Filtrado de señales sub-sincrónicas aplicado a la protección de distancia en líneas de transmisión con compensación serie capacitiva - Comellys Checa, Javier Antonio; Orduña, Eduardo (San Juan, Argentina : Universidad Nacional de San Juan, 2023)
El área de las protecciones eléctricas, aplicado a los sistemas de potencia, requiere de un análisis continuo. Y esto debido a la dinámica que presenta la red eléctrica a medida que se incrementa la demanda. Los sistemas se interconectan y se incluyen nuevos equipos con motivo de los cambios en tecnología. Todo esto, genera nuevos retos para los profesionales del área de protecciones, ya que su diseño implica que deben ser confiables, rápidos y seguros, al momento que el equipo evalúe el estado del sistema y tome la decisión de enviar un disparo, para aislar la zona fallada. Las líneas de transmisión con compensación serie capacitiva tienen ventajas técnicas y económicas en los sistemas de potencia, dado que es un método efectivo para aumentar la capacidad de transmisión de una manera confiable en los sistemas de alta tensión, sin tener que construir nuevas líneas eléctricas. Además, tiene la capacidad de mejorar la calidad y estabilidad del sistema de potencia, especialmente con la tecnología de sistemas flexibles de transmisión AC (FACTS). Pero al momento en que ocurre un fenómeno transitorio, las protecciones de distancia se ven afectadas en su desempeño, lo que puede originar disparos indeseados en la protección. Dentro de los problemas que se pueden presentar cuando se aplica el esquema de protección de distancias en una línea compensada, se encuentra la inversión de tensión y corriente en el punto donde se ubica el relevador y la estimación de la impedancia de falla por motivo del efecto que tiene el capacitor serie en el circuito. El problema que se aborda en este trabajo está orientado a la identificación y selección de la zona fallada en una protección de distancia cuando se generan frecuencias sub- armónicas y se presentan oscilaciones en la señal de corriente, lo que puede provocar una mala actuación del relevador al momento que requiera despejar una falla. En esta investigación se desarrolla un marco referencial del problema con respecto a los efectos que tiene la compensación serie capacitiva, en los sistemas de transmisión. Se verifican las técnicas de protecciones que se aplican para el caso en que la línea de transmisión se encuentre con compensación serie capacitiva y se analizan las técnicas que pueden clasificar e identificar fallas en una protección de distancia. Por último, se desarrolla una nueva metodología que permite identificar fallas que generan componentes de frecuencias que se encuentran por debajo de la frecuencia fundamental y mejorar la estimación de la impedancia de falla, por medio de un filtro que se puede aplicar en la protección de distancia como un complemento de los filtros actuales utilizados en las protecciones digitales. El procedimiento utilizado en este trabajo incluye la aplicación de la Transformada S, con una frecuencia de muestreo diferente al utilizado con el algoritmo de Fourier, esto para identificar frecuencias por debajo de la fundamental. Luego que la Transformada S logra detectar frecuencias sub-armónicas, se aplica el método de Prony con una variante que permite estimar el fasor de corriente y tensión con una menor oscilación, comparado al algoritmo de Fourier. Los resultados de este trabajo permiten mejorar la confiabilidad de la protección de distancia cuando se aplica en líneas con compensación serie capacitiva. La metodología aplicada permite que el nuevo algoritmo se pueda utilizar en protecciones reales de una manera sencilla. Las pruebas realizadas se desarrollaron con el Programa de Transitorio ATP y el análisis de procesamiento de señales se realiza con el lenguaje de programación de Python y Matlab.
The area of electrical protection, applied to power systems, requires continuous analysis. This is due to the dynamics that the electrical grid presents as demand increases. Systems interconnect and new equipment is included due to changes in technology. All this generates new challenges for professionals in the field of protection, as their design implies that they must be reliable, fast, and safe when the equipment evaluates the system's status and makes the decision to send a trip signal to isolate the failed area. Transmission lines with capacitive series compensation have technical and economic advantages in power systems, as it is an effective method to increase the transmission capacity in a reliable way in high-voltage systems, without having to build new electrical lines. In addition, it improves the quality and stability of the power system, especially with flexible AC transmission systems (FACTS) technology. However, when a transient phenomenon occurs, distance protections are affected in their performance, which can lead to unwanted trips in protection. Among the problems that can arise when applying the distance protection scheme to a compensated line are voltage and current inversion at the point where the relay is located and the estimation of fault impedance due to the effect of the series capacitor in the circuit. The problem addressed in this work is oriented towards the identification and selection of the failed area in distance protection when subharmonic frequencies are generated and oscillations occur in the current signal, which can cause poor relay performance when clearing a fault. In this research, a reference framework is developed for the problem concerning the effects of capacitive series compensation on transmission systems. The protection techniques that are applied in the case where the transmission line is with capacitive series compensation are verified, and the techniques that can classify and identify faults in distance protection are analyzed. Finally, anew methodology is developed that allows for the identification of faults that generate frequency components below the fundamental frequency and improves the estimation of fault impedance through a filter that can be applied in distance protection as a complement to the current filters used in digital protections. The procedure used in this work includes the application of the S-Transform, with a sampling frequency different from that used with the Fourier algorithm, to identify frequencies below the fundamental. Once the S-Transform detects subharmonic frequencies, the Prony method is applied with a variant that allows for the estimation of the current and voltage phasor with less oscillation, compared to the Fourier algorithm. The results of this work improve the reliability of distance protection when applied to lines with capacitive series compensation. The applied methodology allows the new algorithm to be used in real protections in a straightforward way. The tests performed were developed with the ATP Transient Program, and signal processing analysis was carried out with the Python and Matlab programming languages.
Capitulo 1. Marco referencial. -- Capitulo 2. Análisis de líneas con compensación serie capacitiva 9. -- Capítulo 3. La protección de distancia aplicada en líneas con compensación serie capacitiva. -- Capítulo 4. Técnicas de PSD para estimación de fasores. -- Capitulo 5. Nueva Metodología. -- Capitulo 6. Pruebas y resultados. -- Capitulo 7. Conclusiones y recomendaciones.
Tesis (
Incluye referencias, páginas 107-112, anexos, páginas 113-143.
DIE
Javier Antonio Comellys Checa.
Keywords: Energía eléctrica; Ingeniería eléctrica; Tesis y disertaciones académicas; Doctor en Ingeniería Eléctrica