Discussion et conclusion du chapitre

Convencionalmente, o diagnóstico do sentido do fluxo de potência é definido pelo ân- gulo formado entre os fasores, estimado pela TDF, das correntes de operação e das tensões de polarização (ZIEGLER, 2011). Na literatura são propostos vários métodos direcionais aplicados em conjunto com outras proteções, a exemplo da proteção de distância e de sobrecorrente para proteger transformadores, barramentos e linhas de transmissão. As novas abordagens tentam sanar as deficiências da direcionalidade tradicional otimizando o diagnóstico das respectivas proteções.

Utilizando a TWD, Chen et al. (2003) propuseram uma nova proteção direcional ul- tra rápida para linhas de transmissão com base nos transitórios de alta frequência gera- dos pela falta, conhecido como ondas viajantes. Para implementação dessa proteção, os autores fazem uma transformação modal pela transformada de Clarke em busca de três sistemas independentes. Em seguida, sabendo que a transformada Wavelet B-spline não possui distorção de fase, a decomposição dos sinais de ondas viajantes é feita segundo o algoritmo piramidal de Mallat. Com isso, módulos máximos são usados para eliminar os ruídos e detectar, pelo produto dos sinais, o sentido de ocorrência da falta. Esse método pode apresentar limitações para detectar faltas com transitórios amortecidos e necessita de uma elevada taxa de amostragem. Além disso, o conceito de ondas viajantes é pouco viável à nível de distribuição, uma vez que as linhas são curtas e muito ramificadas.

Eissa (2004) desenvolveu uma nova proteção direcional para barramentos de alta ten- são. Sua técnica extrai do sistema correntes e tensões em regime permanente, realiza o produto entre essas grandezas a cada instante de amostragem e soma esses produtos durante um ciclo. Esse somatório define o sentido normal do fluxo de potência, mas é insuficiente para diagnosticar casos de falta. Para tanto, outras duas formulações são de- finidas usando correntes de pré e pós-falta e tensão de pré-falta. A lógica da proteção após averiguar o sentido normal do fluxo de potência, define qual formulação deverá ser utilizada e define a direcionalidade avaliando-se o sinal da mesma.

CAPÍTULO 4. ESTADO DA ARTE 29 cial (RNA) para lidar com a direcionalidade em linhas de transmissão. Assim, o método proposto usa cinco amostras de tensão e de corrente das três fases para realizar o treina- mento da rede neural, dois módulos para cada fase são usados para distinguir entre faltas à frente ou reversas. No estudo, o algoritmo back-propagation foi utilizado para o trei- namento e vários testes foram realizados para comprovar a robustez do método. Além disso, foi feita implementação em DSP validando a implementação para tempo real. Em- bora esse trabalho tenha alcançado bons resultados, o aumento da taxa de amostragem causaria aumento da complexidade do treinamento, pois mais amostras seriam necessá- rias para discriminar bem o sinal.

Eissa (2005) publicou um trabalho que emprega transformada wavelet packet (TWP) para proteção direcional de transformadores. Nessa proposta é necessária a extração de sinais de corrente e tensão no período de pré-falta do sistema. Em seguida, é realizado o produto desses sinais para serem avaliados pela TWP durante o espaço de um ciclo. Com a utilização da wavelet mãe Haar, ou seja, filtros com dois coeficientes e tomando o terceiro nível de decomposição da TWP, o autor mostrou ser possível identificar a di- recionalidade avaliando o sinal após a filtragem pela TWP. No entanto, o uso do terceiro nível de decomposição agrega atrasos no tempo de detecção da falta e, por conseguinte, do diagnóstico direcional.

Valsan e Swarup (2007) sugeriram uma proteção direcional para barramentos usando TWD. Tensões e correntes são decompostas pelo filtro wavelet em primeira escala ex- traindo as altas frequências, sendo realizado o produto entre essas tensões e correntes fil- tradas, gerando um valor de potência a cada amostra, esses valores são somados durante um ciclo. Ao fim, essa soma é averiguada se é maior ou menor que zero, definindo a dire- cionalidade. Essa técnica apresenta atrasos na detecção devido a seu pré-processamento.

Aguilera, Orduna e Ratta (2007), utilizado ondas viajantes, propuseram uma prote- ção direcional de linhas de transmissão com base na TWD para sanar deficiências desse tipo de proteção causados pelo uso de componentes simétricas. Desse modo, é proposto o uso da segunda escala de decomposição wavelet para o cálculo das energias de tensão das ondas viajantes, o que é feito continuamente, verificando se há distúrbios no sistema. Na ocorrência de algum distúrbio, uma averiguação da fase e da janela de referência é realizada. Em seguida, o cálculo dos slopes, limiares, de corrente e tensão são compara- dos, conseguindo o diagnóstico da direcionalidade. Essa técnica utiliza o segundo nível de decomposição da TWD que acarreta atrasos na detecção e, ainda, a proteção proposta não é aplicável em sistemas de distribuição, pois as linhas são curtas e muito ramificadas limitando o uso das ondas viajantes.

Os autores Mahat, Chen e Bak-Jensen (2009) propuseram uma técnica de detecção de ilhamento híbrido usando a variação média das mudanças da tensão e do deslocamento da potência. Utilizando a detecção de ilhamento para averiguar em que situação encontra-se a geração distribuída, conectada à rede ou em modo de ilhamento, Mahat et al. (2011) propuseram a proteção de sobrecorrente adaptativa para atuar em casos de sistemas com geração distribuída que acarretam ilhamentos. O método detecta a porção desconectada envolvida na falta, por meio do armazenamento, em cada relé, das características dos relés reversos e utilizando a informação da detecção do ilhamento, os parâmetros das unidades de sobrecorrente dos relés podem ser adequadamente escolhidos. A proposta obteve bom desempenho para faltas equilibradas utilizando a unidade de sequência positiva, sendo vá-

lido apenas para casos de ilhamento, perda de geradores e reconexão da rede. No entanto, os autores afirmam que quando os geradores são conectados ao sistema de distribuição, não é possível atualizar os parâmetros dos relés utilizando apenas informações locais.

Eissa e Mahfouz (2012) trouxeram no seu trabalho o conceito do correlograma, um tipo de apresentação dos coeficientes da autocorrelação, como ferramenta para identifi- cação do sentido de ocorrência da falta e, também, do tipo de falta aplicado à linhas de transmissão. Esse método extrai amostras de correntes do sistema por dois ciclos, divide cada ciclo em duas janelas iguais e calcula os coeficientes de correlograma com os valores das janelas fornecidos. Observando o sinal desses coeficientes é possível definir o sentido de ocorrência da falta e observando a magnitude dos coeficientes tem-se a definição da(s) fase(s) envolvida(s) na falta. O método proposto possui um equacionamento rebuscado, o que recai sobre o tempo de atuação dessa proteção, que fica na média de um ciclo.

Ukil, Deck e Shah (2012) propuseram um modelo para diagnosticar a direcionalidade utilizando apenas medições de corrente, baseando-se na diferença entre os ângulos da corrente de pré e pós-falta provenientes dos fasores calculados para cada fase pela TDF recursiva. Este método requer três buffers para armazenar todos os ângulos de pré-falta do último ciclo para cada fase, e um buffer adicional para armazenar os últimos dois ciclos dos ângulos de máximas mudanças. Nessa configuração, a direcionalidade é diagnosti- cada a partir de um ângulo mínimo de incidência da falta, fornecendo um diagnóstico neutro caso o ângulo da falta seja muito próximo de zero. Esse método é muito custoso computacionalmente e inviável para altas taxas de amostragem, além de consumir pelo menos dois ciclos para dar o diagnóstico da direção após a ocorrência da falta.

Biswal, Pati e Pradhan (2013) propuseram um método que engloba os problemas pro- venientes de circuitos duplos com compensação série. Esse método necessita da leitura de corrente e tensão do sistema e realiza estimação fasorial pela técnica dos mínimos quadrados. Com os fasores estimados, são projetados quatro classificadores que calcu- lam os ângulos entre: corrente e tensão de sequência positiva, corrente de falta e corrente de pré-falta de sequência positiva, corrente e tensão de sequência negativa e entre cor- rente e tensão de sequência positiva sobreposta. Em seguida, uma técnica de votação é realizada fornecendo o diagnóstico direcional da falta. A estimação fasorial com uso de mínimos quadrados é muito custosa computacionalmente e agrega atrasos na ordem de milissegundos para sua aplicação, o que é inconveniente para proteção.

O trabalho de Khan e Sidhu (2014) trouxe a comparação da direcionalidade como técnica de proteção para transformadores de fase deslocada. O método proposto baseia-se nas componentes de sequência positiva e negativa. Para tanto, foi necessário remover a componente DC por meio de um filtro cosseno e calcular a TDF de um ciclo para obter magnitude e fase dos sinais. Com essas informações é possível calcular as componentes de sequência de pré-falta e pós-falta das tensões e correntes, e, por conseguinte, obter uma impedância de sequência contendo informação de ambos os momentos. Portanto, uma avaliação do ângulo dessa impedância é requerida para definir a direção da falta. Essa técnica necessita de filtragens e estimação fasorial, o que implica em atrasos para o diagnóstico final.

Com vertente voltada à geração distribuída eólica, Jones e Kumm (2014) ressaltaram a problemática da proteção de sobrecorrente não-direcional e propuseram um módulo di- recional de sobrecorrente com o objetivo de detectar correntes de falta em locais remotos.

CAPÍTULO 4. ESTADO DA ARTE 31 Portanto, os autores adicionam ao relé tradicional uma função voltada a carregamento pesado do sistema, para bloquear a unidade de sobrecorrente quando o carregamento é elevado. Dessa maneira, é verificado se a impedância de sequência positiva está na zona de operação normal, assim a unidade de sobrecorrente é bloqueada, evitando mal opera- ção do relé. O método proposto pode não atuar bem devido a variação da impedância na falta, podendo cair dentro da zona de atuação durante sua convergência.

Um método direcional para linhas de transmissão usando a energia dos transitórios é proposto por Kong, Zhang e Hao (2015). Nesse trabalho, os autores analisaram as com- ponentes sobrepostas e realizam o cálculo das potências transitórias e, por fim, o cálculo das energias transitórias. Utilizando-se das polaridades das energias é possível definir o sentido de ocorrência da falta em cada relé, enviando o sinal de abertura para o disjuntor, caso a falta esteja na linha protegida. De acordo com os autores, esse método pode ser aplicado para frequência de amostragem na ordem de 10 kHz, não sofre influência do ângulo de inserção da falta, do tipo de falta, da resistência da falta ou da distância da falta. Porém, de acordo com a literatura os transitórios podem ser completamente amortecidos dependendo do ângulo de incidência e resistência da falta (??). Além disso, as compo- nentes sobrepostas são bem definidas para ocorrência de falta singular, em casos de faltas evolutivas, esse método poderia apresentar comportamento inadequado.

Saleki, Samet e Ghanbari (2016) propuseram uma proteção direcional utilizando o algoritmo de k-Nearst Neigbhour. Baseado na relação cruzada dos componentes da trans- formada de Fourier de tensão e corrente, uma vizinhança é considerada para convergência. Usando a componente de ordem cinco da transformada de Fourier, os sinais de corrente e tensão são tratados dentro de uma janela de amostras. Após isso, a função de correla- ção cruzada é aplicada aos componentes, fornecendo valores máximos para cada amostra. Em seguida um filtro passa-baixa é utilizado para obtenção do sinal final que será com- parado com um limiar definido. O método utilizado contém alguns inconvenientes como o alto custo computacional e o não conhecimento da maneira como ocorre o aprendizado baseado na distância, o que pode tornar esse método instável.

Luo et al. (2016) propuseram uma proteção direcional de backup para linhas de trans- missão utilizando as energias reativas calculadas por meio da transformada de Hilbert para sistemas de alta tensão de corrente contínua (High Voltage Direct-Current - HVDC). Nessa técnica, os dados de corrente e tensão são lidos do sistema e, tendo conhecimento dos parâmetros das linhas, é possível calcular a potência reativa, que apenas é significante na ocorrência de falta. Essa potência é calculada para os dois extremos da linha protegida e, em seguida, é calculado as respectivas energias pela transformada de Hilbert discreta (THD). O produto dessas energias ditam a direcionalidade da falta. A proposta apresen- tada não poderia ser aplicada em sistemas de corrente alternada, o que configura a maior parte dos sistemas de distribuição, uma vez que o nível de potência reativa, em regime permanente, não é nula.

O método de Pintos, Moreto e Rolim (2016) extrai do sistema apenas medição de cor- rente e realiza a estimação fasorial por meio da transformada discreta de Fourier recursiva (TDFR). Em seguida, é realizado o cálculo das componentes de sequência positiva e os ativadores de sobrecorrente são testados. Em ocorrência de falta, a sobrecorrente é ati- vada e é observado se há variação no somatório das correntes de sequência no instante atual comparado a um ciclo anterior. Havendo variação, essa informação é enviada para

o relé da extremidade oposta da linha protegida. Quando os dois relés confirmam as in- formações da direcionalidade, retira-se a linha do sistema. O trabalho proposto embora sane algumas deficiências de trabalhos anteriores, ainda utiliza a TDF para sinais não es- tacionários e requer um sistema de comunicação que é custoso para aplicações à nível de distribuição.

Costa, Monti e Paiva (2017) propuseram uma abordagem wavelet para a proteção de sobrecorrente. Esse trabalho emprega as componentes de baixa frequência da transfor- mada wavelet, coeficientes escalas, para reconstruir a proteção de sobrecorrente clássica, por meio das energias dos coeficientes escala, é mostrado a equivalência do método wa-

velet com a proteção tradicional de fase e de neutro. Além disso, as componentes de alta

frequência podem fornecer informação adicional sobre a falta. Em geral, a proteção de sobrecorrente wavelet se mostrou equivalente a abordagem clássica, porém com detecção da falta mais rápida. A abordagem é relevante, porém faltou estender o conceito as demais unidades, como sequência positiva e negativa.

4.2 Síntese do Capítulo

Neste capítulo foi apresentado uma revisão de trabalhos disponíveis na literatura, apontando as principais vantagens e desvantagens dos métodos direcionais e métodos de sobrecorrente propostos para as devidas aplicações. Na Tabela 4.1 apresenta-se um resumo, em ordem cronológica, do estado da arte sobre as aplicações das proteções avali- adas. Assim, é ressaltado a técnica utilizada em cada método, a aplicação final da técnica, a frequência de amostragem utilizada em cada trabalho e as validações, se por simulação e/ou experimental (tempo real).

CAPÍTULO 4. ESTADO DA ARTE 33

Tabela 4.1: Resumo da revisão bibliográfica.

Referência Técnica Aplicação Frequência Validação

Empregada kHz Sim. Exp.

Chen et al. (2003) TWD Linhas de Transmissão 100 √ -

Eissa (2004) - Barramentos 0,8 √ -

Lahiri et al. (2005) RNA Linhas de Transmissão 1 √ √

Eissa (2005) TWP Transformadores 20 √ -

Valsan e Swarup (2007) TWD Barramentos 2 √ √

Aguilera et al. (2007) TWD Linhas de Transmissão 80 √ - Mahat et al. (2011) TDF Rede de Distribuição 6 √ √ Eissa e Mahfouz (2012) CC Linhas de Transmissão 6 √ -

Ukil et al. (2012) TDF Linhas de Transmissão 2.5 √ - Biswal et al. (2013) MQ Linhas de Transmissão Dupla 1 √ -

Khan e Sidhu (2014) - Transformadores - √ -

Jones e Kumm (2014) TFD Linhas de Distribuição - √ √ Saleki et al. (2015) k-NN Linhas de Transmissão 10 √ √ Kong et al. (2015) ET Linhas de Transmissão 10 √ -

Luo et al. (2016) THD Linhas HVDC 10 √ -

Pintos et al. (2016) TDFR Microrredes 3,84 √ -

Costa et al. (2017) MODWT Rede de Distribuição 15,36 √ √ CC - coeficiente de correlograma; MQ - mínimos quadrados; ET - energia dos transitórios; k-NN -

Capítulo 5

Método Proposto

Neste capítulo será apresentada a descrição das proteções de sobrecorrente direcional de fase, de sequência positiva, negativa e zero utilizando a transformada wavelet. As uni- dades de sobrecorrente wavelet são implementadas por meio das energias dos coeficientes escala das correntes, enquanto que o produto entre os coeficientes escala das correntes e das tensões é utilizado para fornecer o diagnóstico direcional. Além disso, as energias dos coeficientes wavelet são utilizadas como ativadores das unidades direcionais.

5.1 Proteção de Sobrecorrente Direcional Wavelet

As unidades de sobrecorrente wavelet propostas utilizam um processamento wavelet das correntes e tensões provenientes do sistema elétrico de potência, averiguando se existe falta no sistema por meio da elevação dos coeficientes wavelet e escala das correntes acima de limiares de operação (energia de pickup). As unidades direcionais propostas funcionam em paralelo e fornecem o diagnóstico se a falta está localizada à frente ou reversa ao ponto de monitoramento. Portanto, de maneira similar a proteção clássica, o método proposto só enviaria o trip quando a unidade de sobrecorrente identificar a falta e a unidade direcional informar que a falta está localizada à frente, com relação ao ponto de monitoramento.

Na Figura 5.1 é ilustrada a aquisição das correntes e tensões por meio de TCs e TPCs, respectivamente, e as unidades de sobrecorrente direcionais wavelet de fase (67W), de sequência positiva (67PW), de sequência negativa (67QW) e neutro (67NW) (ou de sequência zero) que compõem a lógica do relé proposto. Quando identificada uma falta à frente, o trip é enviado para abertura do disjuntor de corrente alternada (52).

O fluxograma apresentado na Figura 5.2, avaliado a cada amostragem, resume o es- quema da proteção de sobrecorrente direcional wavelet.

Inicialmente, os sinais de corrente e tensão das três fases são obtidos por meio de TCs e TPs (ou TPCs). Esses sinais são usados pelo bloco de pré-processamento, nos quais os sinais analógicos são filtrados, segundo o teorema da amostragem de Nyquist, com frequência de corte fc≤ fs/2 , e amostrados com frequência de amostragem fs. Em

seguida, tem-se o cálculo das componentes simétricas das tensões e correntes no domínio do tempo de acordo com as Equações (2.16) - (2.22).

As correntes e tensões discretas das fases e das unidades de sequência iφ e vφ, com

CAPÍTULO 5. MÉTODO PROPOSTO 35 Falta à frente Proteção de sobrecorrente direcional wavelet Falta reversa 67W 67PW 67QW 67NW 52

Figura 5.1: Unidades de proteção de sobrecorrente direcional wavelet propostas.

Pré-processamento TWDR Energia espectral Proteção direcional wavelet Detector dos transitórios de falta Proteção de sobrecorrente wavelet Componentes simétricas Classificador de faltas Trip Falta à frente Falta reversa Trip de

sobrecorrente Tripdirecional

iA,B,C vA,B,C vφ iφ Es iφ Eiφw ss iφ, swiφ

Figura 5.2: Fluxograma da proteção de sobrecorrente direcional wavelet proposta.

escala e wavelet das correntes de fase e de sequência (siφ e wiφ) e os coeficientes escala

das tensões de fase e de sequência (svφ). Em seguida, é realizado o cálculo das energias

dos coeficientes escala e wavelet das correntes de fase e de sequência (

E

O bloco de detecção dos transitórios de falta objetiva a rápida detecção da falta com base nas informações de alta frequência das correntes, por meio da energia dos coefici- entes wavelet das correntes de fase e de sequência, que habilitará a atuação das unidades direcionais. Além disso, essas energias podem ser utilizadas para classificar o tipo de falta que está ocorrendo no sistema (SOUZA et al., 2016), de forma a habilitar apenas as unidades direcionais devidas. A classificação dos tipos de faltas está fora do escopo desse trabalho, sendo o tipo de falta uma informação conhecida neste trabalho.

A função de sobrecorrente wavelet utiliza as energias dos coeficientes escala das cor- rentes, que é proporcional aos níveis de corrente rms do sistema, para recriar as unidades de sobrecorrente clássicas. As unidades de sobrecorrentes wavelet são utilizadas como ativadores de backup da proteção direcional wavelet, em casos de não detecção da falta pelo detector de transitórios.

Quando a função direcional é ativada, com informação do tipo de falta que o sistema está submetido, tem-se a definição de qual unidade deve ser avaliada para obter informa- ção correta do sentido do fluxo de potência. A lógica direcional utiliza os coeficientes escala de corrente e tensão para definir a direcionalidade da falta, que em casos de faltas á frente é verificado se a sobrecorrente persiste e em seguida o trip é gerado.