Articulo 16

Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia N.° 47. pp. 176-186. Marzo, 2009
Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia N.º 47 Marzo 2009

Técnica para identificar faltas transitorias y
permanentes en líneas de transmisión, utilizando
la transformada Wavelet

Methodology for the identification of transient
and permanent faults in overhead transmission
lines, using wavelet transforms

Miguel Martínez*
Departamento de Conversión y Transporte de Energía de la Universidad
Simón Bolívar, Valle de Sartenejas, Baruta, 89000. Caracas, Venezuela

(Recibido el 6 de noviembre de 2007. Aceptado el 6 de noviembre de 2008)

Resumen
En el presente documento, se presenta un algoritmo que permite distinguir de
forma clara y precisa, las faltas transitorias de las permanentes. Adicionalmente
se determina el instante de extinción del arco secundario, para así evitar o
controlar de forma efectiva y segura la operación de reconexión monofásica
en sistemas de transporte de energía. El método de identificación se basa en
la determinación de las características de alta frecuencia que posee la señal
de tensión de la fase en falta antes del despeje y de la corriente en una fase
sana y las relaciona de forma independiente mediante una auto-correlación
cruzada. Para el análisis de la señal y extracción de los componentes de alta
frecuencia, se ha utilizado la transformada Wavelet. El algoritmo propuesto
se probó en un sistema base de 380 kV, funcionando de forma correcta en
todos los escenarios planteados y logrando una identificación precisa en los
primeros 25 ms de la falta.
----- Palabras clave: Fallas permanentes y transitorias, Reconexión
Monofásica, ATP/EMTP, Transformada Wavelet.

Abstract
In this document an algorithm to detect and distinguish the transient and
permanent faults, is developed. Also, the algorithm takes into account the
determination of the secondary arc extinction time, to avoid effectively the
monopolar reclosing onto faulty phase. The identification method is based

*
Autor de correspondencia: teléfono: + 58 + 212 + 906 41 33, fax: + 58 + 212 + 9064133, correo electrónico: mmlozano@usb.ve (M.
Martínez).

176

Técnica para identificar faltas transitorias y permanentes en líneas de transmisión, utilizando...

on the frequency spectrum characteristics of the voltage waveform of the
faulty phase before the operation of the breaker and the current waveform
of a healthy phase. Both spectrums are correlated independently using a
cross correlation ship. For the signal analysis the wavelet transform are used.
The proposed methodology was tested in a electrical system with a nominal
voltage of 380 kV, working right in all scenarios studied, reaching the right
identification of the permanent or transient fault within the 25 ms after faults
occurs.
----- Keywords: Permanent and transitory faults, monopolar reclosing,
ATP/EMTP, Wavelet Transform.

Introducción en específico seis bloques (DC, fundamental, ter-
cer armónico, segundo con cuarto y sexto, quinto
En los sistemas de transporte de energía moder- con séptimo y noveno y componentes entre 500
nos, se suele utilizar la posibilidad de reconexión y 1000 Hz). Como tipo de arquitectura se utili-
monofásica para minimizar los efectos de la falta za una red del tipo “feedforward” con una capa
sobre la estabilidad del sistema, ya de por sí crí- oculta, seis de entrada y una de salida. Posterior-
tica, debido a los límites de la operación actual. mente, Bo et. al [7] plantean el problema basán-
Sin embargo, un alto porcentaje de las faltas mo- dose en las señales de corriente de las fases sanas,
nofásicas son transitorias y suelen desaparecer una vez despejada la falta desde los extremos de
unos pocos ciclos después de despejada la fase la línea. Específicamente, utilizan como criterio
afectada. Algunos problemas que se pueden ata- la energía espectral de los componentes de alta
car a este respecto, son por un lado la identifica- frecuencia de estas señales, para distinguir entre
ción precisa de la transitoriedad de la falta y así las faltas permanentes y las transitorias. Basados
evitar la reconexión y por otro lado, establecer en los mismos criterios expuestos por Bo et. al
mediante el análisis digital de señales, el instan- [7], Jiang et al [6], plantean resolver el problema
te de extinción del arco secundario, para realizar utilizando Wavelets como herramienta para obte-
la reconexión (en caso de faltas transitorias), de ner las componentes de alta frecuencia. Por últi-
la forma más rápida posible [1-8]. Existen varias mo, Radojevic et. al [5] plantean la extracción del
metodologías que han sido publicadas desde hace tercer armónico de la tensión y establecen un cri-
casi 20 años, como por ejemplo [1], en el cual por terio comparativo entre esta magnitud obtenida y
primera vez se ataca el problema de la distinción la estimación previa de la localización de la falta.
entre faltas transitorias y permanentes, haciendo La metodología se basa en la simplificación del
uso de la estimación fasorial. La metodología se modelo del arco mediante una señal cuadrada.
basa únicamente en la información suministrada
En este trabajo, se plantea el análisis de las se-
por la señal de tensión de la fase fallada, después
ñales de tensión e intensidad medidas en uno de
del despeje por parte de los elementos de protec-
los nudos cercanos al punto de falta, para tratar
ción, estimando la tensión presente en ese con-
de establecer una metodología que permita deter-
ductor, en las condiciones bajo estudio.
minar con rapidez y seguridad, la condición de
En [2], el problema se resuelve mediante la utili- transitoriedad o no de la falta (monofásica) y pos-
zación de una red neuronal adecuadamente entre- teriormente, el instante de extinción del arco se-
nada, la cual utiliza como información de entra- cundario, independientemente de la localización
da, las componentes de frecuencia de la señal de de la falta. De esta manera, se puede configurar
tensión obtenida después del despeje de la falta, un esquema de reconexión adaptativo (para faltas

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monofásicas) que mejore la respuesta dinámi- energía en la columna del arco. Esta es escrita en
ca del sistema ante este tipo de eventualidades, la ecuación (1), como:
logrando minimizar los tiempos de reconexión
o de despeje completo y evitando reconexiones dg 1
sobre falta. Para ello, se utiliza como herramien- = (G − g ) (1)
ta de análisis, la transformada Wavelet [9-13] y dt τ
en particular el espectro de alta frecuencia de las Donde:
señales de tensión e intensidad. La frecuencia
de muestreo, seleccionada es de 10 kHz, lo que g, es la conductancia variable con el tiempo.
hace que sea un planteamiento factible de ser im- G, es la conductancia estacionaria del arco y
plementado a corto plazo en microprocesadores
para tareas en tiempo real, como se requiere en τ, es la constante de tiempo.
los sistemas de protección. Además, utiliza las G, es la conductancia que se mediría si la con-
señales más reales posibles, incluyendo en las si- dición del arco primario fuera sostenida por un
mulaciones, los modelos adecuados de los trans- período largo de tiempo desde una fuente externa
formadores de medida (tensión e intensidad). La y puede ser representada mediante la función ex-
metodología propuesta, fue validada para un sis- puesta en la ecuación (2):
tema sencillo de dos barras a 380 kV, simulado
mediante ATP/EMTPy analizado en Matlab.
i
G= (2)
Modelación del arco (uo + R ⋅ i ) ⋅ l
El análisis propuesto, se basa precisamente en la Donde:
extracción de la información que incorpora a las
uo es una constante y es definida en por unidad de
señales de tensión e intensidad del sistema eléctri-
la longitud del arco.
co, el arco eléctrico que puede o no estar presente
en la falta monofásica estudiada. Si no hay arco, se R, es la componente resistiva del arco, en por uni-
estaría tratando de una falta con muy alta probabi- dad de longitud.
lidad de ser permanente, mientras que su presencia
determina la transitoriedad de la falta, por formar l, es la longitud del arco, la cual puede variar con
parte de ella el canal ionizado de aire que hay en- el tiempo.
tre el conductor energizado y otro posiblemente a i, es la corriente del arco.
tierra. Por tanto, el modelo que se tome del arco
primario y secundario de falta, es crucial en la pre- En general, para el arco primario, se asume que la
cisión de la metodología que se trabaje. longitud del arco es constante, dado el corto tiem-
po de interrupción. Los parámetros utilizados se
Existen diversos trabajos [14, 15, 16, 17, 18] muestran en la Tabla 1 y se obtuvieron de [18],
donde se plantea el uso adecuado de modelos para un sistema de 380 kV, muy cercano al de la
del arco de falta, para simular de una forma más aplicación de este trabajo.
real el comportamiento de las señales de tensión
y corriente registradas en las barras de las subes- Tabla 1 Parámetros del modelo de arco eléctrico
taciones. El modelo seleccionado, es el de arco
dinámico desarrollado por el Prof. Kizilcay [14, uo R (mΩ/ τ
Parámetro l (cm)
16]. El modelo es relativamente sencillo de im- (V/cm) cm) (ms)
plementar en el ATP, específicamente en el len- Valor 9,6 1 0,8 350
guaje de programación MODELS [19]. La ecua-
ción del arco derivada desde un punto de vista de La solución de la ecuación diferencial, se ejecuta
sistemas de control, está basada en el balance de por medio de la instrucción LAPLACE disponi-

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ble en el lenguaje MODELS de ATP, mediante sea mediante la estimación de las componentes de
la instrucción (LAPLACE(gp/G):= (1|s0) / (1|s0 frecuencia fundamental o utilizando directamente
+ TAU|s1)). El modelo se incorpora al sistema la información en frecuencia, en tiempo o en tiem-
como una resistencia variable controlada desde el po-escala, para extraer las características más im-
lenguaje de programación (RTACS), tal como se portantes de las componentes de alta frecuencia.
muestra en la figura 1.

Figura 1 Modelo del Arco Eléctrico, a través de una
R variable, controlada desde MODELS

En la figura 2 se muestra la respuesta del voltaje
registrado en el punto de falta, con y sin el mode-
lo de arco primario anteriormente descrito. Como
puede notarse, aunque la falta sea a salida a tierra
como en el caso expuesto (voltaje nulo en el pun-
to de falta), al incluir el modelo del arco, puede
llegar a tener pico de hasta 15 kV (5% de la ten-
sión pico base del sistema), lo cual favorece en
cierta medida a la generación de ondas viajeras,
aún ante bajos ángulos de inserción y será este he-
cho probado, parte fundamental del criterio para
distinguir faltas permanentes de transitorias. Figura 2 Tensión en el punto de falta con y sin
modelo del arco
Estudio del problema
En el presente trabajo, para extraer la informa-
Al ocurrir una falta monofásica en una línea de ción relevante de las señales, se va a trabajar con
transporte de energía en alta tensión (ver Figura 3), las componentes de alta frecuencia. Tal como lo
las señales de tensión e intensidad medidas en una muestran las siguientes figuras, con la informa-
de los nudos cercanos, se ven alteradas. El análisis ción de alta frecuencia analizada adecuadamente,
de esas alteraciones puede permitir extraer conclu- se puede tener información suficiente para: Dis-
siones importantes acerca del tipo de falta, distan- tinguir entre faltas transitorias y permanentes,
cia, etc. Ese estudio se puede llevar a cabo, bien utilizando:

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Figura 3 Simulación de Faltas Permanentes y
transitorias

La información de las señales de tensión de la
fase en falta. Debe resaltarse que la información
es relevante (después del período transitorio de-
bido a la propia falta), tanto antes como después
del despeje monofásico (Figura 4 ).
La información de las señales de intensidad de
cualquiera de las fases no involucradas en la fal-
ta. Debe resaltarse que la información es relevante
solo después del despeje monofásico (Figura 5 b).
Está clara la distinción entre las dos condiciones
de falta, en virtud de la distorsión de la señal de
corriente en el caso de transitoriedad de la falta.

Determinar el instante de extinción del
arco
Esta condición es importante (solo en caso de
faltas transitorias), ya que permite establecer en
forma certera el instante en que el medio se ha
desionizado y que por lo tanto la condición de
reconexión será exitosa. En general existen mu-
chos métodos para estimar el tiempo de extinción
del arco secundario, pero la mayoría son del tipo Figura 4 Análisis de las señales de tensión en la
probabilística (dada la naturaleza de las varia-
fase en falla (con y sin Arco). (a) Visión general, (b)
bles involucradas), por lo que siempre existirá un
margen de error en la maniobra. De la forma pro- detalle del período de falla antes del despeje y (c)
puesta (analizando en tiempo real las señales), se período después del despeje y hasta extinción del
puede garantizar de forma adecuada, la maniobra arco.
de reconexión.
Al igual que en el punto anterior, esta informa- La información de las señales de intensidad de
ción puede extraerse de: cualquiera de las fases no involucradas en la
falta. Igual que en el caso anterior, la barrera
La información de las señales de tensión de la que indica ese cambio de estado, viene deter-
fase en falta. Tras la desaparición de las compo- minada por la desaparición de los componentes
nentes de alta frecuencia, como se muestra en la de distorsión, tal como se evidencia en la Figura
Figura 4 c. 5c.

180


que la información contenida en el primer detalle
está en el rango de (2,5 – 5 kHz).
Un ejemplo de la señal resultante al aplicar la
transformada Wavelet (detalle 1), se muestra en
la figura 6.

Figura 6 Detalle 1 de la Transformada Wavelet, de
la señal de tensión de la figura 4b

Posteriormente, ésta información se compara me-
diante una función de correlación cruzada, con
un segmento inicial de la propia señal (parte que
contiene información transitoria (Figura 6) y el
resto de la misma. La magnitud acumulada de la
correlación, durante los primeros 25 ms, se com-
Figura 5 Análisis de las señales de intensidad en parará con un valor umbral (Kc), definiendo de
la fase B, ante una falta Monofásica en la fase A (con esta manera el tipo de falta de que se trata.
y sin Arco). (a) Visión general, (b) detalle del período En principio, las tareas del algoritmo se han divi-
de falla antes del despeje y (c) período después del dido en dos:
despeje y hasta extinción del arco a. Determinar si la falta es transitoria o per-
manente. El objetivo es decidir acerca del
Metodología Propuesta bloqueo de la operación de reconexión en
El método propuesto en el siguiente trabajo, se caso de falta permanente ó iniciar la tarea b.
basa en la extracción de los componentes de alta
b. Determinar el instante de desaparición o ex-
frecuencia de la señal de interés. Estos compo-
tinción del arco secundario. El objetivo es pre-
nentes son obtenidos mediante la Transformada
cisamente decidir el instante de tiempo a partir
Wavelet. Esta transformación tiempo – escala, ha
del cual se puede dar la orden de reconexión
sido descrita en [9-13]. En el caso particular trata-
(de la forma más rápida y confiable posible).
do, se va a utilizar el detalle 1 (filtro pasa alto) de
la función madre “daubechies 6”. Para la frecuen- A continuación, se van a desarrollar cada uno de
cia de muestreo seleccionada de 10 kHz, implica esos puntos:

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Determinar si la falta es transitoria o anterior, se utilizará una correlación cruzada en-
permanente tre una señal de referencia (tomada del periodo
transitorio del despeje) y la propia señal de inten-
En este punto, se va a trabajar con la señal de tensión
sidad (Figura 5b). El criterio se obtiene mediante
de la fase en falta. Para ello, es preciso tener como
la observación detallada de la figura 5c. Tal que,
información el resultado previo de un algoritmo de
si la correlación acumulada no varía en un Kd por
clasificación de faltas e identificación de las fases
ciento durante ¼ de ciclo, entonces el arco se ha
involucradas. Es de hacer notar que este algoritmo
extinto. Esto se debe a que una vez extinguido el
solo se habilitará en caso de faltas monofásicas a
arco, la señal deja de tener perturbaciones y por
tierra. La señal de referencia se toma en el primer ¼
tanto, la correlación en esas nuevas ventanas, es
de ciclo de la tensión (Figura 4b) y luego se corre-
prácticamente nula. Por tanto el valor de Kd, debe
laciona con la señal en ventanas de igual longitud.
ser suficientemente bajo como para garantizar la
La función de correlación cruzada utilizada para el
decisión; en principio se ha fijado Kd = 10%.
estudio, es la que se muestra en la ecuación (3).

Algoritmo general de reconexión

(3) En la figura 7, se resume en forma general, el al-
goritmo planteado. Como se observa, la metodo-
logía no forma parte del algoritmo de protección
de la línea, sino que empieza por una orden de
Donde N es el número de muestras este. Para ello, se necesita: a.- Condición de fal-
Sr es una señal fija de referencia (1/4 de ciclo de ta, b.- Falta Monofásica, c.- Identificación de la
la señal transitoria) y, fase en falta, d.- Habilitación del procedimiento
de despeje y reconexión monofásica.
Vm es la señal analizada en una ventara del mis-
mo tamaño que la referencia. A su vez, el algoritmo planteado debe tener posi-
bilidad de enviar dos condicionantes binarios al
El valor de referencia de la correlación, se acu- esquema de reconexión: a.- Bloqueo o permiso
mula en las evaluaciones sucesivas (hasta 25 ms de reconexión (falta permanente o transitoria), b.-
desde el instante de detectada la falta) y el criterio Condicionante para iniciar reconexión.
de evaluación, se muestra en la ecuación (4):

(4)

Si > Kc → Falta Transitoria

Si < Kc → Falta Permanente
Kc es el umbral, determinado en principio de forma
empírica, para el sistema analizado en particular.

Determinar el instante de desaparición o
extinción del arco secundario
En este punto, se va a trabajar con la señal de
intensidad de cualquiera de las fases no involu-
cradas en la falta (sanas) y se comienza a ejecutar
una vez efectuado el despeje monofásico y solo
para faltas transitorias. Al igual que en el caso Figura 7 Diagrama de flujo general

182


Planteamiento de casos los transformadores de medida, tal como se des-
criben en [23].
El caso base de análisis planteado para la re-
visión del algoritmo, se muestra en la figura 8. Para validar la metodología propuesta, se plan-
Tiene como datos generales: 380 kV de tensión tearon los siguientes escenarios a estudiar sobre
nominal, 50 Hz. MVAcc3fG1= 5 GVA y MVAcc3fG2= el caso base (Tabla 2).
2 GVA. Y una diferencia angular de 5º.

Figura 8 Esquema básico de estudio

El modelo se desarrolló en ATP/EMTP [19-23],
tal como se muestra en la figura 9. Las líneas fue-
ron modeladas con parámetros dependientes de 9 Figura
Figura 9 Sistema modelado en ATP
la frecuencia, se incluyó un modelo completo de
Tabla 2 Rango de parámetros a variar en el estudio

Parámetro Unidades Valores
Rf Ω 0 10
Tc (º) 0 45 90 155 280 270 315

Localización (∆d) Km Figura 10 10

Resultados observar con claridad la distinción en este pará-
metro entre las dos condiciones planteadas. Lo
En total, se han estudiado 144 escenarios para mismo sucede en condiciones de falta lejana, con
cada fase en falta, variando los parámetros más bajos ángulos de inserción, como se muestra en
influyentes. En función de los resultados obteni- la figura 11.
dos, se puede establecer, el valor de los umbrales
Kc y Kd, para las dos tareas de la metodología Con los resultados mostrados en la figura 12, se
propuesta. Figura 11
puede obtener el valor del umbral Kc. Se observa
que hay un margen suficiente de seguridad en to-
Determinar si la falta es transitoria o dos los casos estudiados (Kcseleccionado = 1800).
permanente
Determinar el instante de desaparición o
Como ejemplo, en la figura 10. se presenta la va- extinción del arco secundario
riación temporal del acumulado de la correlación
cruzada de la señal de tensión en la fase A, para La determinación del instante de extinción del
una falta monofásica A-T, tanto para el caso con arco secundario, tras el despeje monofásico, se
arco, como sin arco, para una Rf de 0 Ω y un realiza mediante una correlación cruzada de la
ángulo de inserción de 315º, a 10 Km. Se puede señal de intensidad de alguna de las fases sanas

183


de la línea (la correlación es entre el período tran- a partir de dicho instante de tiempo. Esto puede
sitorio de los primeros instantes y el resto de la observarse en la figura 14, para varios instantes
señal). Para ello, sólo se utilizan las componentes de extinción. Queda así claro, que la metodolo-
de alta frecuencia de la señal, que son extraídas gía planteada es válida y que el margen del 10%
mediante la transformada Wavelet, tal como se de variación (Kd) es suficiente para garantizar el
muestra en la figura 13. envío de una orden de reconexión al sistema de
protección asociado.

Figura 10 Falta Monofásica en la fase A, a 10 Km
de la barra de medición, 0 Ωde Rf y 315º de ángulo
de inserción Figura 12 Variación de los valores máximos de la
correlación cruzada acumulada, para cada uno de
los escenarios estudiados, para el caso de una falta
monofásica en la fase A

Figura 11 Comparación entre escenarios de 0 y 10
Ω de Rf, para falta monofásica en la fase B a 90 Km y
con ángulo de inserción de 0º
Una vez que se extingue el arco, la componente Figura 13 Transformada Wavelet de la señal de
de alta frecuencia de la señal de intensidad, es intensidad de la fase B, ante una falta monofásica
despreciable, por lo que el valor del acumulado en la fase A, a 40 Km, 0 Ω de Rf y 0º de ángulo de
de la correlación cruzada se mantiene constante
inserción

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reconexión rápido y seguro, pues garantiza dos Universidad Politécnica de Madrid. Abril 2005.
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