ALGORITMO DE ALTO DESEMPENHO PARA PROTEÇÃO NUMÉRICA DE LINHAS DE ...

182 Pages·2012·4.3 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ALGORITMO DE ALTO DESEMPENHO PARA
PROTEÇÃO NUMÉRICA DE LINHAS DE
TRANSMISSÃO IMUNE A OSCILAÇÕES DE
POTÊNCIA

Tese de Doutorado

Adriano Peres de Morais

Santa Maria, RS, Brasil
2012
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ALGORITMO DE ALTO DESEMPENHO PARA
PROTEÇÃO NUMÉRICA DE LINHAS DE
TRANSMISSÃO IMUNE A OSCILAÇÕES DE
POTÊNCIA

por

Adriano Peres de Morais

Tese de Doutorado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica, Área de Concentração em Processamento de Energia, da
Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para a
obtenção do grau de
Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Ghendy Cardoso Junior, Dr. Eng.

Santa Maria, RS, Brasil
2012
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Tese de Doutorado – Adriano Peres de Morais UFSM/PPGEE
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© 2012
Todos os direitos autorais reservados a Adriano Peres de Morais. A reprodução de partes ou
do todo deste trabalho só poderá ser feita com autorização por escrito do autor. Endereço: R.
Comissário Justo, 1486/406, Bairro Centro, Santa Maria, RS, 970100-110.
Fone 55 32208047; End. Eletr.: [email protected]
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Tese de Doutorado – Adriano Peres de Morais UFSM/PPGEE
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente, gostaria de agradecer imensamente ao Professor Ghendy
Cardoso Junior, orientador desta tese, pelos conhecimentos transmitidos, seriedade, e
pela sua amizade durante estes anos de convivência.
Ao Professor Lenois Mariotto por toda a atenção, colaboração, amizade e apoio
que tem me fornecido desde os tempos da graduação em Engenharia Elétrica.
Aos Professores Denis Vinicius Coury, Marcus Vinícius Alves Nunes e Daniel
Pinheiro Bernardon, membros da Comissão Examinadora, pelas valiosas sugestões.
Aos colegas do CEEMA pela agradável convivência durante o
desenvolvimento deste trabalho. Ao acadêmico do curso de Engenharia Elétrica,
Flaviano Stefanello, pelo empenho e responsabilidade nas simulações no ATP.
Aos professores, colaboradores e colegas do CTISM em especial aos colegas
que não hesitaram em trocar aulas comigo durante os períodos que necessitei.
Aos funcionários da secretaria do PPGEE, em especial ao Carlo Castelanelli,
pela atenção e responsabilidade sempre demonstradas.
À CAPES, pelo suporte financeiro e à Universidade Federal de Santa Maria
por ter me proporcionado um ensino de qualidade e gratuito.
A todos meus familiares que torciam por mim. Ao meu irmão, e grande amigo,
Franco pelo apoio em todos os momentos. A minha namorada Raquel pela atenção,
carinho e incentivo durante esta caminhada.
Um agradecimento especial aos meus pais Franklin e Sêila, pelo apoio
incondicional em todas as minhas escolhas e pela compreensão nos momentos em que
não estive presente durante todos estes anos de estudo.
À Deus pela vida e pela oportunidade de ter encontrado estas pessoas.
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“Pesquisar é ver aquilo que todos os
demais viram e imaginar aquilo que
ninguém havia pensado”
Albert Szent Györgyi
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RESUMO
Tese de Doutorado
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Universidade Federal de Santa Maria
ALGORITMO DE ALTO DESEMPENHO PARA PROTEÇÃO
NUMÉRICA DE LINHAS DE TRANSMISSÃO IMUNE A
OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA
AUTOR: ADRIANO PERES DE MORAIS
ORIENTADOR: GHENDY CARDOSO JUNIOR, Dr. Eng.
Local e Data da Defesa: Santa Maria, 04 de Maio de 2012
Neste trabalho propõe-se uma nova metodologia de proteção de linhas de transmissão,
tolerante as oscilações de potência. O algoritmo desenvolvido tem a capacidade de detectar,
classificar e localizar todos os tipos de faltas, com e sem a presença de oscilações de potência,
inclusive aquelas que produzem altos valores de resistência de falta. Em uma primeira etapa
com o emprego do método de ajuste de curvas por mínimos quadrados desenvolve-se um
estimador para localizar a posição das faltas. Para fins de proteção, este é modelado por meio
de um circuito R-L série representado por suas equações diferenciais. Em uma segunda etapa
são apresentadas as principais causas das oscilações de potência, bem como suas
consequências para os relés de distância de linhas de transmissão. Ainda neste contexto, são
apresentadas, analisadas e comparadas algumas técnicas destinadas a minimizar estes efeitos.
Essas técnicas foram testadas por meio de simulações computacionais, sob condições de
oscilação de potência com e sem a presença de curtos-circuitos, considerando-se diversos
valores de carregamento e frequências de oscilação. Os resultados mostraram que nenhum
método é totalmente eficiente para todos os cenários. Desse modo, ainda há algumas
incertezas sobre o desempenho das técnicas de proteção contra as oscilações de potência
existentes. Em uma terceira etapa, foi desenvolvido um algoritmo para proteção numérica de
linhas de transmissão imune as oscilações de potência. A metodologia faz uso da Morfologia
Matemática nas etapas de detecção e classificação das faltas. De modo a se obter uma maior
segurança na operação do relé, especialmente na região próxima ao limiar de operação,
incorporou-se uma estratégia de contagem diferente das tradicionais. A principal contribuição
do trabalho relaciona-se com a análise da diferença comportamental da componente
exponencial decrescente (componente dc) para uma situação de falta e de oscilação de
potência. Ou seja, a componente dc, obtida por meio de um filtro morfológico, é utilizada
como critério de disparo do relé de distância. Para avaliar o desempenho do algoritmo
desenvolvido, uma série de testes com diferentes cenários de faltas com e sem a presença de
oscilações de potência foram realizadas. Devido à simplicidade das operações matemáticas
utilizadas no algoritmo, a técnica apresenta segurança e velocidade na sua operação, mesmo
durante oscilações de potência.

Palavras-chave: Proteção de linhas de transmissão; Relé de distância numérico; Oscilações

de potência; Morfologia matemática, Componente exponencial decrescente.
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ABSTRACT
Doctoral Thesis
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Universidade Federal de Santa Maria
HIGH-PERFORMANCE ALGORITHM FOR NUMERICAL
PROTECTION OF TRANSMISSION LINES IMMUNE TO
POWER SWINGS
AUTHOR: ADRIANO PERES DE MORAIS
RESEARCH SUPERVISOR: GHENDY CARDOSO JUNIOR, Dr. Eng.
Santa Maria, May 04, 2012
This Doctoral Thesis proposes a new methodology for transmission line protection
tolerant to power swings. The algorithm developed has the ability to detect, classify and
locate all fault types with and without power swings, including those that produce high values
of fault resistance. In a first step, it is proposed a fault distance estimator based on the least-
square curve fitting. The fault locator, for protection proposes, was modeled by a series R-L
circuit and differential equations. In a second step, the main causes and consequences of
power swings in transmission lines distance relays are introduced. Also in this context,
techniques to minimize these effects are presented. Besides, computer simulations of power
swings, with different fault scenarios, were carried out to realize comparative analyses
between the methods. The results show that none of the methods is efficient in all scenarios.
Hence, there is still some concern about the performance of the protection methods against
power swings. In a third step, it was developed an algorithm for numerical protection in
transmission lines immune to power swings. The detection and classification steps are based
on Mathematical Morphology. In order to obtain a safer operation of the relay, especially in
the boundaries of threshold set, a counting strategy was developed. The main innovation of
the work is based on difference of behavior of the exponentially decaying component (dc
component) during a fault and during a power swing. The dc component, obtained by means
of morphological filter, is used as a tripping criterion. Finally, in order to evaluate the
algorithm performance, tests with different fault and power swings scenarios were performed.
The results show that the technique has the speed and safety required even during power
swings due to the simplicity of the algorithm used in mathematical operations.

Keywords: Transmission line protection; Numerical distance relay; Power swing;
Mathematical Morphology, Exponentially decaying component.
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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 12 
1.1  CONSIDERAÇÕES GERAIS 12 
1.2  OBJETIVOS DO TRABALHO 13 
1.3  MOTIVAÇÃO 14 
1.4  REVISÃO DA LITERATURA 15 
1.5  CONTRIBUIÇÕES DA TESE 19 
1.6  ORGANIZAÇÃO DA TESE 20 
2.  INTRODUÇÃO A MORFOLOGIA MATEMÁTICA 21 
2.1  CONSIDERAÇÕES GERAIS 21 
2.2  INTRODUÇÃO 21 
2.3  TEORIA DOS CONJUNTOS 22 
2.3.1  Operação de Conjuntos 22 
2.4  OPERAÇÕES BÁSICAS DA MORFOLOGIA MATEMÁTICA 23 
2.4.1  Dilatação Binária 23 
2.4.2  Erosão Binária 27 
2.5  MORFOLOGIA MATEMÁTICA EM ESCALA DE CINZA 27 
2.6  OPERADORES ADICIONAIS 31 
2.6.1  Abertura e Fechamento 31 
2.7  CONSIDERAÇÕES FINAIS 32 
3.  PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO POR MEIO DE RELÉS DE DISTÂNCIA 34 
3.1  CONSIDERAÇÕES GERAIS 34 
3.2  PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO CLÁSSICA 34 
3.3  RELÉS DE ESTADO SÓLIDO 36 
3.4  RELÉS NUMÉRICOS 37 
3.4.1  Condicionamento do Sinal 37 
3.4.2  Detecção da Falta 45 
3.4.3  Classificação da Falta 48 
3.4.4  Estimação da distância da falta 50 
3.5  CONSIDERAÇÕES FINAIS 59 
4.  VALIDAÇÃO DA TÉCNICA DE AJUSTE DE CURVAS POR MÍNIMOS QUADRADOS 61 
4.1  CONSIDERAÇÕES GERAIS 61 
4.2  FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS UTILIZADAS 61 
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Tese de Doutorado – Adriano Peres de Morais UFSM/PPGEE
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4.3  CRITÉRIOS UTILIZADOS NOS TESTES 62 
4.4  RESULTADOS DOS TESTES 64 
4.4.1  Localização da Falta 64 
4.4.2  Resistência de falta (R) 66 
f
4.5  CONSIDERAÇÕES FINAIS 69 
5.  O EFEITO DAS OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA NOS RELÉS DE DISTÂNCIA 70 
5.1  CONSIDERAÇÕES GERAIS 70 
5.2  INTRODUÇÃO 70 
5.2.1  O Relé de Distância durante a Oscilação de Potência 72 
5.3  MÉTODOS CONVENCIONAIS PARA DETECÇÃO DAS OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA 79 
5.3.1  Método das Características Concêntricas (MCC) 79 
5.3.2  Método Duplo Blinder (MDB) 83 
5.4  MÉTODOS NÃO-CONVENCIONAIS DE DETECÇÃO DE OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA 86 
5.4.1  Método do Cálculo Contínuo da Impedância (MCI) 86 
5.4.2  Método da Taxa de variação da Magnitude da Tensão no Centro Elétrico (MVC) 90 
5.4.3  Método de Detecção de Oscilações de Potência por meio das Componentes Simétricas e Derivada
do Ângulo da Corrente de Sequência Positiva (MCS) 94 
5.4.4  Método de Detecção de Oscilação de Potência por meio da Análise de Transitórios (MAT) 96 
5.5  CONSIDERAÇÕES FINAIS 98 
6.  AVALIAÇÃO DOS MÉTODOS DE PROTEÇÃO CONTRA OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA 100 
6.1  CONSIDERAÇÕES GERAIS 100 
6.2  EXEMPLO DE ATUAÇÃO INDEVIDA DO RELÉ DE DISTÂNCIA DEVIDO A OSCILAÇÃO DE POTÊNCIA 100 
6.3  ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE MÉTODOS DE PROTEÇÃO CONTRA OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA 105 
6.3.1  Critérios Utilizados nos Testes 105 
6.3.2  Resultados dos Testes 106 
6.3.3  Análise dos Resultados e Discussões 115 
6.4  CONSIDERAÇÕES FINAIS 116 
7.  ALGORITMO PARA PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO TOLERANTE A
OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA 117 
7.1  CONSIDERAÇÕES GERAIS 117 
7.2  ALGORITMO PARA PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO TOLERANTE AS OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA
117 
7.2.1  Condicionamento do Sinal 118 
7.2.2  Algoritmo Detector de Falta 119 
7.2.3  Algoritmo Classificador de Falta 121 
7.2.4  Algoritmo para Estimação da Distância da Falta 122 
7.2.5  Detecção e Bloqueio Contra Oscilações de Potência 126 
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Tese de Doutorado – Adriano Peres de Morais UFSM/PPGEE