Coordinación de protección de distancia utilizando métodos de

IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 6, NO. 1, MARCH 2008
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Coordinación de protección de distancia
utilizando métodos de búsqueda
A. A. Chávez, J. L. Guardado, D. Sebastián y E. Melgoza
Resumen— En este trabajo se presenta una metodología para
calcular la impedancia de ajuste en las Zonas 2 y 3 de relevadores
de distancia, de manera que no existan problemas de
coordinación de protecciones durante la ocurrencia de fallas y/o
cambios en la topología del sistema. El método propuesto se basa
en la impedancia vista por el relevador de distancia cuando se
simula una falla en nodos adyacentes. La coordinación y ajuste
de los relevadores se obtiene mediante algoritmos
computacionales desarrollados para analizar la topología de la
red, determinar el conjunto de pares de relevadores primariorespaldo y efectuar estudios de cortocircuito para la evaluación
de diferentes tipos de fallas en un sistema eléctrico de potencia.
Lo anterior se realiza en un ambiente de programación orientado
a objetos lo cual permite al usuario un ambiente más versátil al
momento de interaccionar con el software. En el desarrollo de
esta herramienta se utilizan métodos de búsqueda basados en
Teoría de Grafos. Los algoritmos y metodologías desarrolladas se
aplican a un sistema de potencia de 14 nodos propuesto por IEEE
[7], evaluándose la confiabilidad de los ajustes realizados.
Palabras-Clave— Protecciones adaptivas, Coordinación de
protecciones, Relevadores de distancia, Protección de líneas de
transmisión, Métodos de búsqueda.
L
I. INTRODUCCIÓN
AS líneas de transmisión son los elementos del sistema
eléctrico de potencia que se encuentran expuestos con
mayor frecuencia a fallas y generalmente están protegidas por
relevadores de distancia. La probabilidad de ocurrencia de
fallas en las líneas de transmisión es elevada y si estas no son
liberadas en un tiempo corto pueden causar daños importantes
al sistema de potencia [1]. La protección de distancia en los
sistemas de transmisión tiene como función básica detectar
fallas que se presentan en líneas o subestaciones y aislarlas.
Este sistema cuenta con una protección primaria cuya
operación debe ser de alta velocidad y es la que trata de aislar
rápidamente la mínima sección de la red ante una falla. Las
protecciones de respaldo son de velocidad más lenta y operan
solo si la protección primaria no opera. Este trabajo presenta
la aplicación de un método para calcular el ajuste de la Zona 3
A.A. Chávez (e-mail: [email protected]) es estudiante de Posgrado en
el Instituto Tecnológico de Morelia, Av. Tecnológico 1500 Col. Lomas de
Santiaguito, CP 58120, Morelia Michoacán, México.
J.L. Guardado (e-mail: [email protected]) y E. Melgoza (e-mail:
[email protected]) laboran en el Instituto Tecnológico de Morelia.
D. Sebastián ([email protected] ) labora en el Instituto Politécnico Nacional,
Unidad Adolfo López Mateos, Col. Lindavista, CP 07738, México, DF.
(Z3) de relevadores de distancia a partir de una metodología
presentada por D. Sebastián [2], [6] para la Zona 2 (Z2), el
cual se puede hacer extensivo a zonas adicionales de
protección de los relevadores modernos.
El desarrollo de relevadores microprocesados con
capacidades de comunicación ha facilitado la implantación de
sistemas de protección adaptivos. En estos sistemas los ajustes
de los relevadores se realizan automáticamente, de acuerdo a
las condiciones que prevalecen en el sistema, y por lo tanto, el
ajuste de la Z2, Z3 o alguna otra se realiza automáticamente a
fin de proteger el porcentaje más alto de las líneas remotas. El
método propuesto y su versión adaptiva se aplicaron a un
sistema de potencia, presentándose los resultados obtenidos.
II. CRITERIOS DE AJUSTE DE RELEVADORES DE DISTANCIA
Las características de operación de los relevadores de
distancia se basan en la relación voltaje/corriente, y operan
cuando esta relación es menor a un valor predefinido en la
dirección vista por el relevador [2].
Normalmente se utiliza un método de protección de
distancia basado en tres zonas, es decir, se emplean varios
relevadores de distancia en forma tal que el sistema queda
dividido en tres zonas, con tiempos de disparo diferentes para
cada uno de ellos.
Para la zona 1 (Z1), el disparo es instantáneo y el alcance se
puede ajustar hasta un 95% de la sección a proteger [3]. La
protección de la Z2, cubre el porcentaje restante de la sección
protegida, más 25-40% de la sección siguiente.
La Z3 tiene como función brindar una protección de
respaldo a líneas remotas en un 100%; es decir, el alcance
cubre hasta dos nodos de distancia de donde se ubica el
relevador. Las Z2 y Z3 no deben presentar problemas de
coordinación, por lo que normalmente se analizan diversos
escenarios seleccionándose el que se considera más adecuado
para el sistema a proteger. Así, la Z2 proporciona protección
de respaldo para el relevador de la siguiente sección, en el
caso de fallas próximas a la barra. El retardo de tiempo de esta
zona es normalmente de 0,3 seg. La Z3, con un retardo de
tiempo hasta de 0,6 seg., proporciona una protección completa
de respaldo para cualquier falla en todas las secciones del
alimentador a proteger y el adyacente.
En esquemas de protección adaptiva, la evaluación de la
seguridad y dependabilidad se realizan continuamente de
acuerdo a la condición de operación presente en el sistema. De
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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 6, NO. 1, MARCH 2008
esta manera se identifican los relevadores que requieren
modificar sus valores. Este trabajo presenta un modelo
computacional para el ajuste automático de las Z2 y Z3 durante
cambios en la topología del sistema debido a eventos en el
mismo.
Los vectores m y n determinan los interruptores incidentes a
cualquier nodo. El vector p ayuda a visitar, desde un nodo
como punto de partida, cualquier otro nodo en la red. La Fig.
2 muestra el algoritmo para obtener la estructura de la lista
encadenada que describe la conectividad de una red.
III. COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA
Inicio
A. Proceso general de coordinación
En la metodología propuesta, la coordinación de los
relevadores de distancia requiere identificar los pares de
relevadores primario-respaldo a fin de determinar los
diferentes ajustes de las zonas de protección [4], [5]. En la
Fig. 1 se presenta el esquema general para el ajuste automático
de las diferentes zonas de protección.
Toma el primer nodo
Toma el interruptor de la primer línea incidente al nodo y lo almacena en m
El nodo del extremo opuesto de la Línea se almacena en p
El interruptor de la
siguiente línea se
almacena en n
Hay otra
línea que incide al
nodo
SÍ
NO
El vector n asume un
valor igual a cero
Inicio
Toma el siguiente
nodo
Representación de la topología del sistema
NO
Se han
considerado todos
los nodos
Pares de relevadores primario-respaldo
Fig. 2. Lista encadenada que describe la conectividad de la red
Ajuste de la Z1 de protección
Estudio de cc para el ajuste de las Z2 y Z3 de protección
Simulación y comprobación de resultados
Modificar ajustes de NO
los relevadores
Operación
satisfactoria
SÍ
SÍ
Fin
Información de los relevadores
Enviar a salida los ajustes
a los relevadores
Fin
Fig. 1. Metodología para ajustar los relevadores de distancia
C. Matriz de incidencia relevador nodo
La matriz de incidencia relevador nodo se obtiene
empleando la información de la lista encadenada de los datos
del sistema, y permite hacer un recorrido a través de los
diferentes nodos. Este algoritmo emplea vectores que
contienen apuntadores que permiten identificar los relevadores
asociados a ambos extremos de las líneas que inciden a cada
nodo. Los siguientes vectores se utilizan para almacenar la
matriz de incidencia relevador nodo, ver Fig. 3.
B. Estructura de datos
La topología del sistema se representa en un algoritmo por
medio de listas encadenadas [5], cuyo origen se basa en
Teoría de Grafos. Los vectores donde se almacena la
información emplean apuntadores que se utilizan para
describir la conectividad del sistema. Es importante señalar
que a cada relevador le corresponde un interruptor. Los
componentes más importantes de las listas encadenadas son:
1) Lista de nodos: Se utiliza un vector m para iniciar la lista
de relevadores incidentes a un nodo. Para un nodo dado,
el elemento en este vector m (nodo) es el primer
interruptor incidente a este nodo.
2) Interruptores de enlace: Se utiliza un vector n para enlazar
los interruptores incidentes a un nodo dado. Para
cualquier interruptor, el elemento en el vector n
(interruptor) es el siguiente interruptor incidente en el
mismo nodo.
3) Nodo remoto: Se utiliza un vector p para enlazar los
interruptores incidentes a un nodo dado. Para cualquier
interruptor dado, el elemento del vector p (interruptor) es
el nodo remoto en el extremo opuesto de la línea donde se
localiza el interruptor.
Inicio
Toma el primer nodo
Determina el primer relevador que incide en el
nodo. Almacena en NN el número del nodo
RL almacena el relevador y RN asume un +1
Determina el relevador colocado en el otro extremo de la línea
La siguiente localidad de RL almacena el número de
relevador en la misma, el vector RN asume un -1
Determina el
siguiente relevador
SÍ
Existe otro
relevador adyacente
al nodo
Toma el siguiente
nodo
NO
Se han
considerado todos
los nodos
SÍ
Fin
Fig. 3. Diagrama que determina la matriz de incidencia relevador nodo
1) Vector que contiene apuntadores que indican el número
de nodo (NN).
2) Vector con la lista de relevadores que protegen a la línea
(RL).
CHAVEZ et al.: DISTANCE PROTECTION COORDINATION
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3) Vector que contiene apuntadores que identifican si el
relevador en un vector RL incide al nodo (RN).
4) Vector que indica si el relevador se localiza en el punto
incidente en el extremo opuesto de la línea.
5) Vector que contiene apuntadores que permiten enlazar
todas las líneas que inciden a un nodo (EN).
D. Pares de relevadores primario-respaldo
La obtención de los pares de relevadores primario-respaldo
se realiza considerando cualquier relevador del sistema como
relevador de respaldo e identificando la línea que protege
Posteriormente se identifica el relevador colocado en el otro
extremo de la línea, es decir, en el nodo remoto; el resto de los
relevadores que inciden al nodo remoto son los relevadores
considerados relevadores primarios para el relevador que se
analiza. Cada par de relevadores se forma considerando el
relevador de respaldo y uno de los relevadores primarios, ver
Fig. 4.
Inicio
Toma un relevador del sistema, lo considera
como relevador de respaldo [RR]
Selecciona los relevadores que corresponden a los RN = -1 de RENL,
y elimina el relevador colocado en la línea donde se localiza el
relevador RR, el resto son los relevadores primarios
Forma el par de relevadores (primario-respaldo)
NO
SÍ
Se
consideraron todos los
relevadores
Se
consideraron todos los
relevadores
SÍ
Fin
NO
Impedancia de ajuste para la Z 1 .
Rr
Relevador de respaldo que se va a ajustar.
Z a ( Rr , B )
Z aparente vista por Rr con una falla en el nodo B.
Z a ( Rr , C )
Z aparente vista por Rr con una falla en el nodo C.
K1
Factor de seguridad, definido en 0,90
A
C
Rr
B
Fig. 5. Relevador de distancia Rr protegiendo una línea con tres terminales
V. AJUSTE DE LA ZONA 2 DE PROTECCION
A. Método convencional
Típicamente, la protección de la Z2 cubre el porcentaje
restante de la sección protegida, más 40-50% de la sección de
línea siguiente. Considerando el sistema de la Fig. 6, la
impedancia de ajuste de la Z2 del relevador RAB utilizando
métodos convencionales esta dada por:
Z 2 ( R AB ) = Z AB + 1 * Minima[ Z B − Ci ]
2
Determina en la matriz de incidencia relevador nodo
el renglón; RL = RR y RN = -1 [RENL]
Considera el siguiente
relevador
donde:
Z 1 ( Rr )
Toma el siguiente
relevador primario
donde:
Z 2 ( R AB )
Impedancia de ajuste para Z 2 del relevador RAB
Z AB
Impedancia de secuencia (+) de la línea protegida AB
Z B − Ci
i
Impedancia de secuencia (+) para la línea remota B-Ci
1, 2,…k; k es el numero de relevadores primarios.
A
RAB
ZAB
B
RB-C1
RB-C2
Fig. 4. Determinación de los pares de relevadores primario-respaldo
RB-Ci
IV. AJUSTE DE LA ZONA 1 DE PROTECCION
El alcance de la Z1 de los relevadores cubre hasta en un
95% la impedancia de la línea protegida [3]. En el presente
trabajo el ajuste se define para cubrir un 90% de la línea
donde se ubica el relevador, ver Fig. 5. Normalmente no se
tienen problemas de alcance en esta zona cuando las líneas
carecen de aportaciones de corriente intermedia, ecuación (1).
En el caso de líneas con aportaciones de corriente intermedia
(líneas con tres terminales), se selecciona la menor
impedancia aparente calculada ante fallas nodales simuladas
en los dos extremos restantes, ajustándose a un 85-95% de la
impedancia seleccionada, ecuación (2).
Z 1 ( Rr ) = K 1 * Z a ( Rr , C )
(1)
Z 1 ( Rr ) = K 1 * min[ Z a ( R r , B ), Z a ( Rr , C )]
(2)
(3)
ZB-C1
C1
ZB-C2
C2
ZB-Ci
Ci
Fig. 6. Relevador de respaldo y los puntos Ci donde se simulan las fallas
El criterio de ajuste anterior se aplica a la Fig. 7 para
determinar el ajuste de la Z2 de R3. Las impedancias de
secuencia positiva están dadas en p.u. La línea con el valor de
impedancia menor además de la línea protegida es la línea del
bus 3 al bus 4. Sustituyendo estos valores en (3) se obtiene el
siguiente ajuste para la Z2 de protección de R3:
Z2 (R3) = (0.0072 + j0.404) + 1/2 [0.0011 + j0.007]
Z2 (R3) = 0.0414∠79.9°
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2
7
3
0.01460 + j0.07200
0.00720 + j.04040
R4
R3
R12
R11
R5
4
R11
0.00110 + j0.00700
Fig. 7. Parte de un sistema eléctrico utilizado como ejemplo
B. Método propuesto
Este ajuste para la Z2 se determina simulando fallas en el
extremo remoto de las segundas líneas, con la finalidad de
representar la configuración del sistema cuando se presente
una falla. Posteriormente, se revisa el alcance de esta zona
bajo una condición de falla en el límite del alcance de la Z1 de
los relevadores primarios.
Si existen relevadores de respaldo que operan en Z2,
entonces se reduce el alcance de esta zona y se determina un
nuevo ajuste simulando fallas [6]. El alcance del ajuste de Z2
del relevador de respaldo debe tener un alcance menor a la Z1
de los relevadores primarios.
Finalmente, se verifica que este ajuste proteja cuando
menos 1.2 veces la impedancia de limite protegida para
garantizar que una falla en su nodo remoto sea vista por el
relevador en la Z2. Los pasos que describen el algoritmo de
ajuste y coordinación se presentan en la Fig. 8 y son:
A
Rr
ZAB
B
RP1
RP2
RPi
ZB-C1
F1
C1
ZB-C2
F2
ZB-Ci
Fi
Z 2 ( R r , R pi ) = Z AB + K 2 * ( Z a ( R r , C i ) − Z AB )
Ci
1) Calcular la impedancia aparente vista por el relevador
mediante la ecuación (4) evaluada para cada uno de sus
relevadores primarios. El efecto de fuente intermedia esta
implícito en el segundo termino de la ecuación (4).
(4)
(5)
donde:
Z 2 ( R r , R pi )
Z a ( Rr , C i )
Impedancia de ajuste de la Z2 del Rr para evitar
sobre-alcances en las zonas de los Rpi.
Impedancia aparente vista por Rr ante una falla
en el nodo remoto del Rpi.
6) Seleccionar el menor Z a ( R r , R pi ) calculado en el paso 5
como el nuevo ajuste de la Z2 para relevadores con
problemas de coordinación.
7) Repetir el proceso a partir del paso 5 para todos los
relevadores con problemas de coordinación.
El método se aplica al sistema de la Fig. 7. La Tabla I
muestra los posibles ajustes de la Z2 en R3 cuando ocurre una
falla. Como se observa, el menor valor obtenido para el ajuste
de Z2 esta en la línea N3–N4 (0.0669 ∠ 80.5), el cual es el valor
de ajuste para la Z2 de R3.
C2
Fig. 8. Relevador de respaldo y los puntos Fi donde se simulan las fallas
Z 2 ( R r , R pi ) = Z AB + K 2 * ( Z A ( R r , Fi ) − Z AB )
obtener la impedancia de ajuste de todos los relevadores.
4) Evaluar el alcance de la Z2 de cada uno de los
relevadores, simulando fallas en el límite del alcance de la
Z1 de sus respectivos relevadores primarios, y así,
identificar relevadores de respaldo con posibles
problemas de coordinación de Z2 con sus relevadores
primarios Rpi.
5) Calcular la impedancia aparente vista por relevadores con
problemas de coordinación, evaluando la ecuación (5).
TABLA I
AJUSTES DE LA ZONA 2 DEL RELEVADOR 3
Relevador
R3
R3
Línea
N3 – N4
N3 – N7
Impedancia de ajuste
0.0669∠80.5
0.258∠77.6
Finalmente, se concluye que el valor de ajuste de la Z2 para
el R3 obtenido por el método tradicional es más pequeño en
relación al obtenido por el nuevo método, Tabla II. El valor
obtenido por el método propuesto no causa ningún problema
de coordinación.
TABLA II
COMPARACIÓN DE AJUSTES DE LA Z2 DE R3 POR LOS DOS METODOS
donde:
R pi
Relevador primario i, respaldado por Rr.
Rr
Relevador de respaldo a ajustar en Z2.
Z 2 ( R r , R pi )
Impedancia de ajuste de la Z2 de Rr
Z AB
K2
Impedancia de secuencia positiva de la línea AB
0,90* K 1
Z A ( R r , Fi )
Z aparente vista por Rr ante una falla en Fi.
2) La menor Z 2 ( R r , R pi ) calculada en el paso 1 es la
impedancia de ajuste de la Z2 del relevador de distancia.
3) En el sistema de potencia el proceso se repite hasta
Relevador
R3
R3
Método
Tradicional
Propuesto
VI. AJUSTE DE LA ZONA 3 DE
Impedancia de ajuste
0.0414∠79.9°
0.0669∠80.5°
PROTECCION
La metodología descrita se extendió a la Z3 del relevador de
respaldo. Para definir el ajuste de Z3, se debe establecer un
equilibrio entre la dependabilidad y seguridad con que debe
operar el relevador para disminuir el número de operaciones
indeseables [8]. Este ajuste se obtiene, si inicialmente se
define el ajuste de la Z3 para proteger como respaldo el 100%
CHAVEZ et al.: DISTANCE PROTECTION COORDINATION
55
de la longitud de todas las líneas remotas, con lo cual se
satisface el aspecto de dependabilidad. Con estos ajustes, se
verifica el comportamiento de los relevadores ante fallas
nodales en todo el sistema y se obtiene la relación de los
relevadores que operan ante fallas a más de dos nodos
considerando la operación de estos relevadores con una
operación no segura. Como se pretende reducir el número de
operaciones indeseables del relevador para esta zona, se
considera como primera opción no cubrir el 100% de las
líneas con lo cual se reduce el número de relevadores que
tiene una operación no deseada. La manera más adecuada de
relacionar cuantitativamente la dependabilidad y seguridad es
ordenar en forma descendente la magnitud de la impedancia
de falla medida por los relevadores que realizaron una
operación no segura (A*) y en forma ascendente la magnitud
de falla medida por los relevadores en sus segundos nodos
remotos (B*). El ajuste de la Z3 que cubre el 100% de las
líneas remotas se define como 1.05 veces la mayor (B*). El
cambio de ajuste se realiza si se verifica que disminuye el
número de fallas del relevador. A continuación se describe el
algoritmo de ajuste de la Z3:
1) Calcular la impedancia de falla que mide un relevador
ante fallas simuladas en el nodo remoto de sus
relevadores primarios, evaluando la ecuación (6). El
efecto de fuentes intermedias esta implícito en el segundo
termino de (6).
Si M = 1 y N ≥ 1 , no se modifica el ajuste de la Z3
Si M > 1 y N ≤ 1 entonces Z 3 ( R r ) = A ( M ) B (1)
Si M − ( M − k ) > J y A ( k ) > B ( N − J ) , Z 3 ( R r ) = B ( N − J )
9) Repetir el paso 5 para cada relevador con sobre-alcances.
10) Finalizar el proceso de ajuste
El método para los pasos 1-3 se aplico al sistema de la Fig.
9. La Tabla III muestra los posibles ajustes de la Z3 en R3
cuando ocurre una falla. Como se observa en la Tabla III, el
menor valor obtenido para el ajuste de Z3 esta en la línea N3–
N4 y es el valor propuesto.
1
0.03379 + j0.20300
R1
R2
7
3
0.01460 + j0.07200
0.00720 + j.04040
R3
R4
R12
R11
R5
2
4
R6
0.00110 + j0.00700
Fig. 9. Parte de un Sistema Eléctrico utilizado como ejemplo
TABLA III
AJUSTES DE LA ZONA 3 DEL RELEVADOR 1
Relevador
R1
R1
Línea final de falla
N3 – N4
N3 – N7
Impedancia de ajuste
0.417∠63.51
0.712∠63.42
VII. ÁREA DE APLICACION
Z 3 ( R r , R pi ) = Z AB + ( Z a ( R r , C i ) − Z AB )
(6)
Z 3 ( R r ) = K 3 * max[ Z a ( R r , R pi ]
(7)
donde:
Z 3 ( Rr )
Impedancia de ajuste de la Z3 del relevador Rr.
K3
Factor de seguridad definido en 1.05
Es importante mencionar que el resto de los términos de las
ecuaciones anteriormente desarrolladas se definen igual que
las anteriormente descritas.
2) Definir la impedancia de ajuste de la Z3 mediante (7).
3) Repetir los pasos 1 y 2 para todos los relevadores.
Cuando se finalice este proceso se termina el ajuste de la
Z3.
4) Simular fallas en todos los nodos del sistema, e identificar
a los relevadores que tienen problemas de coordinación
por sobre-alcances.
5) Contar el número de operaciones no seguras [M]
realizadas por el relevador i, así como el número de
relevadores primarios de dicho relevador [N].
6) Ordenar de mayor a menor la magnitud de la impedancia
aparente (A*) medida por el relevador i candidato, para
fallas nodales mas allá de dos nodos del relevador i.
7) Ordenar de menor a mayor la magnitud de la impedancia
aparente (B*) medida por el relevador i candidato, para
fallas en el nodo remoto de sus relevadores primarios.
8) Desarrollar la siguiente metodología:
La incorporación de relevadores multifuncionales en la
protección de líneas de transmisión ha representado una gran
ventaja. Sin embargo, cuando existen limitaciones en los
canales de comunicación, los ajustes ya se encuentran
programados en grupos, y un solo bit de información hace
posible el cambio de ajustes. El inconveniente es que los
ajustes son previamente calculados y pueden no ser adecuados
para la condición de operación del sistema sobre todo en
sistemas bastante interconectados. Un sistema de protección
adaptiva facilita el uso de relevadores multifuncionales porque
puede disponer de algoritmos para obtener y mantener la
coordinación de relevadores de distancia ante diversas
condiciones de operación del sistema. El sistema de
protección adaptiva de un sistema eléctrico de potencia
requiere de distintos niveles jerárquicos para una operación
óptima [9], [10], [11].
Un sistema de protección se estructura jerárquicamente
considerando la función y el tiempo de operación de cada uno
de los elementos que conforman al sistema de protección, esto
con el fin de proporcionar confiabilidad en la operación de los
esquemas de protección. La descomposición jerarquiza de un
sistema de protección adaptiva se considera en tres niveles que
son el centro de control de protecciones, el centro de control
de subestaciones y los dispositivos electrónicos inteligentes.
La metodología desarrollada en este trabajo se puede utilizar
en la Fig. 10 como una coordinación automática en el Centro
de Control de Protecciones.
56
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 6, NO. 1, MARCH 2008
Para el desarrollo del programa de coordinación automática
de protecciones se requiere de herramientas de software que
permitan reconocer la configuración del sistema, así como los
cambios de estado de equipos eléctricos e interruptores.
Asimismo se requieren herramientas computacionales para
efectuar estudios de cortocircuito y coordinación de
protecciones. A continuación se mencionan las herramientas
desarrolladas en este trabajo.
• Evaluación de la topología de la red
• Cortocircuito
• Conjunto de pares de relevadores primario-respaldo
• Ajuste y coordinación de relevadores
• Evaluación de los ajustes y coordinación propuestos
• Modelado de las características de los relevadores
10
1
R3
R1
3
9
R6
R33
R4
R5
R12
R11
R14
R13
R34
R7
R17
2
R15
4
R18
12
R32
8
R26
6
R2
R30
R29
R31
R25
R27
R28
R35
R23
hombre-máquina
PC DE CONTROL
SUBESTACION 1
PC DE CONTROL
SUBESTACION 2
...
R20
R19
R22
R21
Protección
Reporte de
alarmas
Centro
local
TABLA IV
AJUSTES DE LA ZONA 2 DEL RELEVADOR
PC DE CONTROL
SUBESTACION k
Estudio de corto circuito para el ajuste de las Z2 y Z3 de protección
Fig. 10. Jerarquizacion de un sistema de protección adaptiva
VIII. CASO DE ESTUDIO
Los algoritmos para determinar los ajustes adaptivos en la
Z2 y Z3 se han aplicado a un sistema de 14 nodos [7], Fig. 11.
Los resultados del ajuste adaptivos de la Z2 y Z3 se muestran
en las Tablas IV y V. La Tabla VI muestra la Zona de
operación de cada relevador de acuerdo al nodo de falla en el
sistema de la Fig. 11 [12]. Es importante señalar que el
programa verifica la dependabilidad y seguridad, esto con el
fin de que los problemas de coordinación por sobre-alcances
que puedan ocurrir en un primer ajuste sean corregidos por el
software desarrollado.
Finalmente, la Tabla VII muestra el reajuste para aquellos
relevadores que muestran problemas de coordinación por
sobre-alcance, y donde se aplicó el algoritmo correspondiente.
Obsérvese que al simular de nuevo fallas nodales, R28 ya no
opera con fallas en el nodo 2 debido al ajuste para evitar
sobre-alcances.
IX. CONCLUSIONES
Se han desarrollado algoritmos y metodologías para el
ajuste de la Z2 y Z3 de protección de distancia, las cuales se
basan en métodos de búsqueda y criterios de ajuste
predeterminados que se pueden modificar y extender a otras
zonas de protección.
5
Fig. 11. Caso de Estudio
hombre-máquina
Supervisión
R10
13
Interfaz
Relevador
Respaldo
Medición
R24
R36
14
CENTRO DE CONTROL
DE PROTECCIONES
R9
11
7
Interfaz
R16
R8
R1
R2
R3
R4
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R25
R26
R27
R28
R31
R32
R33
R34
R35
R36
Relevadores Primarios
R27
R3
R33
R1
R32
R5
R19
R11
R14
R9
R12
R9
R26
R15
R22
R10
R20
R10
R18
R23
R35
R2
R8
R29
R12
R4
R20
R28
R21
R13
R34
R13
R34
R11
R36
R21
R36
R19
R14
R22
Impedancia de Ajuste
0.715∠64.4
4.902∠59.6
0.288∠71.4
5.983∠55.2
0.940∠50.2
0.615∠ 55.3
1.972∠56.7
1.859∠55.8
0.211∠71.4
0.270∠71.33
0.211∠71.39
0.270∠71.33
0.940∠50.19
0.614∠ 55.48
0.211∠71.39
0.211∠71.39
0.211∠71.39
0.211∠71.39
0.940∠50.19
0.614∠ 55.48
0.287∠71.41
0.782∠57.52
0.940∠50.19
0.614∠ 55.48
0.181∠71.33
0.198∠71.41
0.181∠71.33
0.198∠71.41
CHAVEZ et al.: DISTANCE PROTECTION COORDINATION
TABLA V
AJUSTES DE LA ZONA 3 DEL RELEVADOR
Relevador
Respaldo
R1
R2
R3
R4
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R25
R26
R27
R28
R31
R32
R33
R34
R35
R36
Nodo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Relevadores Primarios
R35
R33
R12
R27
R29
R27
R20
R12
R4
R19
R4
R19
R23
R9
R10
R11
R10
R11
R15
R10
R20
R3
R5
R2
R9
R1
R10
R2
R14
R33
R22
R14
R9
R21
R9
R21
R36
R34
R34
R34
R11
R28
R13
R21
R13
R13
R19
R22
R21
R36
R28
R36
R27
R11
R13
R21
R19
Impedancia de Ajuste
1.042∠63.5
2.005∠48.8
0.361 ∠71.4
7.377∠49.5
1.008∠53.4
0.616∠55.3
2.159∠77.54
2.310∠77.14
0.362∠71.4
20.556∠39.48
0.362∠71.4
20.556∠39.48
1.011∠53.3
0.618∠55.3
0.362∠71.4
20.556∠39.48
0.362∠71.4
20.556∠39.48
1.011∠53.3
0.618∠55.3
0.362∠71.4
4.625∠46.6
1.011∠53.3
0.618∠55.3
4.141∠72.71
4.052∠71.56
4.647∠73.73
0.817∠77.5
TABLA VI
RELEVADORES QUE OPERAN ANTE UNA FALLA NODAL
Relevadores que operan en Z2
Relevadores que operan en Z3
R2, R4
R8,
R10, R12, R14
R18
R9, R20, R22
R26
R1, R28
R32
R3, R34
R11, R13, R33
R7, R31
R17, R25
R27, R36
R19, R21, R35
R28, R34
R2, R4, R28, R31
R20, R22, R33
R12, R14, R20, R22, R25
R12, R14, R35
R12, R14, R17, R20, R22
R4, R36
R1, R7, R28
R2, R11, R13,
R3, R10
R28
R12, R14, R20, R22
R1, R19, R21
R9, R27
57
TABLA VII
EVALUACIÓN DE RELEVADORES CON PROBLEMAS DE SOBRE-ALCANCE
Relevadores que operan en la Z2
Relevadores que operan en
Nodo
sin sobre-alcances
la Z3 sin sobre-alcances
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
R2, R4
R8,
R10, R12, R14
R18
R9, R20, R22
R26
R1, R28
R32
R3, R34
R11, R13, R33
R7, R31
R17, R25
R27, R36
R19, R21, R35
R28, R34
R2, R4, R31
R20, R22, R33
R12, R14, R20, R22, R25
R12, R14, R35
R17, R20, R22
R4, R36
R1, R7, R28
R2, R11, R13,
R3, R10
R28
R12, R14, R20, R22
R1, R19, R21
R9, R27
Se considera que los resultados de utilizar estas técnicas
para el cálculo del ajuste de relevadores de distancia
proporcionan una mayor amplitud y cobertura en las
diferentes zonas de protección incluyendo sistemas bastante
interconectados. Con los criterios utilizados se reducen los
problemas de coordinación por sobre-alcances en los
relevadores del sistema de potencia, y si llegara a presentarse
esta condición, el programa realiza de manera dinámica la
corrección para esta condición no deseable. La aplicación
correcta de estos ajustes se verifica mediante la simulación de
fallas en distintos nodos del sistema, para comprobar los
alcances de las Z2 y Z3 de los relevadores, los cuales
proporcionan una protección más amplia que la utilizada con
los métodos convencionales.
La evaluación de ajustes de la Z3 indica que si el alcance se
verifica para las mismas condiciones de operación del sistema
con las cuales se calcularon los ajustes de esta zona, se tiene
un menor número de fallas indeseables en la operación de los
relevadores.
La metodología presentada para las Protecciones de
Distancia puede extenderse a esquemas de protección por
sobre-corriente y/o de otro tipo. A futuro, se pretende
desarrollar los algoritmos correspondientes y analizar el
esquema de protecciones de una manera más integral.
Cabe mencionar que actualmente el método de búsqueda es
off-line, pero también se puede extender su alcance para
trabajar on-line.
Como trabajos futuros se pretende también incorporar redes
neurales y/o lógica difusa para reducir la incertidumbre
derivada de la falta de información sobre el status de un
interruptor y/o sección de línea lo cual puede conducir a
ajustes incorrectos en las protecciones.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su reconocimiento a la Dirección
General de Educación Superior Tecnológica (DGEST), y al
Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por
el apoyo económico brindado para realizar estos estudios.
58
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 6, NO. 1, MARCH 2008
REFERENCIAS
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Utilizando Protecciones Adaptivas”, Tesis de Maestría, ITM, 1993,
Asesor: Dr. Ricardo Mota Palomino.
[2] D. Sebastián, “Protección Adaptable de Sistemas de Transmisión: Ajuste
y Coordinación de Relevadores Mediante Sistemas Expertos”, Tesis de
Doctorado, Instituto Politécnico Nacional, Nov. 1999, Asesor: Dr.
Ricardo Mota Palomino.
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Digital Distance Protection”, IEEE Transactions on Power Delivery,
Vol. 9, No. 1, Jan. 1994, pp. 480-491.
[4] M. Damborg, R. Ramaswami, S. Venkata and J. Postforoosh, “Computer
Aided Transmission Protection System Design, Part I: Algorithms”,
IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 103, No. 1,
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[5] M. Damborg and S. Venkata, “Specification of Computer Aided Design
Transmission Protection System”, Final report EL-3337, Jan. 1984.
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Into the Use of Adaptive Setting Techniques for Improved Distance
Back-up Protection”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11,
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[9] M. S. Sachdev, T.S. Sidhu, B. Chattopadhyay, B. Talukdar, G. McDonal
and R. Chan “Design and Evaluation of an Adaptive Protection System
for a Distribution Network”, CIGRE Study Committee 34 Colloquium,
Stockholm, Sweden, Jun. 11-18, 1995.
[10] P. J. Moore, B. Stellan, A.T. Johns and J. Goody, “Hierarchical
Protection of Transmission Systems, CIGRE Study Committee 34
Colloquium, Stockholm, Sweden, Jun. 11-18, 1995.
[11] J. Booth and K. Hemza, “Coordination Control and Protection:
Functionality Enhancements via Information Technology” IEE
Conference 368 Developments in Power Systems Protection, The
University of York, UK, Apr. 1993.
[12] A. A. Chávez “Protección Adaptiva de Sistemas Eléctricos de Potencia”,
Tesina de Examen Predoctoral, ITM 2004
[13] J. A. A. Camarena “Evaluation of Protection Algorithms: Simulation of
Open Loop in ATP”, IEEE Latin America Transactions, Vol. 4, No. 1,
Mar.2006.
Arnulfo Arón Chávez Mújica, se graduó de Ingeniero Eléctrico en el
Instituto Tecnológico de Morelia, México en 1999. Realizo estudios de
Maestría (2002) y Doctorado en la misma institución. Actualmente labora en
el Centro Nacional de Control de Energía de la Comisión Federal de
Electricidad, México.
José Leonardo Guardado Zavala, se graduó de Ingeniero Electricista en
la Universidad de Michoacán, México en 1982. Ingresó al Instituto de
Investigaciones Eléctricas en 1983, trabajando en líneas de transmisión,
equipo eléctrico y transitorios electromagnéticos. Realizó estudios de Maestría
(1986) y Doctorado (1990) en UMIST, Manchester Inglaterra. Miembro del
Sistema Nacional de Investigadores (SNI) desde 1990. Actualmente es
profesor–investigador en el Instituto Tecnológico de Morelia, México.
David Sebastián Baltazar, se graduó de Ingeniero Electricista en el
Instituto Tecnológico de Morelia, México en 1991. Realizó estudios de
Maestría y Doctorado en el IPN, en 1994 y 1999. Desde 1999 es profesor en el
Instituto Politécnico Nacionales la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica, México.
Enrique Melgoza Vázquez, se graduó de Ingeniero Eléctrico en el
Instituto Tecnológico de Morelia, México en 1990. Realizó estudios de
Maestría en la misma institución (1995). Realizó también estudios de
Doctorado la Universidad de Bath, Reino Unido (2001). Miembro del Sistema
Nacional de Investigadores (SNI). Actualmente es profesor-investigador en el
Instituto Tecnológico de Morelia, México.