Localización de faltas en sistemas de distribución de energía eléctrica usando métodos basados en el modelo y métodos basados en el conocimiento

Abstract

La calidad de energía eléctrica incluye la calidad del suministro y la calidad de la atención al cliente. La calidad del suministro a su vez se considera que la conforman dos partes, la forma de onda y la continuidad. En esta tesis se aborda la continuidad del suministro a través de la localización de faltas. Este problema se encuentra relativamente resuelto en los sistemas de transmisión, donde por las características homogéneas de la línea, la medición en ambos terminales y la disponibilidad de diversos equipos, se puede localizar el sitio de falta con una precisión relativamente alta. En sistemas de distribución, sin embargo, la localización de faltas es un problema complejo y aún no resuelto. La complejidad es debida principalmente a la presencia de conductores no homogéneos, cargas intermedias, derivaciones laterales y desbalances en el sistema y la carga. Además, normalmente, en estos sistemas sólo se cuenta con medidas en la subestación, y un modelo simplificado del circuito. Los principales esfuerzos en la localización han estado orientados al desarrollo de métodos que utilicen el fundamental de la tensión y de la corriente en la subestación, para estimar la reactancia hasta la falta. Como la obtención de la reactancia permite cuantificar la distancia al sitio de falta a partir del uso del modelo, el Método se considera Basado en el Modelo (MBM). Sin embargo, algunas de sus desventajas están asociadas a la necesidad de un buen modelo del sistema y a la posibilidad de localizar varios sitios donde puede haber ocurrido la falta, esto es, se puede presentar múltiple estimación del sitio de falta. Como aporte, en esta tesis se presenta un análisis y prueba comparativa entre varios de los MBM frecuentemente referenciados. Adicionalmente se complementa la solución con métodos que utilizan otro tipo de información, como la obtenida de las bases históricas de faltas con registros de tensión y corriente medidos en la subestación (no se limita solamente al fundamental). Como herramienta de extracción de información de estos registros, se utilizan y prueban dos técnicas de clasificación (LAMDA y SVM). Éstas relacionan las características obtenidas de la señal, con la zona bajo falta y se denominan en este documento como Métodos de Clasificación Basados en el Conocimiento (MCBC). La información que usan los MCBC se obtiene de los registros de tensión y de corriente medidos en la subestación de distribución, antes, durante y después de la falta. Los registros se procesan para obtener los siguientes descriptores: a) la magnitud de la variación de tensión ( dV ), b) la variación de la magnitud de corriente ( dI ), c) la variación de la potencia ( dS ), d) la reactancia de falta ( Xf ), e) la frecuencia del transitorio ( f ), y f) el valor propio máximo de la matriz de correlación de corrientes (Sv), cada uno de los cuales ha sido seleccionado por facilitar la localización de la falta. A partir de estos descriptores, se proponen diferentes conjuntos de entrenamiento y validación de los MCBC, y mediante una metodología que muestra la posibilidad de hallar relaciones entre estos conjuntos y las zonas en las cuales se presenta la falta, se seleccionan los de mejor comportamiento. Los resultados de aplicación, demuestran que con la combinación de los MCBC con los MBM, se puede reducir el problema de la múltiple estimación del sitio de falta. El MCBC determina la zona de falta, mientras que el MBM encuentra la distancia desde el punto de medida hasta la falta, la integración en un esquema híbrido toma las mejores características de cada método. En este documento, lo que se conoce como híbrido es la combinación de los MBM y los MCBC, de una forma complementaria. Finalmente y para comprobar los aportes de esta tesis, se propone y prueba un esquema de integración híbrida para localización de faltas en dos sistemas de distribución diferentes. Tanto los métodos que usan los parámetros del sistema y se fundamentan en la estimación de la impedancia (MBM), como aquellos que usan como información los descriptores y se fundamentan en técnicas de clasificación (MCBC), muestran su validez para resolver el problema de localización de faltas. Ambas metodologías propuestas tienen ventajas y desventajas, pero según la teoría de integración de métodos presentada, se alcanza una alta complementariedad, que permite la formulación de híbridos que mejoran los resultados, reduciendo o evitando el problema de la múltiple estimación de la falta.

Power quality includes the supply and customer support quality. The supply quality considers two aspects, the wave shape and continuity. In this thesis the fault location problem, topic related with supply continuity is considered. Fault location is a relatively solved problem in power transmission systems, due to the homogeneous characteristics of the power line, measurements in both terminals and also the availability equipment such as fault locators normally included in distance relays. However, in power distribution systems the fault location is a complex problem which remains unsolved. The complexity is mainly because the presence of laterals, load taps, non homogeneous conductors, unbalances in the system and load. In addition, these power systems only have measurements at the substation and a simplified model of the power network. The main efforts to solve this problem have been oriented to the development of impedance based methods. Because of the reactance estimation makes possible the estimation of the distance to the faulted node by using the circuit model, those methods are considered as Model Based Methods (MBM). However the main drawbacks are related to the requirement of a good system model and to the possibility of multiple estimation of the location of the fault due to the three-shape of such networks. As a result, in this thesis an analysis and a comparative test between several MBM frequently cited is presented. In addition, the solution of the fault location is complemented by using methods which use more than the rms values of current and voltage obtained from fault databases. As tool to relate this information with the fault location, two classification techniques are used and tested (LAMDA and SVM). These relate the voltage and current characteristics to the faulted zone and are denoted in this document as Classification Methods Based on the Knowledge (CMBK). The information used by CMBK is obtained from current and voltage fault registers measured at the distribution substation, before, during and after the fault. These registers are pre-processed to obtain the following characteristics or descriptors: a) The magnitude of the voltage variation between the steady states of fault and pre-fault ( dV ), b) the magnitude of the current variation between the steady states of fault and pre-fault ( dI ), c) the magnitude of the apparent power variation between the steady states of fault and pre-fault ( dS ), d) the magnitude of the reactance as seen from the substation ( Xf ), e) the frequency of the transient caused by the fault ( f ), and f) the maximum eigenvalue of the correlation matrix of the currents ( Sv ). By using these descriptors, several training and validation sets were used with CMBK and by means of a proposed methodology it is shown how to relate these sets with the faulted zone and also to select those which offer the best performances. The application results demonstrate how by combining the MBM with the CMBK it is possible to reduce the multiple estimation of the fault location. The CMBK is used to determine the faulted zone while the MBM finds the distance from the measurement point to the faulted node. Thus the integration in a hybrid approach uses the best characteristics of each method. In this document, the term hybrid is used to describe the complementary combination of MBM and CMBK. Finally and aimed to compare the thesis results, an integration hybrid scheme to fault location is proposed and tested in two different power distribution systems. Both, methods which use the system parameters and are based on the impedance estimation (MBM), and those which use the information represented by the signal descriptors and are based in classification techniques (CMBK) have shown the capability to solve the problem of fault location. The two proposed methodologies have advantages and drawbacks, but according to the integration theory presented, high complementarity has been reached. This makes possible the development of a hybrid approach used to avoid or reduces the multiple estimation of the fault location.