Novos algoritmos para proteção de linhas de transmissão durante oscilações de potência
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
João Ricardo da Mata Soares de Souza
Eduardo Gonzaga da Silveira
Alberto Resende de Conti
Felipe Vigolvino Lopes
Eduardo Gonzaga da Silveira
Alberto Resende de Conti
Felipe Vigolvino Lopes
Resumo
A literatura técnica atual, relativa à proteção de sistema elétricos de potência, tem
dado destaque importante ao estudo de oscilações de potência, em especial as oscilações
de potência simétricas. Nesses casos, observam-se efeitos iguais, ou aproximadamente
iguais, nos sinais trifásicos de tensão e corrente. No entanto, oscilações de potência
assimétricas também podem acontecer. Nessas condições é notório o desequilíbrio existente
nos sinais trifásicos. Durante qualquer condição de oscilação de potência, simétrica ou
assimétrica, a impedância aparente se desloca no plano RX, podendo entrar nas zonas
de operação da proteção de distância. Esse é um problema para a proteção de distância,
que pode detectar como falta uma condição de oscilação de potência. Para evitar esse
mau funcionamento, a função de bloqueio por oscilação de potência deve bloquear a
proteção de distância durante oscilações de potência. Contudo, estando a proteção de
distância bloqueada, o rápido desbloqueio é necessário se ocorrer um curto-circuito durante
a oscilação de potência. Nesse caso, a função de desbloqueio deve detectar a existência
da falta e desbloquear a proteção de distância, que eliminará a falta. É nesse contexto de
funções complementares, de bloqueio e desbloqueio, que se desenvolve este estudo, sendo
propostos dois novos algoritmos. O primeiro algoritmo proposto (ALG-A) é desenvolvido
considerando formulação matemática, amplamente encontrada na literatura, utilizada para
modelar oscilações de potência simétricas. Logo, o algoritmo proposto ALG-A se limita a
este contexto. Já o segundo algoritmo proposto (ALG-B) é desenvolvido a partir de nova
formulação matemática, proposta originalmente neste estudo, capaz de modelar condições
de oscilações de potência simétricas e assimétricas. Portanto, o algoritmo proposto ALGB
se aplica a um amplo contexto, que considera condições de oscilações de potência
simétricas e assimétricas, caracterizando-o como um método de proteção multifunção. É
comum aos dois algoritmos propostos (ALG-A e ALG-B) o emprego de solução analítica,
também originalmente desenvolvida no escopo deste estudo. É demonstrado que o filtro de
Fourier em conjunto com o teorema de Fortescue estimam fasores de sequência negativa
durante oscilações de potência. Então, esses fasores podem ser utilizados para detectar
oscilações de potência e faltas durante oscilações de potência. Entre as vantagens, cita-se
que os algoritmos propostos dispensam estudos sistêmicos complexos para definir ajustes
de parametrização. Além disso, demandam baixa frequência de amostragem e utilizam
ferramentas matemáticas comumente encontradas em relés de proteção, como filtros
Butterworth, filtro de Fourier e o teorema de Fortescue. Os dois algoritmos são validados
inicialmente diante de cenários de testes obtidos a partir do software Matlab/Simulink,
onde foi modelado um sistema elétrico IEEE-9 Barras. Os resultados mostram que a
função de bloqueio atuou corretamente diante de todos os testes realizados. A função de
desbloqueio também obteve bom desempenho, se mostrando superior a dois algoritmos
disponíveis na literatura. Diante de casos reais de oscilações de potência, entre os algoritmos
propostos, apenas o algoritmo proposto ALG-B obteve desempenho totalmente adequado,
corroborando com a confiabilidade e segurança deste novo método.
Abstract
The current technical literature, concerning power system protection, has given emphasis
to the study of power swings, especially symmetrical power swings. In such cases, equal or
approximately equal effects are observed in the three-phase voltage and current signals.
However, asymmetrical power swings can also occur. Under these conditions, the existing
unbalance in the three-phase signals is noticeable. During any power swing condition,
symmetrical or asymmetrical, the apparent impedance shifts in the RX plane and may
enter the operating zones of the distance protection. This is a problem for the distance
protection, which can detect a power swing condition as a fault. To avoid this malfunction,
the power swing blocking function must block the distance protection during power
swings. However, as the distance protection is blocked, fast unlocking is required if a short
circuit occurs during power swing. In this case, the unblocking function must detect the
existence of the fault and unblock the distance protection, which will clear the fault. It is
in this context of complementary functions, blocking and unblocking, that this study is
developed, and two novel algorithms are proposed. The first proposed algorithm (ALGA)
is developed considering mathematical formulation, widely found in the literature,
used to model symmetrical power swings. Therefore, the ALG-A proposed algorithm is
limited to this context. The second proposed algorithm (ALG-B) is developed from a
novel mathematical formulation, originally proposed by this study, capable of modeling
symmetrical and asymmetrical power swings conditions. Therefore, the ALG-B proposed
algorithm applies to a broad context, which considers symmetrical and asymmetrical power
swings conditions, characterizing it as a multifunction protection method. Common to
both proposed algorithms (ALG-A and ALG-B) is the employment of analytical solution,
also originally developed in the scope of this study. It is shown that the Fourier filter
and Fortescue’s theorem estimates negative sequence phasors during power swings. Then,
these phasors can be used to detect power swings and faults during power swings. Among
the advantages, it is mentioned that the proposed algorithms do not require complex
systemic studies to define parameterization adjustments. In addition, they work with low
sampling frequency and use mathematical tools commonly found in protective relays, such
as Butterworth filters, Fourier filter and Fortescue’s theorem. Both algorithms are initially
validated against test scenarios obtained from the software Matlab/Simulink, where an
IEEE-9 Bus electrical system was modeled. The results show that the blocking function
worked correctly in all tests performed. The unblocking function also performed well,
outperforming two other algorithms available in the literature. When analyzing real cases
of power swings, among the proposed algorithms, only the ALG-B proposed algorithm
performed fully adequately, corroborating the reliability and safety of this novel method.
Assunto
Engenharia elétrica, Algoritmos, Oscilações, Proteção elétrica
Palavras-chave
Oscilações de potência simétricas, Oscilações de potência assimétricas, Bloqueio por oscilação de potência, Detecção de falta durante oscilações de potência, Proteção de distância