Implementación de sistema de protecciones derelés de sobrecorriente direccional en un sistema

base de 8-nodos, usando herramienta en simulaciónen tiempo real

Autor: Felipe Antonio Gómez Olaya

Asesor: Paulo Manuel De Oliveira de Jesús

Co-Asesor: David Felipe Celeita Rodríguez

Para obtener el título deIngeniero Electrónico

Universidad de los Andes, Colombia

2020

Resumen

Este documento presenta la implementación y diseño de relés virtuales de sobre-correinte direccional (DOCR) en plataforma de tiempo real suave que permitanrealizar validación de selectividad, sensibilidad y velocidad de las protecciones delsistema. La contribución del trabajo radica en que el sistema implementado tieneen cuenta configuraciones transitorias, debidas al despeje no simultaneo de inte-rruptores, que pueden causar problemas de selectividad cuando los ajustes de dialesde tiempo no son apropiados. Para observar lo anterior se procedió a desarrollaren Typhoon HIL relés que siguen la (Función 67 ), donde sus tiempos de operaciónson calculados siguiendo curvas de tiempo inverso y la direccionalidad del flujode potencia se halla mediante cuadratura de fases. Así mismo, se implementa elsistema eléctrico de potencia donde se tienen en cuenta acoples trifásicos de líneasde transmisión, topologías transientes, condiciones pre-falla, corrientes de falla si-métricas y la posibilidad de añadir transformadores de corrientes para tener encuenta la saturación que estos dispositivos contemplan. Para realizar esto se estu-dió un sistema eléctrico de potencia interconectado a 150 [kV] que cuenta con 8barras, 7 líneas y 14 relés de sobrecorriente direccional. Como resultado se obtieneun sistema que por medio de oscilografías y salidas digitales, permite determinarlos tiempos de operación de relés asociados a una falla y apreciar si la operaciónde estos es selectiva. Como novedad, este es el primer proyecto que hace la inte-gración de un total de catorce relés virtuales simultáneos, lo que permite analizarla coordinación correcta de las protecciones del sistema eléctrico completo.

Palabras calve: Typhoon HIL, núcleos de procesamiento, acoples de simulación,Protecciones de sobrecorreinte direccional, Topologías transientes, Coordinaciónrelés de protecciones

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Abstract

This document presents the implementation and design of virtual directional over-current relays (DOCR) by using a soft real-time platform validating selectivity,sensibility, and speed of the system protections. As a key contribution, the imple-mented system involves transient configurations due to a difference in the breakertrip time that lead to problems of selectivity in the system when relay settingsare not properly. For the last, it was developed in Typhoon HIL a DOCR modelwhere his operation times are calculated by using inverse curves and the powerflow direction through phase-quadrature measures. In the same manner, it wasimplemented an electric power system taking into account three-phase transmis-sion lines couplings, transients topologies, pre-fault conditions, symmetric faultcurrents, and the possibility to add in the system a current transformer. This wasdeveloped using a 150 [kV] interconnected system power with 8 nodes, 7 transmis-sion lines and 14 directional overcurrent relays (Function 67 ). As a result, throughoscillographic and digital outputs is possible to determine operation times of re-lays associated with a fault and appreciate if their operation is selective. As anovel in this project, are integrated a total of fourteen simultaneous virtual relays,which allows to analyze adequate coordination of protective relays of the completesystem.

Key words: Typhoon HIL, core, simulation couplings, Directional overcurrentprotections, Transient topologies, Coordination of protective relays

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Declaración

Declaro que esta tesis fue realizada solamente por mí y todos aquellos materialesobtenidos de otras fuentes han sido apropiadamente reconocidos.

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Dedicación

“A mi abuelo Álvaro, quien siempre creyó y confió en mí"

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Reconocimientos

Quiero agradecer a mi asesor Paulo Manuel De Oliveira de Jesús, quien impartió suconocimiento y confió en mí a lo largo de este trabajo. Así mismo, quiero expresarmi gratitud a David Felipe Celeita por su acompañamiento durante el desarrollode esta investigación.

A mi familia Alvaro, Alexandra, Santiago, Berenice y Mariana quienes siempre mehan ofrecido su apoyo incondicionalmente.

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ÍndiceResumen i

Abstract ii

Declaración iii

Dedicación iv

Reconocimientos v

Lista de Figuras viii

Lista de Tablas x

1. Introducción 1

2. Objetivos 32.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2. Objetivo específico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3. Marco Teórico 43.1. Sensibilidad y Selectividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2. Protección direccional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.3. Protección de sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4. Bloqueo de direccionalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4. Metodología 84.1. Herramienta de simulación en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . 8

4.1.1. Editor de esquemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.1.2. HIL SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.2. Modelamiento Relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.2.1. Máscara del bloque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.3. Implementación del bloque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3.1. Transición de tasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3.2. Bloque ANSI 67 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.4. Modelo caso de estudio en Typhoon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.5. Acoples de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.6. División del sistema en núcleos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.7. Bloque final medición, relé e interruptor . . . . . . . . . . . . . . . 304.8. Topología de SCADA HIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

vi

4.8.1. Parámetros de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.8.2. Visualizador de direccionalidad . . . . . . . . . . . . . . . . 314.8.3. Salidas digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5. Caso de estudio 325.1. Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.2. Modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6. Resultados y Discusión 376.1. Estudio de corto-circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.2. Verificación disparo de relés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.3. Tiempo de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.4. Resultados de tiempos de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.5. Transformador de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7. Conclusiones 47

Referencias 49

vii

Lista de Figuras1. Sistema de tres nodos, usado para explicar bloqueo de direccionalidad 72. Selección de modelo HIL a usar y configuración inicial esquemático 93. Configuración de parámetros límite en el hardware HIL usado . . . 104. Arquitectura de procesamiento básica usada en Typhoon, obtenida

de [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115. FPGA solver basics Typhoon, obtenida de [18] . . . . . . . . . . . . 126. Topológía del HIL SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137. Bloque de relé de sobrecorriente direccional . . . . . . . . . . . . . . 148. Configuración de máscara del relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159. Parámetros de entrada del relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1610. Resultado de botón “Show”, máscara del relé . . . . . . . . . . . . 1711. Resultado de botón “Preview”, máscara del relé . . . . . . . . . . . 1712. Topología interna del relé, cuenta con tres zonas: Función ANSI 67,

Tasa de transición y Salida (Disparo) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1813. Elemento “RateTransition” dentro de la librería de Typhoon . . . 1914. Zona: Datos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915. Zona: Datos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2016. Zona: Medida de fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2017. Zona: Entradas del SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2118. Zona: Función direccionalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119. Zona: Función sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2220. Diagrama de flujo función de direccionalidad . . . . . . . . . . . . . 2321. Diagrama de flujo función de sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . 2422. Zona: Bloqueo direccional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2523. Transformador trifásico, obtenido de la librería de Typhoon [18] . . 2524. Generador trifásico, obtenido de la librería de Typhoon [18] . . . . . 2625. Carga de impedancia constante, obtenido de la librería de Typhoon

[18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2626. Línea de transmisión con modelo PI, obtenido de la librería de

Typhoon [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2727. Modelo interno de un acople en Typhoon . . . . . . . . . . . . . . . 2728. Acople de simulación y sus capacitancias a ambos lados, para evitar

voltajes parásitos en la línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2829. División del circuito del caso de estudio para procesamiento en pa-

ralelo de las SPC’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2930. Sistema Relé, medición e interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . 3031. Bloque de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3032. Parámetros de entrada SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3133. Visualizador de dirección SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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34. Caso de estudio 8-nodos, [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3335. Caso de estudio completo modelado en Typhoon . . . . . . . . . . . 3636. Simulación falla franca a tierra línea 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 3937. Simulación falla franca a tierra línea 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 4038. Circuito equivalente de un transformador de corriente . . . . . . . . 4339. Curvas de magnetización, obtenida de [23] . . . . . . . . . . . . . . 4440. Transformador de corriente durante pre-falla . . . . . . . . . . . . . 4541. Transformador de corriente no saturado dada una falla . . . . . . . 4542. Transformador de corriente saturado dada una falla . . . . . . . . . 46

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Lista de Tablas1. Voltajes y corrientes de polarización para las tres fases del sistema. 42. Valores constantes para estándares ANSI/IEEE and IEC, [24] . . . 63. Valores constantes de curvas características del relé, [24] . . . . . . 174. Caso de estudio, datos de líneas, [26] . . . . . . . . . . . . . . . . . 335. Caso de estudio, datos de generadores, [26] . . . . . . . . . . . . . . 346. Caso de estudio, datos de transformadores, [26] . . . . . . . . . . . 347. Caso de estudio, datos de cargas, [26] . . . . . . . . . . . . . . . . . 348. 3φ Corrientes de falla obtenidas de [26] . . . . . . . . . . . . . . . . 349. Corrientes de falla halladas mediante un estudio de corto-circuito

realizado en Typhoon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3810. Errores relativos de corrientes de falla encontrada en Typhoon y en

la literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3811. Tiempos de operación de relés primarios y de respaldo con ajustes

de [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4112. Tiempos de operación de relés primarios y de respaldo con ajustes

de [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4213. Tiempos de operación de relés primarios y de respaldo con ajustes

de [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

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1. Introducción

Durante años se ha intentado encontrar los ajustes óptimos para los relés de sobre-corriente, que permitan tener altos niveles de selectividad, sensibilidad y confiabili-dad dada una falla. En [1], se presenta el primer modelo óptimo para encontrar losajustes de diales de tiempo y corrientes Pick-Up. A este le siguieron diferentes au-tores, quienes desarrollaron modelos que permiten obtener de manera más rápidao con mayor capacidad de selectividad los ajustes de corriente mínima de arranquey constantes de retardo de tiempo [[2],[3], [4], [5], [6], [7], [8],[9], [10]]. Sin embargo,estos modelos contemplan modelos estáticos de sistemas de potencia donde lasimpedancias equivalentes del sistema dada una falla no varían y no se tienen encuenta las corrientes transientes generadas por el accionamiento de un interruptor,las cuales pueden saturar los transformadores de corriente y generar pérdidas desensibilidad en los dispositivos de protección. El primer autor en tomar en cuentaestas variaciones fue [11], pero muy pocos lo siguieron y tomaron en cuenta esto[[12],[13]]. En la actualidad siguen desarrollándose investigaciones para encontrarestos ajustes, pero cada autor lo hace de manera distinta y los datos obtenidosdifieren en todos los casos aunque se esté usando el mismo sistema.

En el presente documento se muestra la implementación de un sistema eléctri-co con dispositivos de protección de sobrecorriente direccional en herramienta desimulación en tiempo real, en [14] se presenta el instructivo para montar el siste-ma. Anteriormente, se habían implementado este tipo de simulaciones con uno omáximo dos relés. Como novedad, este trabajo presenta el desarrollo de catorcerelés de sobrecorriente direccional para la verificación de selectividad, sensibili-dad y velocidad de estos dispositivos cuando una falla está presente en el sistemaeléctrico. Lo que pretende esta investigación es desarrollar mediante simulación,una herramienta que permita a investigadores futuros determinar y seleccionar losajustes que logren tener alta confiabilidad en el sistema. Anteriormente se handesarrollado sistemas que simulan el comportamiento de relés con función ANSI67 en Matlab/Simulink [[15],[16],[17]], pero hasta el conocimiento de nosotros nose han desarrollado un sistema protección en tiempo real con la herramienta usadaen esta investigación llamada TyphoonHIL [18].

TyphoonHIL permite realizar la simulación en tiempo real, pero debido al grannúmero de nodos implementados y la complejidad del sistema, aumenta el costocomputacional por lo que la simulación se ve afectada en la velocidad con la querealiza el cálculo de las ecuaciones diferenciales en cada paso de tiempo. Estointroduce un retardo en la simulación y no podrá ser ejecutada en tiempo real o

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mejor llamada Robust Real-Time y lo hará en Soft Real-Time, que si bien estádilatada en el tiempo se garantiza la sincronización del paso de tiempo.

Este trabajo de investigación ha sido usado en paralelo para el estudio de casos deoperación de dispositivos de protecciones en [19]-[22], donde se tienen en cuenta lastransientes del sistema y se analiza las posibles consecuencias que pueden generaren los tiempos de operación de los relés.

La organización del documento es como se denota a continuación. En el Capítulo3 se presentará la teoría detrás de los sistemas de protecciones de sobrecorrientedireccional [23]. El Capítulo 4 presenta la metodología con la que se desarrolló elsistema, es decir se explicará la implementación y diseño de los diferentes bloquesusados en la herramienta para simular el comportamiento cuando suceden fallasfrancas a tierra. Así mismo, se presentarán resultados de comparación con estu-dios de cortocircuitos presentados en la literatura y se verificará el comportamientoóptimo del sistema de protección en el Capítulo 5. Por último, se darán las con-clusiones finales de la investigación e implementación del sistema en el Capítulo6.

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2. Objetivos

2.1. Objetivo General

Desarrollar el modelo y simulación en tiempo real de un sistema eléctricointerconectado, protegido por relés de sobrecorriente direccional (DOCR)tomando en cuenta configuraciones transitorias que alteran la magnitud y sutopología de la corriente.

2.2. Objetivo específico

Por medio de la herramienta Typhoon HIL, implementar un sistema eléctricocon 8 barras, 7 líneas de transmisión y 14 relés direccionales para simulaciónen tiempo real.

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3. Marco Teórico

3.1. Sensibilidad y Selectividad

Sensibilidad: es la capacidad del dispositivo de detectar corrientes mayores a lamínima de falla aceptable por el dispositivo. Cuando se colocan los ajustes de unrelé de sobrecorriente es necesario entrar como parámetro la corriente de arranquede este, la cual es la mínima necesaria para que el relé de la orden de operar suinterruptor asociado.

Selectividad: es la capacidad del dispositivo de saber en que momento debe actuarcon un retardo y que instantes debe hacerlo instantáneamente. Esta propiedadde los relés permite a los ingenieros de protecciones configurar los ajustes de unsistema de tal manera que los dispositivos actúen de manera coordinada en casode una falla.

3.2. Protección direccional

La direccionalidad del flujo de potencia se mide a partir de las fases de los voltajesy corrientes en la línea. En la Tabla 1, se presentan los pares de corriente y vol-tajes usados para la determinación del flujo de potencia. Existen varios tipos depolarizaciones usadas tanto en la teoría como en la practica, pero la más empleadaes la de cuadratura fase-fase en la cual se determina si la polarización del flujo espositiva (“Forward”) o negativa (“Backward”) como se verá a continuación:

Fase Corriente de Polarización [ o ] Voltaje de Polarización [ o ]A Ia VbcB Ib VcaC Ic Vab

Tabla 1: Voltajes y corrientes de polarización para las tres fases del sistema.

De esta manera, tomando el ángulo de polarización de voltaje y corriente comoλ1 y λ2 respectivamente y ψ = λ2 − λ1) se cumple que el ángulo de torque es

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proporcional a T = λ1λ2 sin(ψ). Este valor será positivo si 0 < ψ < π y negativocuando π < ψ < 2π. Teniendo en cuenta lo anterior, se puede crear dos variablesllamadas límites inferior “(thresholdlow‘” y superior “thresholdhigh” que permitendeterminar direccionalidad de la siguiente manera:

Thresholdlow = λ1 − 90o +RCA

Thresholdhigh = λ1 + 90o +RCA

Estas dos últimas definiciones permiten determinar el flujo de potencia de la si-guiente manera:

“Forward” si:− 90o < λ1 +RCA− λ2 < 90o (1)

“Backward” si:90o < λ1 +RCA− λ2 < −90o (2)

Nota: Todos los relés usados durante esta investigación tienen un ángulo RCA de45o.

3.3. Protección de sobrecorriente

La función que determina la curva característica del relé se puede observar enal ecuación 3. Esta presenta diferentes curvas dadas por las normas americanas yeuropeas (ANSI/IEEE e IEC), las cuales ofrecen diferentes valores a las constantesde la función como se observa en la Tabla 2.

t = k

(β

Mα − 1+ L

)(3)

donde,

M =

(IRMS

Ipk

)

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α & β Pendiente característica del reléL ConstanteTMS Multiplicador de tiempo, diferente para curvas ANSI/IEEE y IECIRMS Corriente RMSIpk Corriente mínima de accionamiento (“Pick Up ”)

La Tabla 2, muestra los parámetros anteriores usados para diferentes estándares.

Descripción de curva Estándar β α LStandard Inverse IEC 0,14 0,02 0Very Inverse IEC 13,5 1 0

Extremely Inverse IEC 80 2 0Long Time Inverse UK 120 1 0

Rectifier UK 45900 5,6 0Moderately Inverse IEEE 0,0515 0,02 0,114

Very Inverse IEEE 19,61 2 0,491Extremely Inverse IEEE 28,2 2 0,1217

Inverse US 5,95 2 0,18Short Time Inverse US 0,16758 0,02 0,11858

Tabla 2: Valores constantes para estándares ANSI/IEEE and IEC, [24]

3.4. Bloqueo de direccionalidad

En la Figura 1, se presenta un sistema de tres nodos con una falla en la línea“b”. Como se observa allí, se presenta en rojo las direcciones del flujo de potenciaal presentarse la externalidad. De esta imagen podemos distinguir a los paresde relés primarios (“3”, “4”) con sus respectivos respaldos (“1”, “6”), los cualessiempre tendrán una polarización positiva y operarán coordinadamente dados losajustes de entrada. Sin embargo, los relés (“2”, “5”) ven también una corrientealta que seguramente estará por encima de la mínima de arranque requerida paradisparar su interruptor asociado, pero debido a que ellos observan una polaridadcontraria a la dirección del centro de la línea a la cual protegen, no podrán operaren ningún momento. Esta propiedad hace que la selectividad de un sistema deprotecciones aumente y es fundamental tenerla en cuenta cuando se modelan relésde sobrecorriente direccional.

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Figura 1: Sistema de tres nodos, usado para explicar bloqueo de direccionalidad

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4. Metodología

4.1. Herramienta de simulación en tiempo real

Para la modelación del sistema de protecciones se hizo uso de la herramientacomputacional Typhoon HIL, la cual permite desarrollar un modelo virtual de unsistema eléctrico y simularlo en tiempo real. Para esto es necesario conocer algunosconceptos básicos de la herramienta, los cuales se pueden adquirir a través de [18].

4.1.1. Editor de esquemático

Es la zona destinada para realizar el montaje del modelo eléctrico a desarrollar, yasean grandes sistemas de potencia o pequeños sistemas aislados como microrredes.Del mismo modo, puede ser utilizado para desarrollar sistemas de control paramejorar el comportamiento del sistema. Por ejemplo, puede modelarse un sistemade control que simula la inercia de un generador y de esta manera poder contro-lar la frecuencia del sistema cuando se hacen uso de paneles solares o baterías,esto debido a que la falta o nula inercia que estos dispositivos tienen producenproblemas de sincronización en las microrredes. El anterior es uno solo de muchosejemplos de modelos posibles en el software. En particular el caso de estudio delpresente documento busca modelar relés de sobrecorriente direccional, de los cualesse hablarán más adelante sobre su implementación.

Typhoon HIL cuenta con un dispositivo físico ("Hardware"), que permite compilarel circuito y bloques creados en una tarjeta FPGA. Así mismo, este dispositivopermite la conexión por medio de puertos seriales a sistemas de evaluación demicrorredes, relés, centros de automatización y tarjetas de control permitiendoobtener información de estos en tiempo real. Esta información es recolectada yexpuesta en el “Supervisorycontrolanddataacquisition(SCADA)” que provee latarjeta FPGA.

Existen varios modelos de dispositivos Typhoon HIL (402, 404, 602, 603 y 604),cada uno de ellos cuenta con características distintas. Para el proyecto presentese hizo uso del Typhoon HIL 402 el cual posee 4 núcleos, 16 entradas/salidasanalógicas, 32 entradas/salidas digitales, un rango de voltaje análogo de ±10V yuna resolución de 16 bits.

Para iniciar un nuevo proyecto se debe escoger el modelo de hardware a usar, en este

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caso se usa el HIL 402. También se debe realizar la selección del paso y métodode simulación, ya sea “Exact”, “Trapezoidal” ,“Euler” o “Biliniar”. Escogerde manera correcta estos parámetros aumentará la precisión en los cálculos delsistema. En la Figura 2, se presenta el recuadro donde se realiza la configuracióndel proyecto.

Figura 2: Selección de modelo HIL a usar y configuración inicial esquemático

Como se comentó anteriormente, se presentan en la Figura 2 las configuracionesdel modelo HIL, método y tiempo por paso de simulación. Sin embargo, no se hahablado de la casilla “Hardware configuration id” la cual es de gran importan-cia debido a que ella permite escoger las configuraciones límites propias del HIL402, tales como el número de núcleos, “Machine solvers”, generadores de señales,contactores y demás como se podrá observar a continuación:

Como se observa en la Figura 3, para el caso de estudio estudiado usado en estedocumento se hace uso de la configuración “2” por que tiene un máximo límitede cuatro núcleos. Para entender el concepto de núcleos usado en “Typhoon” esimprescindible hacer uso de la siguiente explicación:

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Figura 3: Configuración de parámetros límite en el hardware HIL usado

El procesamiento de un sistema en Typhoon, se divide de la siguiente manera:

1. Typhoon FPGA solver : Tarjeta FPGA con múltiples núcleos de procesamien-to, optimizada para simulaciones eléctricas en el dominio del tiempo.

2. System CPU : Uso de procesamiento, indirectamente controlado por el usua-rio, que sirve como asistencia a la tarjeta FPGA.

3. User CPU : Uso de procesamiento, directamente controlado por el usuario,que es usado para ejecutar modelos de procesamiento de señales.

Los diferentes niveles de procesamiento enumerados anteriormente componen laarquitectura usada por Typhoon para procesar los modelos eléctricos creados parasu posterior simulación en tiempo real.

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Figura 4: Arquitectura de procesamiento básica usada en Typhoon, obtenida de[18]

En la Figura 4, se presenta la estructura de procesamiento hecho por la FPGAdonde se procesan los diferentes núcleos que se generan en el sistema. Lo anteriorquiere decir, que es el usuario quien decide cuantos núcleos se deben usar para elprocesamiento en el sistema. Sin embargo, esta decisión se ve limitada debido aque entre más grande sea el sistema modelado, más núcleos serán necesarios. EnTyphoon se hace uso del término SPC (Standard processing core para referirse alos núcleos y su uso es imprescindible si en el sistema modelado nos encontramoscon gran cantidad de elementos no lineales y que varían con el tiempo como lo son:

1. Signal generator : Bloques que generan distintas formas de onda.

2. LUT (Look-Up-table: Bloque usado para simular elemento no lineales comobatería o paneles solares.

3. Machine solvers : Bloques de máquinas sincrónicas que tienen incorporadosla parte electromagnética que compone a estas máquinas.

4. PMW modulator : modulaciones de pulso Pulse-width-modulation.

5. Switches : Contactores ideales y no-ideales.

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Figura 5: FPGA solver basics Typhoon, obtenida de [18]

En general los SPC’s son usados debido a que el uso de elementos no-linealesaumentan el tamaño considerablemente de las matrices de estado y se generandesbordamientos de memoria si no se hace la división correcta en SPC’s del circuitoa simular.

4.1.2. HIL SCADA

Typhoon cuenta con una sección de post-procesamiento llamada HIL SCADA,donde se podrán obtener los resultados de la simulación, se hará la activación decontactores ideales, se extraerán mediciones de corrientes-voltajes y se graficaráel comportamiento de parámetros del sistema. A continuación se presenta unaimagen de ejemplo de esta sección del software:

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Figura 6: Topológía del HIL SCADA

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4.2. Modelamiento Relé

En esta sección se presentará el desarrollo del relé de sobrecorriente direccionalen la herramienta de simulación en tiempo real “Typhoon". La Figura 7, ilustra elbloque de relé usado.

Figura 7: Bloque de relé de sobrecorriente direccional

4.2.1. Máscara del bloque

La máscara del relé es la zona donde se configuran las entradas de este, es decir esallí donde se podrán colocar los ajustes tales como corrientes de arranque y cons-tantes de retardo. En la Figura 8, se muestra la ventana “Properties"que permiteconfigurar las entradas del dispositivo. Las posibles pestañas del editor de máscarason:

Propiedades: Usado para ingresar los parámetros de entrada del bloque mo-delado.

Inicialización: Usado para iniciar variables en la interfaz de la máscara. Porejemplo, en el relé modelado se puede graficar su curva característica dadolos ajustes ingresados, esta gráfica es compilada en esta pestaña.

Compilación: Compilación de código usando variables declaradas en la pes-taña anterior.

Post-resolve: Sección en la cual se ingresa código si se requiere una salidaluego de haber ejecutado la compilación

Apariencia: En esta pestaña se colocan los destinos de imágenes usados parael bloque, así como descripciones de este.

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Nota: Durante el desarrollo de creación de máscara para el relé, solo se hizo usode las pestañas “Propiedades.e‘‘Inicialización". El código usado para esta última seencuentra registrado en la sección de Apéndice.

Figura 8: Configuración de máscara del relé

El resultado final de la máscara creada se encuentra ilustrado en la Figura 9, y losparámetros son los siguientes:

“Enable/DisableRelay”: Habilita o deshabilita el relé.

“I > Function”: Lista de curvas características de tiempo inverso. Los pa-rámetros de estas curvas son declarados en la pestaña “Inicialización 2seencuentran ordenados en la Tabla 3.

“Direction / Non-Direction”: Habilita o deshabilita la función de direcciona-lidad del relé.

“I > 1CurrentSet : ”: Corriente mínima de arranque (“Pick-Up") vista enel lado primario de un transformador de corriente.

“I > 1TMS”: Tiempo de retardo del relé. Llamado TMS para curvas con

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estándar ANSI/IEEE y DT para IEC.

“PrimaryCT”: Valor de relación en lado primario del transformador de co-rriente.

“I > Charangle”: Valor de ángulo RCA para determinación de polaridaddel relé.

“TimeStep”: Tiempo de paso usado en el relé, con el se conoce el númerode muestras que toma el relé.

“Presstovisualizeselectedsettings”: Está conformado por dos botones, elprimero permite observar los ajustes ingresados al relé y el segundo permiteobservar la curva característica de este. En las Figuras 10 y 11, se presentanlos resultados de presionar estos botones respectivamente.

Figura 9: Parámetros de entrada del relé

16

Curve Description Standard β α LStandard Inverse IEC 0,14 0,02 0Very Inverse IEC 13,5 1 0

Extremely Inverse IEC 80 2 0Long Time Inverse UK 120 1 0

Rectifier UK 45900 5,6 0Moderately Inverse IEEE 0,0515 0,02 0,114

Very Inverse IEEE 19,61 2 0,491Extremely Inverse IEEE 28,2 2 0,1217

Inverse US 5,95 2 0,18Short Time Inverse US 0,16758 0,02 0,11858

Tabla 3: Valores constantes de curvas características del relé, [24]

Figura 10: Resultado de botón “Show”, máscara del relé

Figura 11: Resultado de botón “Preview”, máscara del relé

17

4.3. Implementación del bloque

En esta sección se explicará la creación interna del bloque del relé, es decir semostrará como se realizan las mediciones de direccionalidad y sobrecorrinte paraque el dispositivo pueda realizar la apertura de un interruptor en caso de que secumplan condiciones de falla.

Figura 12: Topología interna del relé, cuenta con tres zonas: Función ANSI 67,Tasa de transición y Salida (Disparo)

En la Figura 12, se presenta la disposición topológica interna del relé, donde seencuentra la función de transición de tasa, el bloque lógico de direccionalidad y so-brecorriente (ANSI 67) y post-procesamiento de salida de disparo. Estos elementosserán explicados a continuación:

4.3.1. Transición de tasa

Como primera instancia se procede a tomar un muestreo de los datos de corrientes yvoltajes que ingresan al dispositivo de protección. Esto es necesario, ya que los relésreales no pueden tomar todos los datos existentes y es necesario tomar muestrascada determinado tiempo de la señal de entrada. Es por esto que se procedió a usarun bloque llamado “RateTransition” que provee Typhoon (Figura 13) y permiterealizar un cambio el el paso de tiempo durante la simulación de las señales, lo quesimula un muestreo de datos a tasas menores a las que el sistema está trabajando.

18

Figura 13: Elemento “RateTransition” dentro de la librería de Typhoon

El sistema tiene un tiempo de simulación de de 10e-6 y los relés tienen uno de5e-4. El tiempo de paso interno del relé puede variarse a valores más pequeñosdesde la ventana de inicialización que provee el editor de esquemático, pero es detotal necesidad que su valor sea un múltiplo del tiempo de paso del sistema. Espor esta razón que se tomó el valor de 5e-4, para poder tomar 32 muestras/ciclo= 5,208888e-4, que generalmente los relés reales usan.

4.3.2. Bloque ANSI 67

Este bloque se divide en seis diferentes zonas de procesamiento de datos, las cualespermiten determinar direccionalidad y sobrecorriente dados los datos de las señalesde entrada de voltaje y corriente. A continuación se explica cada una de estas:

Datos básicos: En esta zona se adquieren los datos de voltajes y corrientesde fase que ingresan al relé. (Figura 14)

Figura 14: Zona: Datos básicos

19

Valores RMS: En esta zona se obtienen los valores RMS de las corrientesinstantáneas. (Figura 15)

Figura 15: Zona: Datos básicos

Medida de fases: En esta zona se obtienen los valores de ángulos de voltajesy corrientes de entrada. Esto se realiza mediante la diferencia de fase de unaseñal senoidal ideal sin(wt) con la señal de entrada mediante un bloquedentro de la librería de la herramienta llamado Phase Diff . (Figura 16)

Figura 16: Zona: Medida de fases

20

Entradas del SCADA: En esta zona se obtienen los valores que durante lasimulación podrán ser configurados en la interfaz del SCADA, como se verámás adelante. (Figura 17)

Figura 17: Zona: Entradas del SCADA

Función direccionalidad: En esta zona se presenta un bloque que inter-namente permite desarrollar código en lenguaje C#, con el cual se obtienenlos datos de entrada de ángulos y se procede a comprobar la polarización delrelé. (Figura 18)

En la Figura 20, se presenta el diagrama de flujo asociado al algoritmo desa-rrollado para hallar la polaridad con la que el relé observa el flujo de potencia.

Figura 18: Zona: Función direccionalidad

21

Nota: En la Figura 18 se observa un interruptor lógico en la salida del bloque defunción, este permite habilitar o deshabilitar la direccionalidad desde la máscaradel dispositivo.

Función sobrecorriente: En esta zona se presenta un bloque que interna-mente permite desarrollar código en lenguaje C#, con el cual se determinasi la corriente vista por el dispositivo de protección es mayor a la mínima dearranque y determina el tiempo de retardo que debe tomar antes de operar.(Figura 19)

En la Figura 21, se presenta el diagrama de flujo asociado al algoritmo desa-rrollado para determinar si existe sobrecorriente vista por el relé y envía comoparámetro de salida la orden al interruptor de operar en caso de que suceda.Es importante aclarar que este mandato lo hace pasado el tiempo calculadomediante su curva característica determinada con los ajustes ingresados porel usuario.

Figura 19: Zona: Función sobrecorriente

Nota: En la Figura 19 se observa un interruptor lógico en la salida del bloque defunción, este permite habilitar o deshabilitar el relé en caso de que el usuario dela herramienta lo requiera, ya que si es activado el dispositivo nunca hará operarsu interruptor asociado.

22

Figura 20: Diagrama de flujo función de direccionalidad

23

Figura 21: Diagrama de flujo función de sobrecorriente

24

Bloqueo Direccional: En esta zona se procura realizar el bloqueo que tie-nen como propiedad los relés de sobrecorriente direccional. En donde en casode que un relé detecte polaridad negativa, nunca operará sea cual sea lacorriente de falla a menos que la polaridad vuelva a ser positiva. (Figura 22)

Figura 22: Zona: Bloqueo direccional

4.4. Modelo caso de estudio en Typhoon

Para modelar el caso de estudio en Typhoon se hicieron uso de los elementosproporcionados por la librería de la herramienta y los parámetros de entrada sonlos descritos en la sección 3. Los dispositivos usado durante el desarrollo del casode estudio fueron:

Transformador trifásico ideal con parámetros de potencia nominal, frecuen-cia, voltaje línea-neutro RMS, secuencia positiva de corto-circuito, pérdidasactivas y modelo de núcleo lineal o no-lineal.

Figura 23: Transformador trifásico, obtenido de la librería de Typhoon [18]

25

Generador trifásico con parámetros de entrada de frecuencia nominal, voltajelínea-neutro RMS y fase.

Figura 24: Generador trifásico, obtenido de la librería de Typhoon [18]

Carga de impedancia constante la cual dependiendo de su factor de potencia,ya sea en atraso o en adelanto, esta conformada por circuitos de resistenciaen serie o paralelo con inductancias y capacitancias respectivamente. Dentrode sus parámetros de entrada se encuentran el voltaje línea-línea, tipo deconexión, potencia nominal y factor de potencia.

Figura 25: Carga de impedancia constante, obtenido de la librería de Typhoon [18]

Líneas de transmisión con modelo PI con parámetros de entrada que puedenser ingresados de tres maneras, por medio de la geometría, datos de secuencia,y RL acoplado. Este tipo de líneas se encuentran modeladas como resistenciasen serie con inductancias y en paralelo con capacitancia a los extremos, quese encuentran alimentadas mediante fuentes de voltaje controladas mediantelos parámetros de entrada ingresados.

26

Figura 26: Línea de transmisión con modelo PI, obtenido de la librería de Typhoon[18]

4.5. Acoples de simulación

Debido a que se colocaron líneas de sección PI, en vez de RL y que el circuitoes demasiado grande fue necesario colocar acoples de simulación, que son necesa-rios por el software para dividir el sistema en subsistemas, permitiendo realizarun procesamiento en paralelo de los núcleos o SPC’s que se hablaron en el Mar-co Teórico del documento presente. Estos acoples de simulación no cambian deninguna manera las propiedades de las líneas (impedancias mutuas o propias),son llamados acoples debido a que cuentan con dos fuentes de voltaje ideales queayudan a realizar la división hablada anteriormente, como se verá a continuación:

Figura 27: Modelo interno de un acople en Typhoon

El uso de acoples de simulación junto a líneas con configuración PI, cambian porcompleto las propiedades del sistema, ya que como el sistema cuenta con contac-tores se generan problemas topológicos cuando uno de estos se abre variando losvoltajes, en magnitud y fase, del sistema. Otras de los posibles problemas al colocaracoples en el sistema son:

1. Los acoples ingresan inductancias al sistema, las cuales deben ser tomadasen cuenta al momento de realizar el sistema.

27

2. Debido a que en el sistema se hacen uso de contactores surge un error to-pológico cuando estos realizan apertura, variando la magnitud y fase de losvoltajes en los nodos del sistema. Lo anterior produce discrepancias a la ho-ra de actuar de los relés. Es debido a esto, que buscar una solución a esteproblema es de de gran importancia.

3. Los acoples tienen un radio llamado “TML/Embendded ratio”, el cual estáconfigurado para que se calcule de manera automática. Sin embargo, se puedecolocar manualmente y si este valor es colocado de manera incorrecta puedegenerar lectura de datos erróneos en el sistema. Por ejemplo, puede causarque a un lado del acople exista una corriente diez veces menor que la que selee en el otro extremo.

El problema al realizar la apertura de un contactor es que la línea adjunta a estequeda con un voltaje “incorrecto”, ya que su valor debería ser nulo. Sin embargo,al momento de hacer apertura el contactor los acoples de simulación hacen queexista un voltaje parásito en estas líneas que generan cambios de corrientes en ellado adyacente del acople, provocando que en los demás nodos del sistema cambienlos voltajes y por lo tanto se generan discrepancias a la hora de actuar los relésmodelados.

La solución que se encontró para abordar este problema fue hacer uso de capa-citancias a ambos lados de los acoples. Estas funcionan como descargadores devoltaje en el momento que un interruptor es abierto y mantienen un voltaje cons-tante cuando están cerrados o se reinicia el sistema. De esta manera, se evitan losvoltajes parásitos y sus efectos en los demás nodos del sistema.

Figura 28: Acople de simulación y sus capacitancias a ambos lados, para evitarvoltajes parásitos en la línea

28

4.6. División del sistema en núcleos

Ya solucionado el problema topológico del que se habló anteriormente, se procedióa montar el circuito completo con la solución establecida. En la siguiente figurase muestra las divisiones correspondiente en el sistema, generadas por los acoples.Es de importancia recordar que cada división en el circuito equivale a un SPCy pueden ser sujeto a cambios debidos a la posición en la que se decida colocarlos acoples de simulación. Como se podrá observar en la Figura 29, se separa elcircuito en cuatro núcleos diferentes y que hacen alusión al máximo permitido porel dispositivo HIL 402.

Figura 29: División del circuito del caso de estudio para procesamiento en paralelode las SPC’s

Es importante aclarar, que al dividir el circuito en núcleos se deben separar lospuntos a “Tierra o Ground” que debido a que el circuito debe tener este mismopunto en común, se deben representar mediante “tags” unidos en un mismo acople.Si no se desarrolla lo anterior, van a surgir problemas de topológicos en la red queno permitirán compilar el sistema ya que este no sabrá cual es la división correctade los “SPC ′s”.

29

4.7. Bloque final medición, relé e interruptor

En la Figura 30 se muestra como se implementa un relé en el caso de estudiodonde se apreciará que cada relé cuenta con su respectivo interruptor y bloque demedida, en el cual se miden las corrientes y voltajes de fase instantáneas medianteel uso de probetas disponibles en la herramienta de simulación como se muestraen la Figura 31.

Figura 30: Sistema Relé, medición e interruptor

Figura 31: Bloque de medición

4.8. Topología de SCADA HIL

En esta sección se pretende presentar las tres diferentes zonas creadas en el SCA-DA, para visualizar las mediciones y respuestas del sistema dados eventos externos.

30

4.8.1. Parámetros de entrada

En esta zona, ilustrada en la Figura 32, se presentan las entradas de los relés. Espreciso recordar que estos parámetros fueron configurados inicialmente en el editorde esquemático de la herramienta, pero durante la simulación se pueden variar losajustes de corriente mínima de arranque y tiempo de retardo (TMS) para variar larespuesta del relé y poder obtener comparativos de diferentes resultados de este.Así mismo, en este lugar de la plataforma se presenta la selección de relé el cualse quiere conocer su respuesta, es decir si se selecciona alguno de los dispositivosde protección contenidos en la lista, se presentarán los resultados asociados a esteen pantalla. Por último, en esta zona se puede reiniciar todos los relés del sistemalo que es de gran ayuda para tomar datos nuevamente de requerirlo.

Figura 32: Parámetros de entrada SCADA

4.8.2. Visualizador de direccionalidad

En esta zona, ilustrada en la Figura 33, hace alusión al lugar donde se podránobservar las fases de ángulos de voltajes y corrientes para determinar direcciona-lidad. Como se comentó en la sección 3, la direccionalidad se aprecia midiendo elángulo entre el voltaje y la corriente determinando si la polaridad es negativa opositiva.

31

Figura 33: Visualizador de dirección SCADA

4.8.3. Salidas digitales

En esta zona se pretende mostrar las salidas lógicas de los relés de sobrecorrientedireccional, donde se presentan niveles lógicos altos si el dispositivo opera tantoen direccionalidad como en sobrecorriente. También permite conocer si el relé seencuentra polarizado positivamente o negativamente y la de la derecha muestrala operación de los dispositivos si no existe bloqueo por direccionalidad y cumplesensibilidad. Así mismo, en este lugar se permite tomar muestras instan

5. Caso de estudio

5.1. Teórico

El caso de estudio usado durante el desarrollo de esta investigación, se obtuvo de[[25],[26]] y posee dispositivos eléctricos tales como transformadores, generadores,líneas de transmisión e interruptores operados por relés de sobrecorriente direccio-nal. En la Figura 34, se presenta la topología del sistema de 8-nodos y posteriora esta se presentan las tablas con los parámetros de cada uno de los elementoscomentados anteriormente, así como los resultados de corrientes de falla halladasen un estudio de corto-circuito.

32

Figura 34: Caso de estudio 8-nodos, [25]

Bus Bus R [ ΩKm

] X [ ΩKm

] Y [ SKm

] Length [Km]1 2 0,04 0,5 0 101 3 0,057 0,714 0 73 4 0,05 0,563 0 84 5 0,05 0,45 0 105 6 0,045 0,409 0 112 6 0,044 0,5 0 91 6 0,05 0,5 0 10

Tabla 4: Caso de estudio, datos de líneas, [26]

33

Bus S [MVA] Vp [KV] x [% ]7-1 150 10 158-6 150 10 15

Tabla 5: Caso de estudio, datos de generadores, [26]

Bus S [MVA] Vp [KV] Vs [KV] x [% ]7-1 150 10 150 48-6 150 10 150 4

Tabla 6: Caso de estudio, datos de transformadores, [26]

Bus P [MW] Q [MVAr]2 40 203 60 404 70 405 70 50

Tabla 7: Caso de estudio, datos de cargas, [26]

Relé Primario Relé de Respaldo Corriente de falla Primario [kA] Corriente de falla Respaldo [kA]11 9 2,7 2,71 11 5,38 0,811 14 5,4 1,543 1 3,34 3,345 3 2,24 2,247 5 1,36 1,369 7 4,99 0,429 13 4,99 1,5414 7 4,26 0,4214 10 4,26 0,8112 14 4,99 1,5412 2 4,99 0,422 4 1,45 1,454 6 2,34 2,346 8 3,49 3,498 10 5,38 0,818 13 5,38 1,5410 12 2,5 2,513 11 4,26 0,8113 2 4,26 0,42

Tabla 8: 3φ Corrientes de falla obtenidas de [26]

34

5.2. Modelado

En la Figura 35, se presenta la topología del caso de estudio con falla en la línea4. Se debe aclarar que para cada una de las siete líneas se crearon diferentesarchivos que contienen las divisiones necesarias de núcleos por medio de acoplesde simulación para generar las fallas.

35

Figura35

:Casode

estudiocompletomod

elad

oen

Typ

hoon

36

6. Resultados y Discusión

En esta sección se presentan los resultados de simular distintas fallas en diferenteslíneas del sistema base. Lo que se busca es observar el comportamiento de laherramienta al simular un sistema grande y que lo haga concorde a las siguientessuposiciones:

Los ajustes de relés determinarán su comportamiento durante una falla yson conocidos con anterioridad.

La polaridad de relés primarios y secundarios será en dirección positiva a lafalla.

Todas las falla realizadas durante la simulación serán 3phi francas a tierra.

Los interruptores tienen un retardo de accionamiento de 5 ciclos.

Las transientes generadas por cambios de impedancia del sistema son toma-das en cuenta en la simulación y tienen gran peso en el retardo de operaciónde relés.

6.1. Estudio de corto-circuito

En primera instancia se realizó un estudio de corto-circuito con el fin de compararlas corrientes de falla obtenidas con el sistema simulado y aquellas encontradas en[26]. Estos resultados permiten comprobar la veracidad del sistema simulado en laherramienta. Los resultados de magnitud de corrientes se encuentran registrados enla Tabla 9 y se presentan los resultados de error con respecto a los de la literaturaen la Tabla 10.

37

Relé Primario Relé Respaldo Simulación Tiempo RealRelé Primario

Corriente de falla [A]Relé Respaldo

Corriente de falla [A]11 9 2666,25 2664,241 11 5469,13 797,081 14 5469,13 1523,763 1 3466,88 3467,995 3 2260,15 2242,387 5 1382,27 1384,619 7 5075,5 408,339 13 5075,5 1499,5514 7 4300,36 387,9514 10 4300,36 752,6612 14 5050,64 1492,6712 2 5050,64 402,292 4 1512,24 1512,784 6 2364,23 2363,176 8 3619,61 36218 10 5487,19 802,178 13 5487,19 1533,1810 12 2492,37 2490,413 11 4297,89 751,7813 2 4297,89 390,68

Tabla 9: Corrientes de falla halladas mediante un estudio de corto-circuito realizadoen Typhoon

Relé Primario Relé Respaldo ErrorError Relé Primario [%] Error Relé Respaldo [%]

11 9 1,25 1,321 11 1,66 1,601 14 1,28 1,053 1 3,80 3,835 3 0,90 0,117 5 1,64 1,819 7 1,71 2,789 13 1,71 2,6314 7 0,95 3,7314 10 0,95 6,5012 14 1,22 3,0712 2 1,22 4,222 4 4,29 4,334 6 1,04 0,996 8 3,71 3,758 10 1,99 0,978 13 1,99 0,4410 12 0,31 0,3813 11 0,89 6,5013 2 0,89 3,06

Tabla 10: Errores relativos de corrientes de falla encontrada en Typhoon y en laliteratura

38

Como se observa en los resultados anteriores, el máximo error relativo encontradoes de 6.5%. Esto indica una gran similitud entre el caso de estudio simulado en laherramienta Typhoon y los resultados obtenidos en [26]. Esto permite que podamoscomparar los resultados de operación de relés con los esperados teóricamente, yaque son comparables ambos modelos.

6.2. Verificación disparo de relés

En las Figuras 36 y 37, se presenta la simulación de una falla al 95% de una líneacon parámetros de ajustes obtenidos de [13]. Lo que se busca encontrar con estosresultados de corrientes instantáneas y salidas lógicas de relés es apreciar el debidocomportamiento de los relés involucrados durante la externalidad.

Figura 36: Simulación falla franca a tierra línea 1

Lo que se observa en la Figura anterior, es el gran efecto que las transientes tienenen la operación del relé. Se aprecia que al instante que la falla es iniciada surge unatransiente el el relé “2” que es despejada a aproximadamente 1.1 [s], y debido a quese realiza la apertura de su interruptor asociado la impedancia en el punto de fallacambia, generando una corriente transiente vista por el relé “9” siendo despejada alos 1.2 [s] del inicio de la falla. Podemos ver que este efecto de variación de corrienteno solo es visto por los dispositivos primarios, si no que los de respaldo tambiénson sujetos a estas variaciones bruscas y a aproximadamente a 1.25 [s] el relé “10”

39

opera. Esto realmente muestra el buen funcionamiento del sistema implementadoen la herramienta, pero por otro lado sugiere un gran desafío al momento de colocarlos ajustes de entrada del relé para que no sucedan problemas de selectividad comolos vistos con el relé de respaldo en este caso, donde no debería operar por que losprimarios lo hicieron primero.

Figura 37: Simulación falla franca a tierra línea 2

En este caso al comenzar la falla, el relé “10” que se encuentra más cerca a la fallaoperará primero y generará las corrientes transientes vistas en “3”. A diferenciadel ejemplo anterior, la selectividad en este ejemplo es óptima ya que los relés derespaldo no se dispararon debido al despeje hecho por sus pares primarios.

6.3. Tiempo de simulación

Debido a que el sistema implementado cuenta con un gran número de nodos, elcosto computacional aumenta y la herramienta se ve limitada en desarrollar lasolución de las ecuaciones diferenciales en tiempo exacto o llamada Robust RealTime. Por lo que se hace necesario aumentar el tiempo entre cada paso de soluciónde las ecuaciones y genera un retardo en el tiempo de simulación aunque existauna sincronización en el tiempo de paso, recibiendo el nombre de Soft Real Time.

40

6.4. Resultados de tiempos de operación

En esta sección se presentan los tiempos de operación hallados para los relés prima-rios sombreados de color verde o rojo y de respaldo con color amarillo en las Tablas11 a 13. Estos datos se obtuvieron teniendo en cuenta las los ajustes encontradosmediante métodos de optimización en [7], [13], [27].

Parámetros de EzzedinneNúmero de relé

11 1 3 5 7 9 14 12 2 4 6 8 10 13

FallaNear - end

/Relé Tiempo [s]11 0,86 1,27 11 1,46 1,23 1,43 1,343 1,24 1,024 1,0385 1,23 0,85 1,017 1,49 0,78 1,289 1,53 0,92 1,04 1,4614 1,46 0,91 1,46 1,0412 1,02 1,46 0,9 1,532 1,27 0,64 1,0154 1,09 0,91 1,236 1,05 1,06 1,278 1,195 1,14 1,37 1,3510 1,04 1,27 0,9113 1,47 1,12 1,47 0,98

Tabla 11: Tiempos de operación de relés primarios y de respaldo con ajustes de[27]

41

Parámetros de AmraeNúmero de relé

11 1 3 5 7 9 14 12 2 4 6 8 10 13

FallaNear - end

/Relé Tiempo [s]11 0,59 1,09 0,741 1,84 0,92 1,73 1,73 1,3 0,9 1,045 1,17 1,14 1,227 0,94 0,38 0,979 2,9 0,73 0,85 1,814 2,63 0,78 1,7 0,8912 0,73 1,76 0,61 2,782 1,17 1,05 1,44 1,12 1,23 1,256 1,04 0,94 1,298 0,95 0,83 1,18 1,2810 0,98 1,04 0,8513 1,69 0,86 2,58 0,75

Tabla 12: Tiempos de operación de relés primarios y de respaldo con ajustes de [7]

Parámetros de AmraeNúmero de relé

11 1 3 5 7 9 14 12 2 4 6 8 10 13

FallaNear - end

/Relé Tiempo [s]11 0,98 1,26 1,091 1,58 1,09 1,53 1,223 1,36 1,1 1,145 1,33 0,94 1,097 1,63 1,24 1,389 1,57 0,94 1,07 1,5214 1,54 0,98 1,54 1,0712 1,09 1,55 0,92 1,552 1,35 0,67 1,144 1,1 0,91 1,336 1,14 1,06 1,38 1,37 1,25 1,58 1,4910 1,05 1,32 0,9313 1,6 1,05 1,57 0,94

Tabla 13: Tiempos de operación de relés primarios y de respaldo con ajustes de[13]

Las Tablas anteriores indican que el relé implementado en la herramienta de simu-lación cumple en un 100% con sensibilidad de relés primarios. Lo anterior debidoa que como se observa en los resultados, para fallas “Near − End” los dispositi-vos localizados más cerca a estas (sombreados de color verde) son los que actúan

42

primero. Posteriormente se realiza el disparo del relé al otro extremo de la línea,seguido por los dispositivos de respaldo. Para obtener estos últimos fue necesariodeshabilitar su relé primario asociado, con lo que se obtienen tiempos de operaciónmás grandes debidos a la distancia a la que estos se encuentran de la falla.

6.5. Transformador de corriente

A continuación se presenta el modelo equivalente de un transformador de corriente,el cual se usará para explicar su modelación en la herramienta de simulación entiempo real.

Figura 38: Circuito equivalente de un transformador de corriente

Ip Corriente lado primario del CTVE Voltaje de magnetizaciónIE Corriente de magnetizaciónIST Corriente lado secundario del CTZE Impedancia de magnetizaciónZB Impedancia de BurdenRL Impedancia lado primario referida al secundarioIS IST − IE

El valor de ZE va a definir la corriente IE, lo que determinará la corriente que va aapreciar la impedancia de burden ZB. En la Figura 39, se encuentran las curvas demagnetización para diferentes relaciones primario-secundario de transformadoresde corriente. Estas curvas determinan la corriente y voltaje de magnetización,que si se nota presentan unos puntos de quiebre que generan que la impedanciaZB no cambie significativamente dadas unas corrientes vistas en el lado primario.A lo anterior se le conoce como saturación del relé y se procede a presentar suimplementación en Typhoon como se muestra a continuación:

43

Figura 39: Curvas de magnetización, obtenida de [23]

El elemento más importante en el circuito creado en la herramienta es la inductan-cia variable, la cual simula la impedancia de magnetización y dados los parámetrosde flujo ingresados se puede simular la saturación del relé. En general existen trestipos de resultados cuando se simulan fallas y la corriente es transformada por unCT.

Estado pre-falla, el transformador de corriente no se encuentra saturado.

44

Figura 40: Transformador de corriente durante pre-falla

Durante una falla el transformador de corriente no se satura debido a que elinstante de falla no sucede cerca o cuando pasa la señal por cero, lo que nogenera máximos en las corrientes de falla.

Figura 41: Transformador de corriente no saturado dada una falla

El instante de falla es aquel en el que la señal pasa o se encuentra cerca decero, lo que genera corrientes de falla máximas y satura el CT.

45

Figura 42: Transformador de corriente saturado dada una falla

46

7. Conclusiones

En este trabajo se implementó un sistema eléctrico de potencia interconectadobajo una plataforma de simulación en tiempo real (Typhoon) para la verificaciónde la sensibilidad, selectividad y velocidad de un sistema de protección basado enrelés de sobrecorriente direccionales (DOCR).

El sistema eléctrico de potencia implementado en Typhoon consistió en una redde 8 nodos, 7 líneas 150kV y 14 relés originalmente propuesta por Braga & Saraivaen 1996 [25]. En la literatura existen muchos estudios de coordinación de relésdireccionales con el caso de estudio de 8 nodos. En este trabajo se utilizaron losajustes (temporización y umbrales) propuestos por Sorrentino en 2020 [13].

La simulación del sistema eléctrico se desarrolló en Soft Real-Time, que aunque seencuentre dilatada en el tiempo, se garantiza la solución sincronizada de las ecua-ciones diferenciales en cada paso. Esto permite que la plataforma determine congran precisión la secuencia de operación (selectividad), la capacidad de detecciónde corriente de falla (sensibilidad) y el tiempo de respuesta (velocidad) de los relésde sobrecorriente direccionales ante condiciones de falla trifásica solida a tierra encualquiera de las líneas del sistema.

En particular, se tomó en cuenta el hecho que los interruptores que protegen a unalínea no operan de forma simultánea y por lo tanto ocurren condiciones transitoriasen la dirección y magnitud de las corrientes de falla, así como en la topología delsistema que afectan la sensibilidad, selectividad y velocidad del sistema de protec-ción. Adicionalmente se toma en cuenta la saturación de los transformadores decorriente, la asimetría de las corrientes de cortocircuito y los tiempos de aperturade los interruptores. Otra ventaja, es que la plataforma permite incorporar relés fí-sicos bajo simulación Hardware-in-the-loop (HIL). En este trabajo, se consideraronla operación simultánea de 14 relés virtuales.

Para la comprobación del funcionamiento del sistema, se realizó un estudio decorto-circuito en cada una de las líneas del sistema y se compararon con resultadosobtenidos en ETAP [26], donde se encontró un error relativo de 6.5% como lamáxima diferencia entre ambas corrientes.

47

Recomendaciones

La plataforma en tiempo real propuesta permite conocer con exactitud elcomportamiento del sistema de protección ante cualquier falla del sistema.Esta posibilidad constituye una herramienta útil para la identificación y clasi-ficación de patrones de operación de los relés direccionales de sobrecorriente.Por lo tanto, es posible establecer índices o indicadores globales que carac-tericen el sistema de protección como un todo.

48

Referencias[1] A. Urdaneta, R. Nadira y L. Jimenez Pérez, «Optimal coordination of direc-

tional overcurrent relays in interconnected power systems,» IEEE Transac-tions on Power Delivery, vol. 3, n.o 3, págs. 903-911, 1988. doi: http://dx.doi.org/10.1109/61.193867.

[2] H. M. Hussain, S. R. A. Rahim y M. I., «Optimal Overcurrent Relay Coordi-nation: A Review,» Procedia Engineering, vol. 53, págs. 332-336, 2013. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2013.02.043.

[3] D. Birla, P. Maheshwari R. y H. O. Gupta, «Time-overcurrent relay coordina-tion: A review,» International Journal of Emerging Electric Power Systems,vol. 2, n.o 2, 2005.

[4] S. Raza, T. Mahmood y S. Bukhari, «Optimum overcurrent relay coordina-tion: A review,» The Nucleus, vol. 51, n.o 1, págs. 37-49, 2014.

[5] M. Singh y B. K. Panigrahi, «Minimization of operating time gap bet-ween primary relays at near and far ends in overcurrent relay coordination,»págs. 1-6, 2014. doi: 10.1109/NAPS.2014.6965354.

[6] A. S. Noghabi, J. Sadeh y H. R. Mashhadi, «Considering Different NetworkTopologies in Optimal Overcurrent Relay Coordination Using a Hybrid GA,»IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, n.o 4, págs. 1857-1863, 2009.doi: 10.1109/TPWRD.2009.2029057.

[7] T. Amraee, «Coordination of Directional Overcurrent Relays Using SeekerAlgorithm,» IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 27, n.o 3, págs. 1415-1422,2012. doi: http://dx.doi.org/10.1109/tpwrd.2012.2190107.

[8] A. Mahari y H. Seyedi, «An analytic approach for optimal coordination ofovercurrent relays,» IET Generation, Transmission Distribution, vol. 7, n.o 7,págs. 674-680, 2013. doi: 10.1049/iet-gtd.2012.0721.

[9] F. A. Albasri, A. R. Alroomi y J. H. Talaq, «Optimal Coordination of Di-rectional Overcurrent Relays Using Biogeography-Based Optimization Algo-rithms,» IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 30, n.o 4, págs. 1810-1820,2015. doi: 10.1109/TPWRD.2015.2406114.

[10] Y. Damchi, M. Dolatabadi, H. R. Mashhadi y J. Sadeh, «MILP approachfor optimal coordination of directional overcurrent relays in interconnectedpower systems,» Electric Power Systems Research, vol. 158, págs. 267-274,2018, issn: 0378-7796. doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2018.01.015. dirección: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378779618300233.

[11] A. J. Urdaneta, L. G. Perez, H. Restrepo, J. Sanchez y J. Fajardo, «Conside-ration of the transient configurations in the optimal coordination problem ofdirectional overcurrent relays,» págs. 169-173, 1995. doi: 10.1109/ICCDCS.1995.499138.

49

[12] A. Mahboubkhah, V. Talavat y M. Beiraghi, «Considering transient state ininterconnected networks during fault for coordination of directional overcu-rrent relays,» Electric Power Systems Research, vol. 186, pág. 106 413, 2020,issn: 0378-7796. doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2020.106413.dirección: http : / / www . sciencedirect . com / science / article / pii /S0378779620302194.

[13] E. Sorrentino y Rodríguez, «A novel and simpler way to include transientconfigurations in optimal coordination of directional overcurrent protections,»Electric Power Systems Research, vol. 180, págs. 106-127, 2020. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.epsr.2019.106127.

[14] F. A. Gómez-Olaya, «Anexo: Instructivo para implementación de sistema de8 barras con relés de sobrecorriente direccional en Typhoon HIL,» Anexo Pro-yecto de grado Ingeniería Electrónica, Universidad de los Andes, págs. 1-63,2020.

[15] S. S. Martín y M. B. Fernández, «Model and Performance Simulation forOvercurrent Relay and Fault-Circuit-Breaker Using Simulink,» InternationalJournal of Electrical Engineering and Education, vol. 43, n.o 1, págs. 80-91,2016. doi: http://dx.doi.org/10.7227/ijeee.43.1.8.

[16] M. S. Almas, R. Leelaruji y L. Vanfretti, «Over-current relay model im-plementation for real time simulation amp; Hardware-in-the-Loop (HIL),»IECON 2012 - 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics So-ciety, págs. 4789-4796, 2012. doi: http://dx.doi.org/10.1109/iecon.2012.6389585.

[17] N. H. Hussin, M. H. Idris, M. Amirrudin, M. S. Ahmad, A. M. Ismael, A. F.S. y M. N. M., «Modeling and simulation of inverse time overcurrent relayusing Matlab/Simulink,» 2016 IEEE International Conference on AutomaticControl and Intelligent Systems (I2CACIS), págs. 40-44, 2016. doi: http://dx.doi.org/10.1109/i2cacis.2016.7885286.

[18] Typhoon-HIL, «Typhoon Hardware-In-The-Loop testing solutions,» direc-ción: https://www.typhoon-hil.com/, accessed: 2020.

[19] P. M. De Oliveira-De Jesus y E. Sorrentino, «Methodology to assess perfor-mance indexes for sensitivity, selectivity, and speed of directional overcurrentprotection coordination schemes.,» Submitted to Electric Power Systems Re-search, n.o EPSR-D-21-00047, págs. 1-17, 2020.

[20] P. M. De Oliveira-De Jesus, E. Sorrentino, J. Abello, O. Archilla, A. AlzaC., F. Celeita D., G. Ramos y J. Urdaneta A., «Optimal coordination ofdirectional earth fault overcurrent relays 67N in interconnected electric powersystems,» Proc. IEEE Ind. Appl. Soc. Annual Meeting (to appear), págs. 1-8,2020.

50

[21] P. M. De Oliveira-De Jesus y A. A. Rojas Quintana, «Short-circuit cu-rrent distribution analysis using a network model based on a 5× 5 primitivematrix,» International Transactions on Electrical Energy Systems, vol. 29,n.o e12058, 2020.

[22] F. A. Gómez-Olaya, «Metodología de evaluación de sensibilidad, selectividady velocidad usando simulación en tiempo real de un caso de estudio de 8nodos,» Proyecto de grado Ingeniería Eléctrica, Universidad de los Andes,págs. 1-41, 2020.

[23] M. Gers J. y J. Holmes E., Protection of Electricity and Distribution Net-works, ép. 47, second edition. IET y Power energy, 2004.

[24] «IEEE Standard for Inverse-Time Characteristics Equations for OvercurrentRelays,» IEEE Std C37.112-2018 (Revision of IEEE Std C37.112-1996),págs. 1-25, 2019. doi: 10.1109/IEEESTD.2019.8635630.

[25] A. S. Braga y J. Tome Saraiva, «Coordination of overcurrent directionalrelays in meshed networks using the Simplex method,» vol. 3, 1535-1538vol.3, 1996. doi: 10.1109/MELCON.1996.551243.

[26] V. Rajput y K. Pandya, «On 8-bus test system for solving challenges in relaycoordination,» 2016 IEEE 6th International Conference on Power Systems(ICPS), págs. 1-5, 2016. doi: http://dx.doi.org/10.1109/icpes.2016.7584009.

[27] M. Ezzedine, R. Kaczmarek y M. Iftikhar, «Coordination of directional over-current relays using a novel method to select their settings,» IET Genera-tion, Transmission and Distribution, vol. 5, n.o 7, pág. 743, 2011. doi: http://dx.doi.org/10.1049/iet-gtd.2010.0603.

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Anexo: Instructivo para implementación desistema de 8 barras con relés de sobrecorriente

direccional en Typhoon HIL

Autor: Felipe Antonio Gómez Olaya

Asesor: Paulo Manuel De Oliveira de Jesús

Co-Asesor: David Felipe Celeita Rodríguez

Universidad de los Andes, Colombia

2020

Abstract

En este documento se presentará el instructivo para implementar el sistema de 8barras con relés de sobrecorriente direccional usado en [1] y [2], para verificación deselectividad, sensibilidad y velocidad asociados a las respuestas de las proteccionesdados los ajustes obtenidos con anterioridad en la literatura [3]-[11]. El sistemaeléctrico se desarrolla usando la herramienta de simulación en tiempo real Typhoon[12].

i

ÍndiceAbstract i

Lista de Figuras iv

Implementación 1

1. Configuración inicial de la herramienta 1

2. Elementos del caso de estudio 42.1. Inicialización de variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Fuente de voltaje trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3. Transformador trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4. Línea de Transmisión Modelo PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5. Barras del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.6. Creación de una línea del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7. Bloque de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.8. Interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3. Creación Modelo de Relé 133.1. Máscara del relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2. Interior del subsistema de un relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.1. Cambio de paso de tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.2. Salida del relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2.3. Bloque Función 67 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2.4. Basic Measurments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2.5. Phase Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2.6. Bloqueo de direccionalidad Y medida RMS . . . . . . . . . . 243.2.7. Entradas del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.8. Función en C de direccionalidad . . . . . . . . . . . . . . . . 263.2.9. Función en C de sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4. Sistema Medición-Relé-Interruptor 37

5. Implementación del sistema total 38

6. Acoples de simulación 39

7. Compilación del sistema 42

8. HIL SCADA 48

ii

Referencias 62

iii

Lista de Figuras1. Typhoon HIL control center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Creación de nuevo modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23. Creación de nuevo modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24. Creación de nuevo modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. Model initialization script . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. Fuente de voltaje trifásico, parámetros de entrada . . . . . . . . . . 67. Configuración transformador, parámetros de entrada . . . . . . . . 78. Configuración transformador, tipo de conexión y acople . . . . . . . 79. Configuración línea de transimisión, parámetros de entrada . . . . . 810. Configuración de un puerto eléctrico para creación de una barra del

sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911. Unión de varios puertos eléctricos para creación de fases del sistema 912. Vista exterior del subsistema llamado Bus 1, con los puertos eléc-

tricos internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013. Creación falla trifásica franca a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014. Línea de transmisión con tres zonas de falla . . . . . . . . . . . . . 1115. Bloque de medición de voltajes y corrientes . . . . . . . . . . . . . . 1116. Interior del bloque de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1217. Modelo del interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1218. Visualización subsistema llamado Relay . . . . . . . . . . . . . . . . 1319. Apertura ventana Mask Editor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1320. Parámetros de la máscara del editor Mask Editor . . . . . . . . . . 1421. Apariencia del subsistema de relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1722. Ubicación imagen del relé en carpeta base de Typhoon . . . . . . . 1823. Máscara del relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1824. Interior del subsistema de un relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925. Tasa de transición de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1926. Transformación de la salida del bloque del relé . . . . . . . . . . . . 2027. Interior Bloque función 67 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2128. Entrada de medidas básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2229. Medida de ángulos de corrientes y voltajes . . . . . . . . . . . . . . 2330. Configuración onda sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2331. Configuración bloque de diferencia de ángulos . . . . . . . . . . . . 2432. Configuración bloque de diferencia de ángulos . . . . . . . . . . . . 2433. Bloque de entradas del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2534. Configuración de una entrada del SCADA . . . . . . . . . . . . . . 2635. Función de direccionalidad desarrollada en C . . . . . . . . . . . . . 2636. Entradas función de direccionalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737. Salida función de direccionalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

iv

38. Variables función de direccionalidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2939. Función de sobrecorriente desarrollada en C . . . . . . . . . . . . . 3140. Entradas función de sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3141. Salida función de sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3242. Variables función de sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3343. Sistema Medición-Relé-Interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3744. Caso de estudio de 8 barras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3845. Acople de simulación de 4 fases. (a) Bloque exterior; (b) Bloque

Interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3946. Acople de simulación de 3 fases. (a) Bloque exterior; (b) Bloque

Interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4047. División del sistema debido al uso de núcleos de procesamiento . . . 4048. Uso apropiado de puestas a tierra entre núcleos. (a) Núcleo 1, con

puesta a tierra Ground de la librería de Typhoon; (b) Unión de tierraentre núcleo 1 y 2 con el uso de un nuevo Electric Tag y acople desimulación de cuatro fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

49. Compilación del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4250. Subir modelo al sistema virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4751. Nuevo panel en el HIL SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4852. Acá se selecciona el relé a observar en el sistema, se deciden sus

parámetros y la zona de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4853. Configuración de selección de relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4954. Configuración de inicialización de relés del sistema . . . . . . . . . . 5055. Configuración de selección de zona de falla . . . . . . . . . . . . . . 5156. Configuración de Text Box para ajuste TMS . . . . . . . . . . . . . 5257. Configuración de Text Box para ajuste Pick-Up . . . . . . . . . . . 5358. Configuración de Phasor Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5459. Configuración de Digital Display para apreciación de ángulo de co-

rriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5560. Configuración de Digital Display para apreciación de ángulo de voltaje 5661. Configuración de Digital Display para apreciación de valor de radio

M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5762. Configuración de Digital Display para apreciación de corrientes ins-

tantánea pico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5863. Configuración de Trace Graph Widget, para apreciar direccionalidad 5964. Configuración de Trace Graph Widget, para apreciar sobrecorriente 6065. Topología final del HIL SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

v

Implementación

1. Configuración inicial de la herramienta

Seleccionar → Schematic Editor

Figura 1: Typhoon HIL control center

1

Seleccionar → File → New → New Model

Figura 2: Creación de nuevo modelo

Se abrirá una ventana como la vista en la Figura siguiente, en la cual se debeningresar los mismos parámetros seleccionados allí. Una vez replicado, seleccionar→ Next → Finish

Figura 3: Creación de nuevo modelo

2

Se abrirá en Schematic Editor, en el cual se creará el sistema

Figura 4: Creación de nuevo modelo

3

2. Elementos del caso de estudio

2.1. Inicialización de variables

Como primera instancia se definirán las diferentes variables de inicialización delsistema, tales como valores de distancias, resistencias, capacitancias e inductanciasde secuencia de las líneas de transmisión y los tiempos de paso de simulación delsistema total y de los relés de sobrecorriente direccional.

Figura 5: Model initialization script

Seleccionar → Model initialization script → ingresar el siguiente código:

1 # Numpy module is imported as ’np’2 # Scipy module is imported as ’sp’3 # The Schematic API is imported as ’mdl’4 # To get the model file path , use ’mdl.get_model_file_path ()’5 # To print information to the console , use info()6

7 Ts=1e-4; #Time Step simulation8 Ts_new =5e-4; #Time Step Relay9 # RT is used to ratio TML/Embendded if it is enabled

10 #RT = 1e-3

4

11 # C All TML Couplings have two set of capacitances , one per side12 # Please ,no change this value for this system13 C = 2e-614

15

16 # D values (Distance)17 D1 = 718 D2 = 819 D3 = 1020 D4 = 1121 D5 = 922 D6 = 1023 D7 = 1024

25 # R values26 R1 = 0.05727 R1_seq = [[R1*3, 0, 0],[0, R1 , 0], [0, 0, R1]]28 R2 = 0.0529 R2_seq = [[R2*3, 0, 0],[0, R2 , 0], [0, 0, R2]]30 R3 = 0.0531 R3_seq = [[R3*3, 0, 0],[0, R3 , 0], [0, 0, R3]]32 R4 = 0.04533 R4_seq = [[R4*3, 0, 0],[0, R4 , 0], [0, 0, R4]]34 R5 = 0.04435 R5_seq = [[R5*3, 0, 0],[0, R5 , 0], [0, 0, R5]]36 R6 = 0.0437 R6_seq = [[R6*3, 0, 0],[0, R6 , 0], [0, 0, R6]]38 R7 = 0.0539 R7_seq = [[R7*3, 0, 0],[0, R7 , 0], [0, 0, R7]]40

41 # L values42

43 L1 = 0.714/37744 L1_seq = [[L1*3, 0, 0],[0, L1 , 0], [0, 0, L1]]45 L2 = 0.563/37746 L2_seq = [[L2*3, 0, 0],[0, L2 , 0], [0, 0, L2]]47 L3 = 0.45/37748 L3_seq = [[L3*3, 0, 0],[0, L3 , 0], [0, 0, L3]]49 L4 = 0.409/37750 L4_seq = [[L4*3, 0, 0],[0, L4 , 0], [0, 0, L4]]51 L5 = 0.5/37752 L5_seq = [[L5*3, 0, 0],[0, L5 , 0], [0, 0, L5]]53 L6 = 0.5/37754 L6_seq = [[L6*3, 0, 0],[0, L6 , 0], [0, 0, L6]]55 L7 = 0.5/37756 L7_seq = [[L7*3, 0, 0],[0, L7 , 0], [0, 0, L7]]57

58

59 C_seq = [[C/100, 0, 0],[0,C/100, 0], [0, 0, C/100]]

5

2.2. Fuente de voltaje trifásico

En Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemático)→ ThreePhase Voltage Source → colocar los parámetros de a continuación:

Nota: Voltaje debe ser Línea-Neutro RMS, Para 10 [kV] Línea-Línea se debeningresar 10[kV ]√

6

Figura 6: Fuente de voltaje trifásico, parámetros de entrada

2.3. Transformador trifásico

En Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemático)→ ThreePhase Two Winding Transformer → colocar los parámetros de a continuación:

Nota: Voltaje debe ser Línea-Neutro RMS, Para 10 [kV] Línea-Línea se debeningresar 10[kV ]√

6

6

Figura 7: Configuración transformador, parámetros de entrada

Figura 8: Configuración transformador, tipo de conexión y acople

7

2.4. Línea de Transmisión Modelo PI

En Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemático)→ Trans-mission Line → colocar los parámetros de a continuación:

Figura 9: Configuración línea de transimisión, parámetros de entrada

2.5. Barras del sistema

Para crear una barra en el sistema se selecciona en Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemático) → Electric Port

8

Figura 10: Configuración de un puerto eléctrico para creación de una barra delsistema

La unión de dos Electric Ports hace referencia a una fase del sistema. La opciónside, permite ubicar el puerto en el subsistema e index es la nomenclatura delpuerto y lo declara como único en el subsistema.

Nota: Para la creación de un subsistema se seleccionan los elementos a colocaren su interior → presionar botón derecho del ratón → Create subsystem fromselection.

Figura 11: Unión de varios puertos eléctricos para creación de fases del sistema

9

Figura 12: Vista exterior del subsistema llamado Bus 1, con los puertos eléctricosinternos

2.6. Creación de una línea del sistema

Selecciona en Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemático)→ Grid Fault → seleccionar los parámetros de la siguiente imagen.

Figura 13: Creación falla trifásica franca a tierra

Para crear una línea con tres diferentes fallas se debe realizar la configuración dela Figura siguiente:

10

Nota: Para cambiar la distancia a la que se colocan las fallas, se debe colocarel porcentaje de la distancia total en la opción Transmission Line → Length.Recordar que la suma de porcentajes de todos los tramos de línea deben sumar100%, si se quiere la falla al 20% de la línea debe colocarse D ∗ 0,2.

Figura 14: Línea de transmisión con tres zonas de falla

2.7. Bloque de medición

Figura 15: Bloque de medición de voltajes y corrientes

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemá-tico) → Current Measurement → colocar en fase deseada a medir corrienteinstantánea

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → RMS Current Measurement → colocar en fase deseada a medirvalor RMS

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Voltage Measurement → colocar en fase deseada a medir voltajeinstantáneo

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Bus Join → colocar 9 entradas

11

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Signal GoTo y From → colocar en los lugares y con nombresmostrados en la siguiente Figura

Figura 16: Interior del bloque de medición

2.8. Interruptor

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemático)→ Three Pole Single Throw Contactor

Figura 17: Modelo del interruptor

12

3. Creación Modelo de Relé

3.1. Máscara del relé

La máscara del relés es la creación de la interfaz gráfica de este mismo y es el lugardonde se ingresarán los parámetros de entrada de este. Para su creación debemoscrear un subsistema al cual llamaremos Relay.

Figura 18: Visualización subsistema llamado Relay

Seleccionar→ Subsistema relé→ presionar botón derecho ratón→ Mask → MaskEditor

Figura 19: Apertura ventana Mask Editor

13

Se abrirá la pestaña Properties vista en la siguiente Figura, donde seleccionare-mos → “ + ” (Situada en la esquina superior izquierda) → Colocar los siguientesparámetros:

Figura 20: Parámetros de la máscara del editor Mask Editor

En la pestaña Initialization colocar el siguiente código, con el cual se hará amigablela máscara del relé para el usuario.

1 from handlers.look_up_table import preview_lut2 import matplotlib.pyplot as plt3

4 def dinamic(item_handle ,prop ,new_value):5 if prop == "Dinamic":6 I_Pick_Up = mdl.prop(item_handle , "I_Pick_Up")7 TMS = mdl.prop(item_handle , "TMS")8 DT = mdl.prop(item_handle , "DT")9 Ts_relay = mdl.prop(item_handle , "Ts_relay")

10 fun_selected = mdl.prop(item_handle , "fun_selected")11

12 if new_value == "IEC Standard Inverse":13 mdl.enable_property(TMS)14 mdl.show_property(TMS)15 mdl.hide_property(DT)16 mdl.disable_property(DT)17 mdl.set_property_value(fun_selected ,0)18

19 elif new_value == "IEC Very Inverse":

14

20 mdl.enable_property(TMS)21 mdl.show_property(TMS)22 mdl.hide_property(DT)23 mdl.disable_property(DT)24 mdl.set_property_value(fun_selected ,1)25

26 elif new_value == "IEC Extremely Inverse":27 mdl.enable_property(TMS)28 mdl.show_property(TMS)29 mdl.hide_property(DT)30 mdl.disable_property(DT)31 mdl.set_property_value(fun_selected ,2)32

33 elif new_value == "UK Long Time Inverse":34 mdl.enable_property(TMS)35 mdl.show_property(TMS)36 mdl.hide_property(DT)37 mdl.disable_property(DT)38 mdl.set_property_value(fun_selected ,3)39

40 elif new_value == "UK Rectifier":41 mdl.enable_property(TMS)42 mdl.show_property(TMS)43 mdl.hide_property(DT)44 mdl.disable_property(DT)45 mdl.set_property_value(fun_selected ,4)46

47 elif new_value == "IEEE Moderately Inverse":48 mdl.enable_property(DT)49 mdl.show_property(DT)50 mdl.hide_property(TMS)51 mdl.disable_property(TMS)52 mdl.set_property_value(fun_selected ,5)53

54 elif new_value == "IEEE Very Inverse":55 mdl.enable_property(DT)56 mdl.show_property(DT)57 mdl.hide_property(TMS)58 mdl.disable_property(TMS)59 mdl.set_property_value(fun_selected ,6)60

61 elif new_value == "IEEE Extremely Inverse":62 mdl.enable_property(DT)63 mdl.show_property(DT)64 mdl.hide_property(TMS)65 mdl.disable_property(TMS)66 mdl.set_property_value(fun_selected ,7)67

68 elif new_value == "US Inverse":

15

69 mdl.enable_property(DT)70 mdl.show_property(DT)71 mdl.hide_property(TMS)72 mdl.disable_property(TMS)73 mdl.set_property_value(fun_selected ,8)74

75 elif new_value == "US Short Time Inverse":76 mdl.enable_property(DT)77 mdl.show_property(DT)78 mdl.hide_property(TMS)79 mdl.disable_property(TMS)80 mdl.set_property_value(fun_selected ,9)81

82

83

84

85 def values(fun_selected):86 if fun_selected == 0:87 B = 0.14; A = 0.02; L = 088 elif fun_selected == 1:89 B = 13.5; A = 1; L = 090 elif fun_selected == 2:91 B = 80; A = 2; L = 092 elif fun_selected == 3:93 B = 120; A = 1; L = 094 elif fun_selected == 4:95 B = 45900; A = 5.6; L = 096 elif fun_selected == 5:97 B = 0.0515; A = 0.02; L = 0.11498 elif fun_selected == 6:99 B = 19.61; A = 2; L = 0.491

100 elif fun_selected == 7:101 B = 28.2; A = 2; L = 0.1217102 elif fun_selected == 8:103 B = 5.95; A = 2; L = 0.18104 elif fun_selected == 9:105 B = 0.16758; A = 0.02; L = 0.11858106 return A,B,L;107

108 def graphic(item_handle ,prop):109 fun_selected = mdl.get_property_value(mdl.prop(item_handle

, "fun_selected"))110 TMS = float(mdl.get_property_disp_value(mdl.prop(

item_handle , "TMS")))111 DT = float(mdl.get_property_disp_value(mdl.prop(

item_handle , "DT")))112 A,B,L = values(fun_selected)113

114 multiplier =1

16

115 if ( mdl.is_property_enabled(mdl.prop(item_handle , "TMS"))== True):

116 if TMS > 0:117 multiplier = TMS118 elif (mdl.is_property_enabled(mdl.prop(item_handle , "DT"))

== True):119 if DT > 0:120 multiplier = DT121

122 x = [];y = []123 y = np.linspace (1,3,num =1000)124 for M in y:125 fun = multiplier *((B/((M**A) -1))+L)126 x.append(fun)127

128 plt.plot(x,y)129 plt.title(’Characteristic Inverse Function ’)130 plt.xlabel(’Time [s]’)131 plt.ylabel(’Current I(RMS)/I(Pick -UP)’)132 plt.xlim(0, 500)133 plt.ylim(1, 3)134 plt.grid(color=’k’, linestyle=’-’, linewidth =0.5)135 plt.show()

Las pestañas Compilation y Post-Resolve no se usan en este modelo. En Appea-rance, se debe colocar lo siguiente:

Figura 21: Apariencia del subsistema de relé

17

Como se observa en la zona llamada Icon drawing commands, se especifica elarchivo de imagen que va a tener el bloque. Esta imagen debe ser cargada conanterioridad en la carpeta donde se encuentra el archivo de Typhoon, como seobserva a continuación:

En el explorador de Windows colocar la siguiente dirección: C → Program Files→ Typhoon HIL Control Center 2020,2 → typhoon → lib-parts → components→ component-images

Figura 22: Ubicación imagen del relé en carpeta base de Typhoon

La máscara final del relé con los parámetros de entrada queda:

Figura 23: Máscara del relé

18

3.2. Interior del subsistema de un relé

En esta zona se creará y programará el relé, para determinación de sobrecorrientey direccionalidad. La vista de bloques interiores del relé es:

Figura 24: Interior del subsistema de un relé

3.2.1. Cambio de paso de tiempo

Debido a que el relé debe simular el muestreo de datos que un dispositivo realrealiza, se hace uso de Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de es-quemático)→ Rate transition → colocar los parámetros que se ven a continuación:

Figura 25: Tasa de transición de simulación

19

3.2.2. Salida del relé

En esta zona se niega la salida del bloque llamado Función 67, debido a que losinterruptores realizan la apertura si el valor digital de entrada a estos tiene unnivel lógico bajo, de lo contrario no opera. El comparador ofrece una salida connivel lógico bajo si el valor de entrada es menor a 0.5 y alto si sucede lo contrario.

Figura 26: Transformación de la salida del bloque del relé

20

3.2.3. Bloque Función 67

En su interior se encuentra la lógica del relé de sobrecorriente direccional, así comola transformación y medición de datos de entrada.

Figura 27: Interior Bloque función 67

3.2.4. Basic Measurments

Para su creación realizar:

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Electric Tag → Llamarlo BM

21

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Bus Split → Configurarlo con 9 salidas

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Signal GoTo → crear 9 de estos elementos y llamarlos como semuestra a continuación:

Figura 28: Entrada de medidas básicas

3.2.5. Phase Measurements

En esta zona se realiza la medición de ángulos de corriente y voltaje, para sucreación realizar:

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Signal From → crear 9 de estos elementos y llamarlos como semuestra en la Figura.

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Sinusoidal Source.

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Phase Difference.

22

Figura 29: Medida de ángulos de corrientes y voltajes

Figura 30: Configuración onda sinusoidal

23

Figura 31: Configuración bloque de diferencia de ángulos

3.2.6. Bloqueo de direccionalidad Y medida RMS

En esta zona, se realizan las mediciones RMS de las corrientes y se transforman losdatos de entrada a la función de direccionalidad que permitirá tener la propiedad derelés de sobrecorriente direccional de bloqueo. Lo último, se realiza seleccionandoFind Component (Lado izquierdo-superior del editor de esquemático) → Product.

Figura 32: Configuración bloque de diferencia de ángulos

24

3.2.7. Entradas del sistema

Como se vio anteriormente, es posible ingresar los parámetros de entrada desde lamáscara del relé pero también se puede realizar esto desde el SCADA del sistema yde esta manera no tener que compilar el sistema cada vez que se requieran ingresarnuevos ajustes.

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → SCADA Input

Seleccionar Find Component (Lado izquierdo-superior del editor de esque-mático) → Constant

Nota: Los recuadros con letras SC en azul, son las entradas provenientes delSCADA. Los recuadros restantes son constantes declaradas en la máscara del relé.

Figura 33: Bloque de entradas del sistema

25

Figura 34: Configuración de una entrada del SCADA

Nota: En este caso se configura la corriente Pick-UP, se coloca como valor defaultla variable asociada a este valor proveniente de la máscara.

3.2.8. Función en C de direccionalidad

Figura 35: Función de direccionalidad desarrollada en C

26

En la pestaña General seleccionar la sub-pestaña→ Inputs → añadir las siguientesentradas:

Figura 36: Entradas función de direccionalidad

27

En la pestaña General seleccionar la sub-pestaña→ Outputs → añadir las siguien-tes salidas:

Figura 37: Salida función de direccionalidad

28

En la pestaña General seleccionar la sub-pestaña → Variables → añadir las si-guientes variables:

Figura 38: Variables función de direccionalidad

29

En la pestaña Functions seleccionar la sub-pestaña → Output-fnc → ingresar elsiguiente código:

1 // Voltage and Current vector2 vec [0] = V_bc; vec [1] = V_ca; vec [2] = V_ab;3 vec [3] = I_a; vec [4] = I_b;vec[5] = I_c;4

5 if ((int)Reset == 1 ) // Reset Statement6 7 Flag = 0; // Trip not allowed8

9 10 else // All angles are placed from 1st to 4th quadrant11 12 for (i=0;i<3;i++)13 14 if(vec[i] < 0)vec[i]+=360;15 if(vec[i+3] < 0)vec[i+3]+=360;16 val[i] = vec[i]-vec[i+3]+ RCA;17 if (val[i] > 360)val[i] -= 360;18 if (val[i] < 0)val[i] += 360;19 if ((val[i] >=270 && val[i] < 360) || (val[i] >=0 && val[i

] <=90))Flag = 1; break;20 else Flag = 0;21 22

23 24

25 // OUTPUT26 Directional_Trip = Flag;

En la pestaña Functions seleccionar la sub-pestaña → Init-fnc → ingresar el si-guiente código:

1 // Input2

3 // Output4 Directional_Trip = 0;5 // Transition variables inicialization6 Flag = 0;

30

3.2.9. Función en C de sobrecorriente

Figura 39: Función de sobrecorriente desarrollada en C

En la pestaña General seleccionar la sub-pestaña→ Inputs → añadir las siguientesentradas:

Figura 40: Entradas función de sobrecorriente

31

En la pestaña General seleccionar la sub-pestaña→ Outputs → añadir las siguien-tes salidas:

Figura 41: Salida función de sobrecorriente

32

En la pestaña General seleccionar la sub-pestaña → Variables → añadir las si-guientes variables:

Figura 42: Variables función de sobrecorriente

33

En la pestaña Functions seleccionar la sub-pestaña → Output-fnc → ingresar elsiguiente código:

1 Irms [0] = I_Arms;Irms [1] = I_Brms;Irms [2] = I_Crms;2

3 switch ( (int)Inverse_Function) // Switch Inverse functionselected by user

4 5 case 0: // Standard Inverse IEC6 7 B = 0.14; A = 0.02; L = 0; multiplier = TMS;8 break;9

10 case 1: // Very Inverse IEC11 12 B = 13.5; A = 1; L = 0; multiplier = TMS;13 break;14 15 case 2: // Extremely Inverse IEC16 17 B = 80; A = 2; L = 0; multiplier = TMS;18 break;19 20 case 3: // Long Time Inverse UK21 22 B = 120; A = 1; L = 0; multiplier = TMS;23 break;24 25

26 case 4: // Rectifier UK27 28 B = 45900; A = 5.6; L = 0; multiplier = TMS;29 break;30 31 case 5: // Moderately Invese IEEE32 33 B = 0.0515; A = 0.02; L = 0.114; multiplier = DT;34 break;35 36 case 6: // Very Inverse IEEE37 38 B = 19.61; A = 2; L = 0.491; multiplier = DT;39 break;40 41 case 7: // Extremely Inverse IEEE42 43 B = 28.2; A = 2; L = 0.1217; multiplier = DT;44 break;45

34

46 case 8: // Inverse US47 48 B = 5.95; A = 2; L = 0.18; multiplier = DT;49 break;50 51 case 9: // Inverse US52 53 B = 0.16758; A = 0.02; L = 0.11858; multiplier = DT;54 break;55 56 default: // Inverse US57 58 B = 0.14; A = 0.02; L = 0; multiplier = TMS;59 break;60 61

62 63

64

65

66 if ((int)Reset == 1 ) // Reset statement67 68 trans = 0;69 counter = 0;70 Flag = 0;71 72 else if (trans == 0 )73 74 Ipk_2 = I_Pick_Up*CTp /5.0; // Pick -Up current in the primary

side75

76 for(i=0; i<3; i++)77 M[i] = Irms[i]/Ipk_2; // Normalize RMS current based on

the pickup.78 if(M[i] <=1.0)79 t[i] = 1e6;80 81 else82 t[i] = multiplier *((B/(pow(M[i],A) -1))+L); // Time

folows IEC function83 84 85

86 if((t[0]<=t[1]) &&(t[0]<=t[2]))87 time = t[0];88 89 else if(t[1]<=t[2])90 time = t[1];91

35

92 else93 time = t[2];94 95 for(i=0; i<3; i++)96 if(Irms[i]>Ipk_2)97 Flag = 1;98 break;99

100 else101 Flag = 0;102 103 104 105 if(counter > time)106 out = 1;107 trans = 1;108 109 else110 out = 0;111 trans = 0;112 113

114 counter *= Flag;115

116 counter += Flag * Ts;117 // OUTPUT118 OUT = out;119 time_out = time;

En la pestaña Functions seleccionar la sub-pestaña → Init-fnc → ingresar el si-guiente código:

1 B = 0.14; A = 0.02; L = 0; // Time Inverse Function parametersinicialization

2 Flag = 0;3 TMS = 1;4 CTp = 1;5 Ipk_2= 1;6 multiplier = 1;7 out =0;8 counter= 0; // 1/60 -> 1 cycle9 time = 1e9;

10 trans = 0;

36

4. Sistema Medición-Relé-InterruptorEn esta sección se presenta como debe quedar la topología del sistema de medición,interruptor y relé para ser usados en el sistema de estudio. Es importante aclararque las fases indexadas con el símbolo “−” del bloque de medición, siempre debenquedar mirando al interruptor, de esta manera se podrá medir direccionalidadcorrectamente.

Figura 43: Sistema Medición-Relé-Interruptor

37

5. Implementación del sistema totalEn esta sección se presenta el sistema de caso de estudio desarrollado en la plata-forma. Se invita al lector a realizar la unión de las partes del sistema nombradasen las anteriores secciones de la siguiente manera:

Figura 44: Caso de estudio de 8 barras

38

6. Acoples de simulaciónDebido a que los elementos modelados se compilan dentro de una tarjeta FPGA yesta tiene un límite de procesamiento, es necesario usar unos acoples de simulaciónque provee Typhoon para dividir sistemas grandes, como el que hemos creado, ennúcleos de procesamiento y no desbordar la memoria de la tarjeta. Se creó unbloque que contiene capacitancias en paralelo a cada fase del sistema y los acoplescon su respectiva inductancia.

(a)

(b)

Figura 45: Acople de simulación de 4 fases. (a) Bloque exterior; (b) Bloque Interior

39

(a)

(b)

Figura 46: Acople de simulación de 3 fases. (a) Bloque exterior; (b) Bloque Interior

Figura 47: División del sistema debido al uso de núcleos de procesamiento

40

En la anterior Figura se presenta la división del sistema debido al uso de acoplesde simulación. Como se observa son cuatro zonas, que es el máximo número denúcleos permitidos por el dispositivo seleccionado en la sección 1 (HIL 402).

Es importante aclarar que solo una de las cuatro divisiones debe tener la fuenteGround, las otras se conectarán a esta mediante los acoples de cuatro fases yElectric Tags como se muestra a continuación:

Nota: La puesta a tierra de una subdivisión del sistema debe ser la misma, estoquiere decir que todos los elementos dentro de esta subdivisión deben tener elmismo Electric Tag.

(a)

(b)

Figura 48: Uso apropiado de puestas a tierra entre núcleos. (a) Núcleo 1, con puestaa tierra Ground de la librería de Typhoon; (b) Unión de tierra entre núcleo 1 y 2con el uso de un nuevo Electric Tag y acople de simulación de cuatro fases

41

7. Compilación del sistemaPara realizar la compilación del sistema, se debe seleccionar→ Compile and Open(reload) model in HIL SCADA, como se señala en la siguiente Figura:

Figura 49: Compilación del sistema

Durante la compilación se podrá observar el proceso en el Messages console. Encaso de que surja un error, este será el lugar donde podremos detectar la falla yemprender su solución.

1 Your schematic model is being prepared for the compilation ...2 This may take some time depending on the size of the schematic ,

please wait ...3 Checking component connections ...4 Resolving the schematic model ...5 Evaluating the properties of the components ...6 Checking component types ...7 Validation passed!8 Rm resistor’s calculated value is higher than 1e6 ohms. Rm

resistor ’s value will be set to inf.9 Rm resistor’s calculated value is higher than 1e6 ohms. Rm

resistor ’s value will be set to inf.10 Rm resistor’s calculated value is higher than 1e6 ohms. Rm

resistor ’s value will be set to inf.11 Rm resistor’s calculated value is higher than 1e6 ohms. Rm

resistor ’s value will be set to inf.12 Rm resistor’s calculated value is higher than 1e6 ohms. Rm

resistor ’s value will be set to inf.

42

13 Rm resistor’s calculated value is higher than 1e6 ohms. Rmresistor ’s value will be set to inf.

14

15 ------------------------------------------------hil0------------------------------------------------

16 Compiling model for device with id 017

18 PWM Modulators scheduling completed.19

20 Circuit is divided into 4 subcircuits.21

22 Partial list of components in subcircuit (SPC) 0:23 Line -624 Line -525 Measurements Block - 10. V_BC26

27 Partial list of components in subcircuit (SPC) 1:28 Measurements Block - 8.V_CA29 Line -4 _section_430 Line -4 _section_331

32 Partial list of components in subcircuit (SPC) 2:33 Couplin (3ph) -2.C634 Line -335 Load336

37 Partial list of components in subcircuit (SPC) 3:38 Tr139 Gen - 140 Line -741

42 Communication lines scheduling completed.43

44 Running Device specific hw utilization analysis:45 Standard processing core utilization: 4 out of 4

100.0 %46 Signal generator utilization: 6 out of 12

50.0 %47 Look up tables utilization: 0 out of 8

0.0 %48 Machine solver utilization: 0 out of 0

0.0 %49 Parallel DTV Conv. Detectors utilization: 0 out of 0

0.0 %50 PWM channels utilization: 0 out of 12

0.0 %51

52 Running core0 specific hardware utilization analysis:53 Power Electronics Converters utilization: 0 out of 3

43

0.0 %54 Contactor utilization: 1 out of 6

16.67 %55 TVE solvers utilization: 0 out of 0

0.0 %56 SP sources utilization: 0 out of 16

0.0 %57 Delayed controlled sources utilization: 0 out of 12

0.0 %58 Non -ideal switches utilization: 0 out of 0

0.0 %59

60 Running core1 specific hardware utilization analysis:61 Power Electronics Converters utilization: 0 out of 3

0.0 %62 Contactor utilization: 3 out of 6

50.0 %63 TVE solvers utilization: 0 out of 0

0.0 %64 SP sources utilization: 0 out of 16

0.0 %65 Delayed controlled sources utilization: 0 out of 12

0.0 %66 Non -ideal switches utilization: 0 out of 0

0.0 %67

68 Running core2 specific hardware utilization analysis:69 Power Electronics Converters utilization: 0 out of 3

0.0 %70 Contactor utilization: 3 out of 6

50.0 %71 TVE solvers utilization: 0 out of 0

0.0 %72 SP sources utilization: 0 out of 16

0.0 %73 Delayed controlled sources utilization: 0 out of 12

0.0 %74 Non -ideal switches utilization: 0 out of 0

0.0 %75

76 Running core3 specific hardware utilization analysis:77 Power Electronics Converters utilization: 0 out of 3

0.0 %78 Contactor utilization: 1 out of 6

16.67 %79 TVE solvers utilization: 0 out of 0

0.0 %80 SP sources utilization: 0 out of 16

0.0 %

44

81 Delayed controlled sources utilization: 0 out of 120.0 %

82 Non -ideal switches utilization: 0 out of 00.0 %

83

84 Forward voltage drop unit scheduling completed.85

86 Forward voltage drop unit scheduling completed.87

88 Forward voltage drop unit scheduling completed.89

90 Forward voltage drop unit scheduling completed.91

92 Calculating continuous state space matrices for core0 ...93

94 Calculating continuous state space matrices for core1 ...95

96 Calculating continuous state space matrices for core2 ...97

98 Calculating continuous state space matrices for core3 ...99

100 Discretization of state space matrices ...101 Simulation step set to 1e-05 s102 Scaled discretization step set to 1e-05 s103 Simulation step set to 1e-05 s104 Scaled discretization step set to 1e-05 s105 Simulation step set to 1e-05 s106 Scaled discretization step set to 1e-05 s107 Simulation step set to 1e-05 s108 Scaled discretization step set to 1e-05 s109

110 Memory utilization analysis ...111 Matrix memory utilization of core0 is 9.86 %112 Matrix memory utilization of core1 is 79.81 %113 Matrix memory utilization of core2 is 90.48 %114 Matrix memory utilization of core3 is 17.7 %115

116 Timing constraint analysis ...117 Time slot utilization of core0 is 18.94 %118 Time slot utilization of core1 is 41.44 %119 Time slot utilization of core2 is 53.81 %120 Time slot utilization of core3 is 31.37 %121 Time slot utilization of other functional units is 4.25 %122 Timing constraints met!123

124 Losses calculation scheduling completed.125

126 Machine fault model builder scheduling completed.127

45

128 Writing device configuration files ...129

130 Electrical part of compiler successfully finished.131

132

133 Starting code generation for system 0 CPU134 Signal processing IO variables utilization: 0 out of 4032135 Signal processing Probes utilization: 15 out of 512136 Signal processing Digital Probes utilization: 0 out of 128137 C code generated successfully!138 Starting compilation of generated C code ...139 Total utilization of the internal memory: 40 out of 128 kB

(31.26 %).140 Code segment size: 30 out of 128 kB

(23.90 %)141 Data segment size: 9 out of 128 kB

(7.37 %)142 C code compilation was successful!143

144

145 Starting code generation for user 0 CPU146 Signal processing IO variables utilization: 26 out of 4032147 Signal processing Probes utilization: 92 out of 497148 Signal processing Digital Probes utilization: 0 out of 128149 C code generated successfully!150 Starting compilation of generated C code ...151 Total utilization of the internal memory: 110 out of 255

kB (43.41 %).152 Code segment size: 89 out of 255 kB

(35.16 %)153 Data segment size: 21 out of 255 kB

(8.25 %)154 C code compilation was successful!155

156

157 Compiling model for device with id 0 finished successfully158 ----------------------------------------------------------------------------------------------------

159

160 Compilation finished successfully.

Al finalizar la compilación se abrirá una ventana como la siguiente, en la cualdebemos seleccionar la primera casilla llamada Load Model to the Virtual Device

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Figura 50: Subir modelo al sistema virtual

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8. HIL SCADACrear un nuevo modelo → Panel → New Panel

Figura 51: Nuevo panel en el HIL SCADA

Se deben crear los siguientes elementos:

Figura 52: Acá se selecciona el relé a observar en el sistema, se deciden sus pará-metros y la zona de falla

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Configuración de Combo Box de select relay :

Figura 53: Configuración de selección de relé

49

Configuración de Button de reset relays :

Figura 54: Configuración de inicialización de relés del sistema

50

Configuración de Combo Box de Make a Three fault A-B-C-G :

Figura 55: Configuración de selección de zona de falla

51

Configuración de Text Box para ingresar valores de TMS :

Figura 56: Configuración de Text Box para ajuste TMS

52

Configuración de Text Box para ingresar valores de I> Pick-Up:

Figura 57: Configuración de Text Box para ajuste Pick-Up

53

Configuración de Phasor Graph para apreciar valores de ángulos de corrientes yvoltajes. Se debe hacer esto para las tres distintas fases.

Figura 58: Configuración de Phasor Graph

54

Configuración de Digital Display para apreciar valores de ángulo de corriente. Sedebe hacer esto para las tres distintas fases.

Figura 59: Configuración de Digital Display para apreciación de ángulo de corriente

55

Configuración de Digital Display para apreciar valores de ángulo de voltaje. Sedebe hacer esto para las tres distintas fases.

Figura 60: Configuración de Digital Display para apreciación de ángulo de voltaje

56

Configuración de Digital Display para apreciar valores del radio M = Irms

Ipick−up. Se

debe hacer esto para las tres distintas fases.

Figura 61: Configuración de Digital Display para apreciación de valor de radio M

57

Configuración de Digital Display para apreciar valores pico de corriente instantá-nea. Se debe hacer esto para las tres distintas fases.

Figura 62: Configuración de Digital Display para apreciación de corrientes instan-tánea pico

58

Configuración de Trace Graph Widget para apreciar el nivel lógico de salida de lafunción de direccionalidad.

Figura 63: Configuración de Trace Graph Widget, para apreciar direccionalidad

59

Configuración de Trace Graph Widget para apreciar el nivel lógico de salida de lafunción de sobrecorriente.

Figura 64: Configuración de Trace Graph Widget, para apreciar sobrecorriente

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Se invita al lector a realizar el montaje de todas las salidas y entradas del HILSCADA usando los parámetros descritos anteriormente y como se observa a con-tinuación:

Figura 65: Topología final del HIL SCADA

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Referencias[1] F. A. Gómez-Olaya, «Metodología de evaluación de sensibilidad, selectividad

y velocidad usando simulación en tiempo real de un caso de estudio de 8nodos,» Proyecto de grado Ingeniería Eléctrica, Universidad de los Andes,págs. 1-41, 2020.

[2] ——, «Implementación de relés de sobrecorriente direccional, transformadorde corriente en un sistema de 8-nodos, usando herramienta de simulación entiempo real,» Proyecto de grado Ingeniería Electrónica, Universidad de losAndes, págs. 1-51, 2020.

[3] H. M. Hussain, S. R. A. Rahim y M. I., «Optimal Overcurrent Relay Coordi-nation: A Review,» Procedia Engineering, vol. 53, págs. 332-336, 2013. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2013.02.043.

[4] D. Birla, P. Maheshwari R. y H. O. Gupta, «Time-overcurrent relay coordina-tion: A review,» International Journal of Emerging Electric Power Systems,vol. 2, n.o 2, 2005.

[5] S. Raza, T. Mahmood y S. Bukhari, «Optimum overcurrent relay coordina-tion: A review,» The Nucleus, vol. 51, n.o 1, págs. 37-49, 2014.

[6] M. Singh y B. K. Panigrahi, «Minimization of operating time gap bet-ween primary relays at near and far ends in overcurrent relay coordination,»págs. 1-6, 2014. doi: 10.1109/NAPS.2014.6965354.

[7] A. S. Noghabi, J. Sadeh y H. R. Mashhadi, «Considering Different NetworkTopologies in Optimal Overcurrent Relay Coordination Using a Hybrid GA,»IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, n.o 4, págs. 1857-1863, 2009.doi: 10.1109/TPWRD.2009.2029057.

[8] T. Amraee, «Coordination of Directional Overcurrent Relays Using SeekerAlgorithm,» IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 27, n.o 3, págs. 1415-1422,2012. doi: http://dx.doi.org/10.1109/tpwrd.2012.2190107.

[9] A. Mahari y H. Seyedi, «An analytic approach for optimal coordination ofovercurrent relays,» IET Generation, Transmission Distribution, vol. 7, n.o 7,págs. 674-680, 2013. doi: 10.1049/iet-gtd.2012.0721.

[10] F. A. Albasri, A. R. Alroomi y J. H. Talaq, «Optimal Coordination of Di-rectional Overcurrent Relays Using Biogeography-Based Optimization Algo-rithms,» IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 30, n.o 4, págs. 1810-1820,2015. doi: 10.1109/TPWRD.2015.2406114.

[11] Y. Damchi, M. Dolatabadi, H. R. Mashhadi y J. Sadeh, «MILP approachfor optimal coordination of directional overcurrent relays in interconnectedpower systems,» Electric Power Systems Research, vol. 158, págs. 267-274,2018, issn: 0378-7796. doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2018.01.015. dirección: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378779618300233.

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[12] Typhoon-HIL, «Typhoon Hardware-In-The-Loop testing solutions,» direc-ción: https://www.typhoon-hil.com/, accessed: 2020.

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