71994148 Algoritmos Numericos de Protecao

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB DISSERTAO DE MESTRADO AVALIAO DE ALGORITMOS NUMRICOS DE PROTEO PARA LINHAS COM COMPENSAO SRIE LUIS FABIANO DOS SANTOS Dissertao apresentada Universidade Federal de Itajub,como parte dos requisitos para a obteno de ttulo deMestre em Engenharia Eltrica ORIENTADOR : PROF. PAULO MRCIO DA SILVEIRA, D.Sc. ITAJUB MG NOVEMBRO2006 Ficha catalogrfica elaborada pela Biblioteca Mau Bibliotecria Margareth Ribeiro- CRB_6/1700 S237a Santos, Lus Fabiano dos Avaliao de algoritmos numricos de proteo para linhascom compensao srie / Lus Fabiano dos Santos. -- Itajub, (MG) : UNIFEI, 2006. 245 p. : il. Orientador : Prof. Dr. Paulo Mrcio da Silveira. Dissertao (Mestrado) Universidade Federal de Itajub. 1. Proteo de linhas. 2. Algoritmos numricos. 3. Compen_ sao srie. I. Silveira, Paulo Mrcio da, orient. II. UniversidadeFederal de Itajub. III. Ttulo. CDU 621.315(043) I DEDICATRIA minha esposa Karina Rossi Aguillera dos Santos II AGRADECIMENTOS Ao professor Paulo Mrcio da Silveira pela oportunidade de desenvolver este trabalho e pelo apoio durante sua elaborao. AoprofessorCarlosAlbertoMohallempelaparticipaoinicialnaconcepodas idias que motivaram este trabalho. Aos colegas de empresa Sture Lindahl, Janez Zakonjsek, Magnus Akke, Murari Saha da ABB Sucia pelos ensinamentos e pelos materiais cedidos, e que foram utilizados como consulta no desenvolvimento deste trabalho. AoEng.RicardoTenriodoONSpelaimplementaoesimulaesdoTCSCem ambiente ATP/EMTP. III RESUMO Estetrabalhoestfocadonaavaliaodealgoritmosnumricosdeproteo aplicados a linhas de transmisso que apresentem a compensao srie. Em particular, procura analisar o comportamento de algoritmos de rels de distncia e de diferencial de linha. Inicialmenteotrabalhodescreveosprincipaistpicosrelacionadosaos algoritmosnumricosdeproteodelinhasdetransmisso,sendofeitainicialmente umarevisobibliogrficadosprincipaistrabalhosdesenvolvidosnestarea.Em seguidaabordademaneiraespecialaproteodelinhasqueapresentemcapacitores srie, apresentando arranjos tpicos destas instalaes, a proteo dos capacitores srie e os desafios que estes elementos impem aos rels para proteo de linhas. Emseguidatratadiretamentedesimulaeseavaliaesdealgunsdestes algoritmos na presena de capacitores srie em linhas de transmisso. Para isso foram desenvolvidosprogramascomputacionaisemMatlab/Simulinkquepermitemtantoa simulaodetransitrioseletromagnticosquantoavaliarocomportamentode algoritmos de proteo perante diferentes tipos de falta. Asimulaodasrotinasdeumalgoritmodedistnciabaseadaemduas diferentes tcnicas: Filtro Discreto de Fourier de um ciclo e filtro baseado na Equao Diferencial.Paraasimulaodoalgoritmodiferencialdelinhaforamconsideradas tambmduasdiferentesaproximaes:algoritmodiferencialnoplanocartesianoe algoritmodiferencialnoplanoalfa.Estesalgoritmos,paraefeitocomparativo,so inicialmenteanalisadosparalinhasdetransmissosemapresenadecapacitores srie,sendoemseguidaavaliadosatravsdaadiodoscapacitoressrieaomesmo modelo de sistema de potncia utilizado para as simulaes iniciais. Nofinal,soabordadostemasparafuturosdesenvolvimentos,bemcomo sugestesparaoutrostiposdeanlisesquepodemcontribuirparaumentendimento ainda melhor das tcnicas aqui apresentadas. IV ABSTRACT Thisworkisfocusedontheanalysisofnumericalprotectionalgorithms applied to transmission lines with series compensation. Particularly, the analysis tries to evaluate the behavior of distance and line differential protection relay algorithms. Initially,theworkdescribesthemaintopicsrelatedtothenumerical algorithmsfortheprotectionoftransmissionlines,withsomeinitialhistorical backgroundrevisionofthemainpapersdevelopedinthisareaofknowledge.After that,theworkdescribesinaspecialwaythelineprotectionwithseriescapacitors, presentingtypicalarrangementsofsuchinstallations,theprotectionoftheseries capacitors and the challenges of such elements for the line protection relays. Following we have simulations and evaluations of some of these algorithms in thepresenceofseriescapacitorsfortransmissionlines.Forsuchanalysis, computationalroutinesweredevelopedinMatlab/Simulink,whichalloweither electromagnetic transient simulations as well as to evaluate the behavior of protection algorithms for different types of faults. Thesimulationofthedistancealgorithmroutinesisbasedontwodifferent techniques:theDiscreteFourierFilterforonecycleandthefilterbasedonthe differentialequationmodel.Forthesimulationofthelinedifferentialalgorithmtwo differentapproacheswereconsideredaswell:linedifferentialalgorithminthe Cartesian plan and line differential algorithm in the alpha plan. These algorithms, for comparisonreasons,wereinitiallyevaluatedfortransmissionlineswithoutseries capacitorsinstalled,andafterevaluatedwiththeadditionoftheseriescapacitorsto the same power system model used for the initial simulations. In the end, future developments subjects are mentioned, as well as suggestions forothertypesofanalysisthatcancontributeforthebetterunderstandingofthe techniques here presented. V SUMRIO DEDICATRIA.............................................................................................................I AGRADECIMENTOS ................................................................................................ III RESUMO....................................................................................................................IIII ABSTRACT.................................................................................................................IV SUMRIO.................................................................................................................... V LISTA DE FIGURAS................................................................................................... X LISTA DE TABELAS........................................................................................... XVIII LISTA DE ABREVIATURAS.................................................................................XIX Captulo 1 Introduo ................................................................................................................... 1 1.1Organizao da Monografia.................................................................................... 3 Captulo 2 Reviso da Literatura ............................................................................................... 6 2.1Reviso da Literatura .............................................................................................. 6 Captulo 3 Fundamentos dos Rels Microprocessados ...................................................... 13 3.1Consideraes Fundamentais................................................................................ 13 3.2Processamento da Falta......................................................................................... 14 3.2.1Deteco de Falta........................................................................................ 16 3.2.2Classificao da Falta ................................................................................. 16 3.2.3Clculo de Parmetros ................................................................................ 17 3.2.4Lgica de Disparo....................................................................................... 19 3.3Processamento de Sinal......................................................................................... 19 3.3.1Amostragem................................................................................................ 20 3.3.2Sample and Hold ..................................................................................... 22 3.3.3Multiplexadores .......................................................................................... 23 3.3.4Conversores Analgicos/Digitais................................................................ 23 3.3.5Filtros Antialiasing...................................................................................... 24 VI 3.4Algoritmos baseados na Forma de Onda .............................................................. 27 3.4.1Algoritmo de Aproximao da Curva Senoidal.......................................... 28 3.4.2Algoritmo de Mann e Morrison .................................................................. 28 3.4.3Algoritmos baseados na Anlise de Fourier ............................................... 29 3.4.3.1Algoritmo baseado na Srie de Fourier ......................................... 30 3.4.3.2Transformada Discreta de Fourier de Ciclo Completo.................. 31 3.4.3.3Transformada Discreta de Fourier de Ciclo............................... 33 3.4.3.4Filtros Trigonomtricos ................................................................. 33 3.4.4Algoritmos baseados no Mtodo dos Mnimos Quadrados ........................ 34 3.4.5Algoritmos baseados no Filtro de Kalman.................................................. 39 3.5Algoritmos baseados em Modelos dos Sistemas .................................................. 39 3.5.1Soluo da Equao Diferencial atravs de Integrao Direta ................... 40 3.5.2Soluo da Equao Diferencial com Limites Selecionados...................... 44 3.5.3Soluo da Equao Diferencial por Amostras .......................................... 44 Captulo 4 O Capacitor Srie.................................................................................................... 46 4.1Consideraes Gerais............................................................................................ 46 4.2Arranjos Fsicos .................................................................................................... 47 4.3Grau de Compensao .......................................................................................... 48 4.4Localizao dos Capacitores Srie........................................................................ 50 4.5Capacitor Srie Controlado.....................................