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Pre-Fault Voltage Discrimination and Time-Domain Protection for Distribution Networks with Inverter-Based Resources

Este artículo propone una estrategia de discriminación de voltaje pre-falla integrada con protección en el dominio del tiempo para mejorar la velocidad y confiabilidad de la detección de fallas en redes de distribución con recursos basados en inversores, abordando las limitaciones de la protección de sobrecorriente tradicional mediante validación en hardware-in-the-loop tanto fuera de línea como en tiempo real.

Autores originales: Junyuan Zhao, François Bouffard, Géza Joós

Publicado 2026-06-10

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CC BY 4.0

Autores originales: Junyuan Zhao, François Bouffard, Géza Joós

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina la red eléctrica como un vasto sistema de autopistas de alta velocidad. Durante décadas, los "policías de tráfico" (relés de protección) que mantienen este sistema seguro han sido entrenados para buscar signos específicos de problemas: un aumento masivo en el volumen de tráfico (corriente alta) o un patrón específico de movimiento (cambios de frecuencia).

Sin embargo, la autopista está cambiando. Estamos añadiendo cada vez más "coches inteligentes" (Recursos Basados en Inversores, o IBR, como paneles solares y baterías). A diferencia de las centrales eléctricas de la vieja escuela, que actúan como camiones pesados capaces de rugir al detenerse y empujar con fuerza cuando ocurre un accidente, estos coches inteligentes son suaves. Si ocurre un choque, no generan un gran aumento de energía para avisar al policía de tráfico. Apenas se inmutan.

El Problema:
Debido a que estos coches inteligentes no crean un gran "aumento", los antiguos policías de tráfico no pueden ver los accidentes. Podrían pensar que todo está bien cuando, en realidad, acaba de ocurrir un cortocircuito (un choque). Esto es peligroso porque el sistema necesita reaccionar instantáneamente para evitar apagones generalizados.

La Solución: Un Nuevo Tipo de Policía de Tráfico
Los autores de este artículo proponen una nueva estrategia llamada Discriminación de Voltaje Pre-Falla (PVD, por sus siglas en inglés) combinada con Protección en el Dominio del Tiempo. Así es como funciona, utilizando analogías simples:

1. Escuchar el "chasquido" en lugar del "rugido"

La protección tradicional espera un "rugido" fuerte (un gran pico de corriente). El nuevo método escucha el "chasquido" de una onda viajera.

La Analogía: Imagina una cuerda larga. Si tiras de ella repentinamente, una onda viaja por la cuerda. Incluso si eres suave, en el momento en que tiras de ella, la cuerda cambia de forma instantáneamente.
La Ciencia: Cuando ocurre una falla, esta crea una onda de cambio de voltaje diminuta y ultra rápida que viaja a la velocidad de la luz. El nuevo algoritmo no espera a que la onda se haga grande; detecta el instante en que la onda comienza a moverse observando qué tan rápido está cambiando el voltaje (el "chasquido"). Esto permite detectar una falla en microsegundos, mucho más rápido que esperar a que la corriente se acumule.

2. La comprobación de "Antes y Después" (Voltaje Pre-Falla)

El mayor desafío es que, a veces, un evento normal (como accionar un interruptor para encender una luz o cargar un transformador) puede parecerse un poco a una falla. El algoritmo debe distinguir entre una "falsa alarma" y un choque real.

La Analogía: Piensa en un guardia de seguridad revisando la identificación de una persona.
- Método Antiguo: "Si pareces aterrador (gran corriente), te detengo". (Falla si el intruso es pequeño).
- Nuevo Método: "Reviso tu identificación antes de que entraras. Si eras una persona normal (voltaje normal) y luego cambiaste tu comportamiento drásticamente en comparación con esa línea base, sé que algo anda mal".
La Ciencia: El algoritmo compara el tamaño del "chasquido" (la onda de la falla) contra el voltaje que estaba presente justo antes del evento.
- Si el "chasquido" es enorme en comparación con el fondo, es una falla.
- Si el "chasquido" es pequeño, podría ser simplemente el encendido de un interruptor normal. El sistema entonces aplica un retraso diminuto de una fracción de segundo para verificar dos veces, asegurándose de no entrar en pánico ante un evento inofensivo.

3. La trampa de la "Corriente de Inrush del Transformador"

Un "falso positivo" específico ocurre cuando se enciende un transformador (un dispositivo que cambia el voltaje). Este absorbe una enorme ráfaga de energía que parece un cortocircuito.

La Analogía: Imagina una aspiradora. Cuando la enciendes por primera vez, hace un ruido fuerte y caótico mientras el motor arranca. Una alarma contra incendios podría confundir esto con un incendio.
La Solución: El nuevo algoritmo utiliza un "emparejamiento de patrones" matemático. Sabe que una falla real crea una curva eléctrica suave y predecible. El encendido de un transformador crea una curva "no lineal" y desordenada (como el ruido caótico de la aspiradora). Al comprobar si la señal eléctrica se ajusta a un patrón suave, el sistema puede ignorar el arranque del transformador y solo disparar ante fallas reales.

4. La Red de Seguridad

¿Qué pasa si la falla ocurre exactamente cuando el voltaje está en cero (el momento "más silencioso")? El "chasquido" podría ser demasiado tenue para escucharse.

La Analogía: Si un coche choca en una habitación insonorizada, podrías no escuchar el choque.
La Solución: El sistema tiene un plan de respaldo. Si el detector de "chasquido" está en silencio, recurre a una comprobación de "sobrecorriente" tradicional (buscando un gran aumento). Aunque esto es más lento, asegura que ninguna falla se pase por alto, incluso las más silenciosas.

Los Resultados

Los autores probaron este nuevo "policía de tráfico" de dos maneras:

Simulaciones por Computadora: Crearon una red eléctrica virtual con paneles solares y baterías, y simularon choques, encendidos de interruptores y arranques de transformadores. El nuevo sistema detectó cada choque instantáneamente e ignoró cada falsa alarma.
Hardware-in-the-Loop (C-HIL): Conectaron su código real a un simulador en tiempo real que actúa como una red eléctrica física. Incluso con las limitaciones del hardware real, el sistema reaccionó en milisegundos, mucho más rápido que los métodos tradicionales.

En Resumen:
Este artículo presenta una forma más inteligente de proteger las redes eléctricas llenas de sistemas solares y de baterías. En lugar de esperar un "rugido" fuerte de electricidad que estos nuevos sistemas no producen, el nuevo método escucha el pequeño e instantáneo "chasquido" de una onda de falla. Utiliza una comparación de "antes y después" para ignorar falsas alarmas y una comprobación de patrones para ignorar los arrances de transformadores, asegurando que la red se mantenga segura y rápida sin dispararse innecesariamente.

Resumen Técnico: Discriminación de Voltaje Pre-Falla y Protección en el Dominio del Tiempo para Redes de Distribución con Recursos Basados en Inversores

Planteamiento del Problema
La creciente integración de Recursos Basados en Inversores (IBR, por sus siglas en inglés) en las redes de distribución plantea un desafío significativo para la protección de sobrecorriente tradicional basada en fasores (por ejemplo, ANSI 51). A diferencia de las máquinas síncronas, los IBR carecen de la capacidad de suministrar corrientes de cortocircuito elevadas, lo que resulta frecuentemente en corrientes de falla insuficientes para activar los relés de sobrecorriente convencionales. Además, los relés tradicionales en el dominio de la frecuencia requieren ventanas de datos de uno a uno y medio ciclo para una estimación precisa de la señal, lo que genera retrasos en la detección que son subóptimos para los requisitos de las redes modernas. Si bien se ha explorado la protección en el dominio del tiempo utilizando ondas viajeras (TW, por sus siglas en inglés) para sistemas de transmisión, su aplicación en redes de distribución se ve obstaculizada por dos factores principales: los niveles de voltaje más bajos (que resultan en amplitudes de TW menores) y la dificultad para distinguir las TW inducidas por fallas de aquellas generadas por operaciones de conmutación normales y corrientes de inrush de transformadores.

Metodología
El artículo propone un algoritmo de protección en el dominio del tiempo centrado en una estrategia de Discriminación de Voltaje Pre-Falla (PVD). La metodología descompone la evolución de la falla en tres etapas: la llegada del primer frente de onda de falla, la reflexión de las TW y la transición al comportamiento de parámetros concentrados en estado estacionario.

El algoritmo central opera a través de un proceso de tres pasos:

Detección de Onda Viajera (Paso I): En lugar de depender únicamente de umbrales de amplitud, que pueden ser poco fiables para TW de baja magnitud, el algoritmo detecta la llegada de una TW monitoreando la tasa de cambio del voltaje ($dV/dt$). Se marca una TW si el cambio instantáneo en el voltaje excede un umbral derivado del $dV/dt$ histórico máximo durante la operación en estado estacionario. Este enfoque es independiente de la amplitud absoluta de la TW.
Disparo Rápido para Eventos de No Conmutación (Paso II): Una vez detectada una TW, el algoritmo calcula la relación entre la amplitud de la TW ( $V_{TW}$ $V_{T W}$ ) y el voltaje pre-falla ( $V(t-1)$ $V (t - 1)$ ), denominada Relación de Voltaje Pre-falla de la Onda Viajera (TWPV).
- Si el TWPV es alto (típicamente $\ge 1$ ) y la polaridad de la TW es opuesta al voltaje pre-falla, el evento se clasifica como una falla y se emite una señal de disparo inmediatamente.
- Si el voltaje pre-falla es cercano a cero (escenario de TWPV bajo), el algoritmo aplica un retardo de verificación para evitar disparos falsos debido a errores numéricos o ruido de la señal.
Discriminación de Inrush y Conmutación (Paso III): Para eventos que activan la detección inicial de TW (Paso I) pero que no cumplen con los criterios de TWPV (Paso II), el algoritmo realiza una verificación de no linealidad para distinguir entre fallas y la corriente de inrush de un transformador.
- El algoritmo modela la respuesta de corriente esperada de un circuito RL lineal utilizando un ajuste de mínimos cuadrados sobre una ventana de tiempo corta ( $\Delta \tau_3$ ).
- Calcula la Suma de Errores Cuadráticos (SSE) entre la corriente medida y el modelo lineal estimado.
- Las corrientes de inrush de transformadores, al ser altamente no lineales, producen un SSE significativamente mayor en comparación con la respuesta lineal de una falla. Si el SSE está por debajo de un umbral, el evento se confirma como una falla; de lo contrario, se rechaza como un evento de inrush o de conmutación.
- Se incluye un elemento de Supervisión de Sobrecorriente de respaldo para los casos en los que la detección de TW falle (por ejemplo, fallas que se inician exactamente en el cruce por cero de voltaje), aunque el artículo señala que las fallas de voltaje cero exacto son prácticamente imposibles.

Contribuciones Clave

Discriminación de Voltaje Pre-Falla (PVD): El artículo introduce la PVD como una estrategia para desacoplar la detección de fallas (vía $dV/dt$) de la discriminación de fallas (vía TWPV). Esto permite la detección rápida de fallas incluso cuando las amplitudes de las TW son pequeñas debido a voltajes pre-falla bajos o limitaciones de los IBR.
Discriminación de Inrush en el Dominio del Tiempo: Los autores proponen un método en el dominio del tiempo para distinguir el inrush del transformador de las fallas utilizando el análisis de SSE de la forma de onda de corriente, evitando la latencia del análisis armónico que requiere ventanas de datos largas.
Marco Unificado: El enfoque unifica el análisis de fallas a través de diferentes lapsos de tiempo (desde el frente de onda inicial hasta el estado estacionario) para mejorar tanto la velocidad como la seguridad sin requerir conocimiento previo de los parámetros específicos de la red, como la impedancia de la línea.

Resultos
El algoritmo propuesto fue validado mediante dos métodos principales:

Simulación Offline (EMTP): Se realizaron pruebas en un alimentador de prueba IEEE de 34 nodos modificado con unidades fotovoltaicas conectadas a la red. El algoritmo detectó con éxito todos los tipos de fallas simuladas (incluyendo fallas de alta resistencia y de bajo ángulo) dentro de decenas de microsegundos a pocos milisegundos. Crucialmente, rechazó correctamente todas las operaciones de conmutación normales, incluyendo la energización/desenergización del alimentador y la energización del transformador de la PV (inrush), demostando una alta seguridad.
Simulación en Tiempo Real mediante Hardware-in-the-Loop de Controlador (C-HIL): El algoritmo se implementó en una tarjeta de control conectada a un simulador en tiempo real de una microrred aislada con un sistema de almacenamiento de baterías (modo GFM). Utilizando una tasa de muestreo de 90.9 kHz (menor que los relés de transmisión comerciales), el sistema demostró:
- Dependibilidad: Las fallas con ángulos de inicio tan bajos como $4^\circ$ fueron detectadas en 10 ms (vía sobrecorriente de respaldo) o más rápido (vía elementos de TW).
- Seguridad: Las operaciones de conmutación normales, incluyendo eventos de conexión a la red y cambios de carga, no provocaron disparos falsos.
- Velocidad: El método propuesto superó significativamente a un relé de sobrecorriente de tiempo inverso ANSI 51 simulado, el cual requería de 25 ms a más de 120 ms para la detección, mientras que el método propuesto detectó fallas en menos de 1 ms para ángulos altos y menos de 10 ms para ángulos bajos.

Significancia
El artículo afirma que la estrategia PVD propuesta y el algoritmo en el dominio del tiempo abordan la brecha crítica en la protección de redes de distribución ricas en IBR. Al aprovechar la tasa de cambio del voltaje en lugar de la amplitud absoluta, el método supera la limitación de las bajas corrientes de falla típicas de los IBR. La integración de una verificación de no linealidad en el dominio del tiempo proporciona un mecanismo robusto para distinguir las fallas del inrush del transformador sin la latencia del análisis armónico. Los autores sostienen que este enfoque ofrece una alternativa más rápida, segura y dependiente a la protección de sobrecorriente tradicional, validada a través de simulaciones de hardware tanto offline como en tiempo real. Se identifica como trabajo futuro la extensión del método a redes de múltiples extremos y malladas.

1. Escuchar el "chasquido" en lugar del "rugido"

2. La comprobación de "Antes y Después" (Voltaje Pre-Falla)

3. La trampa de la "Corriente de Inrush del Transformador"

4. La Red de Seguridad

Los Resultados

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