Método y sistema de detección de perturbaciones transitorias en la tensión del suministro eléctrico.

Un método de detección de una perturbación transitoria en una señal de tensión de suministro eléctrico,

que comprende: a partir de una señal de tensión de suministro eléctrico u(t), obtener una señal diferencia ud(t). El método comprende además: aplicar a dicha señal diferencia ud(t) una transformada wavelet discreta para descomponer dicha señal diferencia ud(t) en una pluralidad de bandas de frecuencia, obteniendo una pluralidad de coeficientes dij; a partir de dicha pluralidad de coeficientes dij, calcular un vector de energías Edi; a partir de dicho vector de energías Edi, detectar la existencia o no de una perturbación transitoria. Un sistema de detección de una perturbación transitoria en una señal de tensión de suministro eléctrico. Un programa informático que comprende medios de código de programa informático adaptados para realizar las etapas del método descrito.

MÉTODO Y SISTEMA DE DETECCIÓN DE PERTURBACIONES TRANSITORIAS EN LA TENSIÓN DEL SUMINISTRO ELÉCTRICO

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de la distribución de energía eléctrica y, más concretamente, al del análisis y medida de la calidad del suministro eléctrico y la protección para equipos alimentados mediante redes eléctricas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los estándares IEC 61000-4-30 (Eleetromagnetie eompatibility (EMe) -Part 4: Testing and measurement teehniques. Seetion 30: Power quality measurement methods, Switzerland, 2008) e IEEE Std. 1159 (IEEE Reeommended praetiee for monitoring eleetrie power quality, The Institute oi Eleetrieal and Eleetronies Engineers, Ine., New York, USA, 2009) definen una perturbación transitoria como un fenómeno o una magnitud que varia entre dos regímenes permanentes consecutivos durante un intervalo de tiempo corto comparado con la escala de tiempo considerada.

Las perturbaciones transitorias se producen normalmente por descargas eléctricas, por maniobras en el sistema de distribución, como la conexión o desconexión de condensadores, o por la conmutación de los equipos de los usuarios. De las distintas perturbaciones que afectan a la calidad de la energía eléctrica, las perturbaciones transitorias son de las mas perjudiciales y las más difíciles de detectar, debido a su corta duración, su carácter aleatorio y a las componentes de alta frecuencia que producen. El desarrollo de métodos y equipos de detección de estas perturbaciones es en la actualidad de gran importancia para asegurar la calidad de la energía eléctrica suministrada y evitar el efecto perjudicial que tienen sobre los equipos.

No hay un método estandarizado para la detección y el análisis de las perturbaciones transitorias como existe para otros parámetros de la calidad del suministro eléctrico, como la distorsión armónica o los huecos de tensión. En la actualidad se emplean distintos métodos sin que ninguno sea predominante sobre los otros. Además, la mayoría de los fabricantes de equipos de monitorización de la calidad del suministro eléctrico no indican el método que emplean en sus equipos, con 10 que es dificil evaluar sus características de detección y análisis de los transitorios.

De acuerdo con el citado estándar lEC 61000-4-30, los métodos de detección de perturbaciones transitorias existentes son los siguientes: Método comparativo: la perturbación transitoria se detecta cuando se sobrepasa un valor umbral absoluto; Método de la envolvente: es similar al método comparativo, pero se suprime la componente fundamental antes del análisis; Método de la ventana deslizante: los valores instantáneos se comparan con los valores correspondientes del período precedente; Método dv/dt: se detecta una perturbación transitoria cuando se excede un umbral fijo absoluto de dv/dt; Método del valor eficaz: por muestreo muy rápido el valor eficaz se calcula en intervalos muy inferiores al de un periodo de la componente fundamental y se compara con un umbral; Otros métodos: son por ejemplo las medidas de amplitud/frecuencia (transformada rápida de Fourier, wavelets, etc.) . M.H.J. Bollen y I.Y-H Gu presentan, en "Signal Processing ofpower quality disturban ces ", IEEE Press -Wiley Interscience, 2006, un análisis de las características de los distintos métodos.

Se han propuesto distintos instrumentos para la detección y el análisis de las perturbaciones transitorias en redes de distribución eléctrica. Por ejemplo, D. Castaldo, D. Gallo, C. Landi, y A. Testa en "A digital instrument for nonstationar y disturban ce analysis in power Unes", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 53, no. 5, October 2004, pp. 1353-1361, presentan un sistema DSP en tiempo real que utiliza el método de la ventana deslizante sin eliminar el cambio en la componente fundamental en la señal de perturbación. El inicio y el final

de la perturbación se detectan cuando se superan sendos umbrales, siendo la selección de estos umbrales el punto crítico en este método.

M. Artioli et al ("Low-cost DSP-based equipment for the real-time detection of transients in power systems ", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 53, no. 4, August 2004, pp. 933-1361) Y L. Peretto et al ("Performance analysis of a robust algorithm for voltage transients detection", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 55, no. 6, December 2006, pp. 2244-2252) también presentan un instrumento con DSP para la detección de perturbaciones transitorias. El método propuesto se ejecuta en el dominio temporal y calcula un índice empleando la suma de las muestras de la señal de la tensión para diferentes segmentos dentro de un intervalo de observación (un ciclo o un número entero de ciclos) . La perturbación se detecta si al menos un segmento en cada intervalo de observación supera un umbral especificado. De nuevo la selección del umbral es el punto crítico en este método, que no permite extraer el transitorio sin la componente fundamental como se requiere en el estándar IEEE Std 1159-2009 para su posterior análisis.

A su vez, A. Ferrero et al presentan ("An easy VI program to detect transient disturban ces in the supply voltage", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 54, no. 4, August 2005, pp. 1471-1474 Y "A method for testing instrumen ts for transient detection in electric power system voltages ", Instrumentation and Measurement Technology Conference, IMTC 2006, Sorrento, Italy, 24-25 April 2006, pp. 1588-1591) un método de detección empleando una ventana deslizante y un filtro de rechazo de banda para evitar el efecto de la componente fundamental en la señal transitoria. La señal transitoria filtrada se compara en el dominio del tiempo con un umbral específico para detectar la existencia de la perturbación. Las características del método dependen del tipo de filtro empleado que además, como cualquier otro filtro digital, introduce un retraso en la señal de salida filtrada, y de nuevo de la selección del umbral.

Los métodos tiempo-frecuencia, tales como el análisis wavelet o una combinación de wavelets y análisis de Fourier (ver por ejemplo l. Barros, M. de Apráiz, R.L Diego, en "Voltage notch detection and analysis using wavelets", IEEE Intemational Conference on Virtual Environments, Human-Computer Interfaces, and Measurement Systems, VECIMS 2008, Istambul, Turkey, 14-16 luly 2008, pp. 15115522) calculan la magnitud de la señal en distintas bandas de frecuencia para la detección y el análisis de las perturbaciones transitorias.

Por ejemplo, S. Santoso et al ("Power quality assessment via wavelet transform analysis", IEEE Transactions on Power Deliver y , vol. 11, no. 2, April 1996, pp. 924930) Y D.C. Robertson et al ("Wavelets and electromagnetic power system transients", IEEE Transactions on Power Deliver y , vol. 11, no. 2, April 1996, pp. 1050-1058) proponen las primeras aplicaciones del análisis wavelet para el análisis de perturbaciones transitorias. En ellas se emplea la inspección visual del plano tiempo-frecuencia para la detección y el análisis de un transitorio dentro de un registro de perturbación.

En otras propuestas, como por ejemplo la de A.M. Gaouda et al, en "Power quality detection and classification using wavelet-multiresolution signal decomposition",

IEEE Transactions on Power Deliver y , vol. 14, no. 4, October 1999, pp. 1469-1476, se utiliza la desviación de la energía de los coeficientes de detalle de la transformada wavelet en diferentes niveles de resolución para la clasificación y cuantificación de eventos de corta duración en los sistemas de distribución eléctrica. A su vez, M. Karimi et al, en "Wavelet based on-line disturbance detection for power quality applications", IEEE Transactions on Power Deliver y , vol. 15, no. 4, October 2000, pp. 1212-1220, propone generar una señal de error que contiene la perturbación superpuesta a la componente fundamental de la tensión empleando un filtro adaptativo. El filtro se utiliza para rastrear la amplitud y la fase de la componente fundamental y restársela a la señal de entrada. Esta señal de error se analiza con la transformada wavelet discreta empleando la energía en las diferentes escalas para identificar el tipo de perturbación. Esta señal de error contiene tanto los armónicos como el ruido existente en la señal de entrada como el debido al propio transitorio de perturbación, que pueden ser muy elevados en señales altamente distorsionadas, lo que limita su capacidad de detección.

Otras aportaciones (por ejemplo, A.M. Gaouda et al en "On-Une disturban ce classification using nearest neighbour rule ", Electric Power Systems Research,...

1. Un método de detección de una perturbación transitoria en una señal de tensión de suministro eléctrico, que comprende: a partir de una señal de tensión de suministro eléctrico u (t) , obtener una señal diferencia lld (t) ;

estando el método caracterizado por: aplicar a dicha señal diferencia lld (t) una transformada wavelet discreta para descomponer dicha señal diferencia lld (t) en una pluralidad de bandas de frecuencia, obteniendo una pluralidad de coeficientes dij; a partir de dicha pluralidad de coeficientes dij, calcular un vector de energías Edi; a partir de dicho vector de energías Edi, detectar la existencia o no de una perturbación transitoria.

2. El método de la reivindicación 1, donde dicha obtención de una señal diferencia lld (t) comprende: muestrear dicha señal de entrada u (t) ; aplicar una ventana deslizante para calcular de forma continua para cada ciclo de la tensión, de duración temporal T, dicha señal diferencia Ud (t) .

3. El método de la reivindicación 2, donde dicha señal diferencia Ud (t) se obtiene restando cada muestra de un ciclo con la muestra correspondiente a un ciclo anterior previamente almacenada en memoria como señal de referencia.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha aplicación de una transformada wavelet discreta sobre dicha señal diferencia lld (t) comprende calcular una pluralidad de coeficientes de detalle y de aproximación.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho cálculo de un vector de energías comprende calcular los valores de las energías correspondientes

a cada una de las bandas de frecuencia de la siguiente forma:

donde dij son los coeficientes wavelet de la señal diferencia lld (t) , 1 = l..L es el número de niveles de descomposición, j = 1..N es el número de coeficientes wavelet en cada nivel de descomposición correspondientes a un periodo de la componente fundamental de la señal y fs es la frecuencia de muestreo.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha detección de la perturbación transitoria se realiza comparando dicho vector de energías Edi con unos umbrales previamente obtenidos para cada banda de frecuencia.

7. El método de la reivindicación 6, donde en caso de no existencia de perturbación, el ciclo actual se almacena como ciclo de referencia y se repite el proceso con las muestras del ciclo siguiente.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, donde en caso de detección de perturbación en el ciclo actual, se almacena el ciclo de referencia previo a la perturbación y se comparan los ciclos subsiguientes con ese ciclo de referencia mientras se mantenga la perturbación.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende almacenar los ciclos de perturbación, generando un registro de la perturbación.

10. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha perturbación transitoria se clasifica de acuerdo con su magnitud y banda de frecuencia.

11. Un sistema de detección de una perturbación transitoria en una señal de tensión de suministro eléctrico, que comprende:

medios para, a partir de una señal de tensión de suministro eléctrico u (t) , obtener una señal diferencia lld (t) ;

estando el sistema caracterizado por:

medios para aplicar a dicha señal diferencia lld (t) una transformada wavelet discreta para descomponer dicha señal diferencia lld (t) en una pluralidad de bandas de frecuencia, obteniendo una pluralidad de coeficientes dij; medios para, a partir de dicha pluralidad de coeficientes dij, calcular un vector de energías Edi ;

medios para, a partir de dicho vector de energías Edi, detectar la existencia o no de una perturbación transitoria.

12. Un programa informático que comprende medios de código de programa informático adaptados para realizar las etapas del método según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 10, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador, un procesador de señal digital, una disposición de puertas de campo programable, un circuito integrado de aplicación específica, un microprocesador, un microcontrolador, y cualquier otra forma de hardware programable.

u (t)

la "C ::J

~

c.

E

«

o ••• f5/16 f5/8

/

FIGURA 1

a)

f5/4 Frecuencia b) FIGURA 2

Nivel 2

d2

3 4

/ /

f5/2

Ed3 Edl Eal

E d1 E d2 1----------------------1

3 ....._-------. ....... L L . --.... _------

d1 d2 d3 dl al [fs/4 -fs/2] [fs/8 -fs/4] [fs/16 -fs/8] ., ._--------_ ... [fs/2 l +1_fs/2 l] [O -fs/2l+1]

FIGURA 3

Nivel L

d L --t1

HP'

FIGURA 4

a)

b)

FIGURAS

FIGURA 6

FIGURA 7

a)

b)

e)

FIGURA 8

a)

b)

FIGURA 9

a)

b)

e)

FIGURA 10

a)

b)

FIGURA 11