePedroSotoAlbayComandanteErnestoCheGuevara. EnambosTransformadoresdePotencia,quetienencaracterísticasdiferentesencuantoa lapotencianominal,laconexióndelneutro, entreotrosaspectos, estánsiendoprotegidos porRelésbasadosenmicroprocesadoresdelafirmaGeneralElectricPowerManagement. LosRelésSR-745(protecciónintegraldetransformadores)ySR-750(protecciónintegralde alimentadores)estáninterconectadosparaprotegeralostransformadorescontratodoslos defectostantointernocomoexternosalosmismos.

En la figura 8.0 se muestra un diagrama monolineal de las funciones de protección instaladas en los Relés SR-745 y SR-750. Este diagrama se construyó a partir de los ficheros de ajustes extraídos de los Relés Digitales, los planos de instalación y las entrevistasconlostécnicosyespecialistasdelaempresa. Apartirdelosnivelesdecorrientesdecortocircuitosylosdatosgeneralesdelainstalación, semodeló elSistema Eléctrico dePotenciay sus protecciones.Utilizando los modelosde RelésdelaBibliotecaVirtualdeProteccionesEléctricascreadaenMATLAB/Simulink,se

Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas

M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe

Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez

Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia

20

modelaron lasfunciones deproteccióndelosRelés Digitales MultifunciónSR-745y SR750.

Esquema simplificado del sistema de protección del TransformadordelaSubestaciónenlaempresaComandante PedroSotoAlba,utilizandolasimbologíaANSI.

En la figura 9.0 se muestra el modelo creado en Simulink para la simulación de las proteccioneseléctricaseneltransformadordepotenciadelaPSA.Sesimularonmuchas averías tantointernas como externas,sesimulólamagnetización durantelascondiciones másseveras,tantoporelprimariocomoporelsecundario,entreotrosmuchosregímenes paraverificarelcomportamientodelasproteccionesinstaladas. Luegoderealizadalasimulación,sedetectaronlassiguientesdificultades: 1. AjustesincorrectosenlafuncióndePorcentajeDiferencial 2. AjustesincorrectosenlafunciónDiferencialInstantánea 3. Demorasexcesivasparalaaccióncontracortocircuitosexternosenelsecundario

Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia

21

4. NoexisteproteccióncontraSobretensiones  A

 A

 A

B

B

B

C

C

C

No Fault

No Fault

3-Phase Fault5

No Fault

3-Phase Fault1

 A

 A N

B

 A

 A1

B

B1

com

a

C1

Scope1

Three-phase Transformer 

NOT

Out

1

NOT

In

B

Scope2

I3f 

TC wye 1600/1

B C

Vabc C

 A

B

C

com

Iabc

C

3-Phase Breaker1

Three-Phase V-I Measurement

1.048e-012 PQ

3-phase Instantaneous  Active & Reactive Power   A

u O

u O

u O

1.434e-017 Display

B C

TP

Display1

Controlled Timer 

B

Iabc f 

Ground Resistor  25.4 Ohm

C1

I3f 

 A

 A

Vabc

TC 1  A 200/5

Out

 A

B1 C

TC wye 1600/5

I3f 

Locker 1 (86)1

Timer2

C1

n

 A B

C c

C

TC wye 200/5

 A1

 A

B1

B

Fault  ABC

3-Phase Fault6

B

B

Start Reset

 A1

C C

C

3-Phase Fault3

b

C

3-Phase Breaker 

B

C

 A

B

C

 A

B

No Fault

3-Phase Fault2

 A

 A

c b a

 A

B

C

3-Phase SeriesRLC Load

0 Display2 NOT

In

NOT

Out

Start Reset

Controlled Timer1

Out

Locker 2 (86) Open wires

Timer1

Iabc_P

Out

Out

In

Iabc_S

 AND Uph

m SR-745

Iabc Out In

SR-750

EsquemaenSimulinkparaelanálisisdelcomportamientodeltransformadordelaEmpresaComandantePedroSotoAlba.

Las dificultades en la función de Porcentaje Diferencial se refieren a tres aspectos relacionadosconlacorrientemínima,elnivel(%)delasegundarampayelmecanismode bloqueopor armónicos.Lacorrientemínima está ajustada aun valor muy pequeño yse demuestraqueeste ajusteprovocalaactivacióndeestafuncióncuandounconductordel secundariodeunodelosTCsestáabiertoylacargaaumentaporencimadel30%dela nominal. El ajuste relacionado con la segunda rampa es igualmente elevado y se demuestra que provoca la insensibilidad de la función de protección para cortocircuitos internos, si el interruptor del secundario está abierto. También se propone activar el mecanismodebloqueoporsegundosarmónicossolodurantelamagnetización,evitando conestodemorasdelasproteccionessiloscortocircuitosinternossaturaranalosTCs.

Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia

22

Todaslasdeficienciasencontradasfuerondemostradasutilizandoregímenesdemáximasy mínimasensibilidadatravésdelasimulación.Lasrecomendacionesnosoloselimitaronal reajustedealgunasfuncionesdeprotecciónsinoinclusoalaseleccióndeotrasfunciones queevitaranlosretardosdetiempos.Delamismaformaseofrecieronotrassugerenciasen aspectosrelacionadosconeltrabajoylafuncióndelosRelésdelafamiliaSR.

ElesquemadeproteccionesinstaladoenelTransformadordePotenciadeestaempresa fue facilitado por los técnicos(especialistas) de lamisma. Las conexiones del neutro en este caso son diferentes, así como existen más funciones activadas en cada Relé Multifunción. Sehicieronsimulaciones adiferentesregímenesdelosqueseconocenque puedenafectarelcorrectofuncionamientodelasfuncionesdeprotecciónactivadas. Luego de simulado el sistema y sus protecciones, se descubrieron las siguientes dificultades: 1. Noexisteprotección contrafallasa tierraen eldevanadoprimariosi elneutroestá desconectado. 2. Incorrecta selección de las funciones de protección contra fallas a tierra en el devanadosecundario. 3. AjustesincorrectosenlafuncióndePorcentajeDiferencial. 4. AjustesincorrectosenlafunciónDiferencialinstantánea 5. Noexisteproteccióncontrafallasmultifásicasexternasenelsecundario 6. NoexisteproteccióncontraSobretensiones.

Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia

23

Delamismaformaenqueserealizóparaelcasodeestudio1,todaslasdificultadesfueron demostradasatravésdelasimulaciónyseofrecieronvariantesparacadaunadeellas. Igualmente cada una de las variantes fue verificada en las condiciones más severas de operación.Encadacasoseofrecieronlosvaloresdeajustescorrespondientes. En este capítulo se evidenció la necesidad del empleo de la simulación adecuada para determinarlascausasdelasincorrectasoperacionesdelossistemasdeproteccionesque yaestáninstalados,asícomoparaproponermejorasdeformarápidayeficazevitandoque serepitanenelfuturo.AdicionalmentesemuestralaeficaciadelempleodelaBiblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas creada sobre MATLAB/Simulink para la validación y comprobación desistemascomplejosdeproteccioneseléctricas,aúnconlautilizaciónde RelésMultifunción.

ResumendelaTesis

24

En este capítulo se muestra la propuesta de un Relé basado en Redes de Neuronas ArtificialesparalaproteccióndeunTransformadordePotencia,quenotienelasdificultades queaúnmuestranlasproteccionesconvencionalesbasadasenlalógicabooleana.

DiagramaenbloquesdeloscomponentesdelRelébasadoenRNA

SeescogeunReléparalaproteccióndeltransformadordepotenciaconsideradoenelcaso deestudioIIdelcapítuloIII,quetieneeldevanadodelprimarioconectadoenestrellayel secundarioestáconectadoendelta.ElRelépropuestosemuestraenlafigura10.0,elcual está conectadoa lostransformadoresdecorrientedelasfases deambosdevanadosy el neutro.Comoseobserva,laRNAessolounbloquedentrodelRelé.

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Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez

SimulacióndelaproteccióndeunTransformadordePotenciautilizandoRedesNeuronalesArtificiales

 25

Enestetrabajosehizo énfasisfundamentalmenteen losúltimos3bloques,lográndosea través de subrutinas apropiadamente escritas en MATLAB. El bloque RNA está representadoporunaRNAde2capasocultas,con35neuronasenlacapadeentraday3 neuronasenlacapadesalida,conlaquesepuedediferenciarentreunrégimennormal (RN) unfallointerno(FI)ounfalloexterno(FE).Laprimeracapaocultaseconstruyócon 18neuronas con funcióntangencialsigmoidal,aligualquelasegunda capaocultacon10 neuronas,peroenlacapadesalidaseutilizólafunciónlogarítmicasigmoidal.Seempleo una Red multicapa con propagación hacia delante (MFNN). Se empleó una ventana de datosde5muestrasparaconformarlaentradadelaRNA,aunafrecuenciademuestreode 960Hz(16muestrasporciclos)

El entrenamiento se realizó a través de regímenes simulados en un modelo en MATLAB/Simulink,utilizandoelmétododeentrenamientosupervisadoconpropagacióndel errorhaciaatrás.Lassimulacionesfueronejecutadasmedianteelmétodoode23tb(stiff/TRBDF2)conintervalosdetemporizaciónvariables,peroquelograbanunmuestreomucho másrápidoque6µs.Cadarégimenfuealmacenadoenficherosconnombrescodificadosy almacenadosenlistas(celdas)devariables. Seutilizaron2652regímenesentrecortocircuitosexternoseinternosqueinvolucrarontodas las fases, procesos de magnetización, regímenes normales, con ambos interruptores conectados o solo uno de ellos, el neutro desconectado o conectado y diferentes

SimulacióndelaproteccióndeunTransformadordePotenciautilizandoRedesNeuronalesArtificiales

 26

conductoresdelsecundariodelosTCsenestadoabierto.Estogeneróunentrenamientode 678912patrones. LuegodeentrenadalaRNAsecomprobósuoperaciónpararegímenesdiferentesalos que fue entrenada y su comportamiento fue satisfactorio. Enningún caso lared mostró resultadosinadecuadosodiferentesalacondicióncomprobada. Enlafigura11.0semuestraelcomportamientodelaRNAparaelcasodeuncortocircuito internoeneltransformadorque provoca lasaturaciónprofunda(erroresdehastael 20%) del TC del primario. Este caso puede provocar demoras excesivas en las protecciones convencionales dado que la onda deformada de la corriente del secundario, puede ser fuentedearmónicosdesegundoordenquepuedanbloquearlaoperacióndelafunciónde PorcentajeDiferencial. Enestecaso,laRNAmuestraclaramenteunasalidaindicandoun cortocircuito internosindemoras, despuésdeleer5 muestras delasseñales decorriente decadafase. Azul (…) (FASE A) Rojo ( - ) (FASE B) Verde (- -) (FASE C)

60

1 0.9

   ) 40    A    (   e   s   a20    f

0.8 0.7

  e    d   s 0   e    t   n   e    i -20   r   r   o    C

Verde ( ) (RN) Rojo (x) (FI) Azul ( ) (FE)

0.6

0.5 0.4 0.3 0.2

-40 0.1

-60 0. 15

0. 16

0. 17

0. 18

0.19

0. 2

0. 21

0. 22

0. 23

0. 24

0. 25

0 140

Tiempo (s)

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

Ventanas de medición

Ensayode laRNApara unrégimennormalseguidopor cortocircuitotrifásicointerno, encondicionesde máximageneraciónqueprovocólasaturaciónprofundadelosTCsdelprimario.a)Corrientesenlasfases delprimario,b)SalidasdelaRNAparaesteensayo.

SimulacióndelaproteccióndeunTransformadordePotenciautilizandoRedesNeuronalesArtificiales

 27

Enlafigura12.0semuestraelcomportamientodelaRNAparaotrocasotípicoquepuede provocarelincorrectofuncionamientodelasproteccionesconvencionales,uncortocircuito monofásico en el primario justo en el momento de la magnetización. En el proceso de magnetizaciónsegeneraunacantidaddearmónicosquepuededemorarlaoperacióndela proteccióndePorcentajeDiferencial.Enestecasola RNAmuestraclaramenteunasalida indicandoFalloInterno(xFI). Azul (…) (FASE A) Rojo ( - ) (FASE B) Verde (- -) (FASE C)

20

   )    A    (   e   s   a    f

15

  e    d   s   e    t   n   e    i   r   r   o    C

5

1 0.9

   A    N 0.8    R 0.7   a    l   e 0.6    d   s 0.5   a    d 0.4    i    l   a 0.3    S

10

0

-5

Verde ( ) (RN) Rojo (x) (FI) Azul ( ) (FE)

0.2

-10 0.1

-15 0

0

0.05

0.1

Tiempo (s)

0.15

0.2

0.25

0

5

10

15

Ventanas de medición

EnsayodelaRNAparaunfallomonofásicoenfaseA,internoeneldevanadoprimario,conelneutro conectadoatierrajustoenelmomentodelaenergizaciónparalascondicionesdemayorgeneración dearmónicos.a)CorrientesreferidasalsecundariodelosTC,b)SalidasdelaRNA.

Un caso seguro de operación incorrecta de las protecciones convencionales son las sobrecorrientes siexisteunconductorenel devanadosecundario delos transformadores decorrienteabierto.Enlafigura13.0semuestralaoperacióndelaRNAparaelcasodeun cortocircuito externo a máxima generación, pero la fase A del secundario de los transformadores de corrientes está abierta. La salida de la RNA muestra claramente un cortocircuitoexterno. Muchos fueron los casos complejos en los que fue comprobada la RNA y en todos los casos se comportó correctamente indicando el tipo de régimen que se estaba

SimulacióndelaproteccióndeunTransformadordePotenciautilizandoRedesNeuronalesArtificiales

 28

comprobando. Incluyendo loscasos de apertura de conductoresen el secundariode los TCsqueprovocainevitablementedisparosincorrectosenlasfuncionesdiferenciales. 30

20

   )    A    (   e 10   s   a    f

1 0.9

Azul (…) (FASE A) Rojo ( - ) (FASE B) Verde (- -) (FASE C)

0.8

   A    N    R   a    l   e    d   s   a    d    i    l   a    S

  e    d 0   s   e    t   n   e-10    i   r   r   o    C-20

0.7 0.6

0.5

Verde ( ) (RN) Rojo (x) (FI) Azul ( ) (FE)

0.4 0.3 0.2 0.1

-30 0

0.05

0.1

0.15

Tiempo (s)

0.2

0.25

0.3

0 100

120

140

160

180

200

220

Ventanas de medición

Ensayo de la RNApara unaun cortocircuito trifásico externo en el secundario a 10 ciclos después de energizado el transformadordepotencia,conlafaseAdelsecundariodelosTC,abierta.

Corrientesenlasfases,lafaseAestásolo

mostradavirtualmente(líneadepuntos). SalidasdelaRNAparaesteensayo.

En este capítulo se demuestra que los Relés basados en RNA son superiores a los convencionales,dadoquesonmáseficacesypuedenserentrenadosparalascondiciones máscomplejasyseverasquepudieranprovocarincorrectasoperacionesenlosdispositivos convencionales.AdicionalmentesecorroboraqueMATLABesunaherramientaadecuada paralaimplementacióndelaBibliotecaVirtualdeProteccionesEléctricas,dadoqueposee herramientasparaeltratamientodeproteccionesqueutilizanlastécnicasdeInteligencia Artificial.

ResumendelaTesis

29

Conclusiones Generales •

De

los

programas

simuladores

digitales

analizados,

MATLAB\Simulink

fue

seleccionado y demostró ser un programa informático adecuado para la simulación de modelos matemáticos de los dispositivos de protecciones tanto primarios como secundarios más empleados en la práctica nacional y además permite crear dispositivos virtuales basados en las Técnicas de Inteligencia Artificial. •

Los modelos matemáticos creados que conforman la Biblioteca Virtual de Protecciones en MATLAB\Simulink, demostraron operar iguales a sus homólogos prácticos, utilizando para ello las tarjetas interfases del sistema dSPACE en la protección computarizada de un motor de inducción.

•

La aplicación de la Biblioteca Virtual creada por el autor permitió detectar numerosas deficiencias en las instalaciones de protección de los Transformadores de Potencia de las Empresas Comandante Pedro Soto Alba y Comandante Ernesto Che Guevara, así como proponer variantes de soluciones para cada deficiencia encontrada.

•

Se confeccionó un Relé Inteligente para la protección del Transformador de Potencia de la Empresa Comandante Ernesto Che Guevara. El Relé basado en una Red de Neuronas Artificiales con ventana de tiempo, con un total de 35 neuronas en la capa de entrada, 18 en la primera capa oculta, 10 en la segunda y con 3 neuronas de salida. Este Relé demostró la capacidad de diferenciar entre los regímenes normales, fallos internos y externos, incluyendo la apertura de un conductor en el circuito diferencial secundario, cuestión no analizada con anterioridad por otro autor.

Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas

M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe

Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez

ResumendelaTesis

30

Recomendaciones

Finalmente se recomienda lo siguiente: •

Continuar las investigaciones para introducir otros modelos en la Biblioteca Virtual representativos de nuevas funciones de protección como las Distancias dinámicas y las Direccionales con memoria, así como modelos de Relés basados en Redes de Neuronas Artificiales para la protección de redes y generadores eléctricos contra fallas monofásicas en sistemas aislados, entre otros.

•

Continuar

trabajando

y

perfeccionando

la

modelación

matemática

de

los

Transformadores de Corriente de tal forma que se pueda añadir a la Biblioteca Virtual, un modelo de Transformador de Corriente genérico con un proceso de histéresis que permita representar todos los fenómenos que ocurren en la realidad. •

Lograr una modelación matemática menos rigurosa de los elementos del Sistema Eléctrico de Potencia con el fin de ganar en velocidad de modelación y reducir las exigencias del hardware de la PC que se utilice.

•  Adquirir un sistema dSPACE para fomentar la creación en el país de nuevos Relés

Digitales con novedosas funciones de protección e iniciar la producción nacional de Relés Digitales Inteligentes. •

Utilizar la herramienta creada en la verificación de los sistemas de protección digitales multifunción, instalados en el Sistema Eléctrico de Potencia del país.

Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas

M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe

Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez

ResumendelaTesis

31

Bibliografía del autor:

1. TORRES, O.E.Etal. Simulación deTransformadores de Corrientes enMATLAB/ SIMULINK.IngenieríaEnergética .1(3),2004. 2. TORRES ,O.E. Protección Computarizadadeunmotordeinducciónutilizandoel Sistema dSPACE y una biblioteca de

protecciones eléctricas hecha en

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IV

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