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

Resumo Técnico: Discriminação de Tensão Pré-Falta e Proteção no Domínio do Tempo para Redes de Distribuição com Recursos Baseados em Inversores

Definição do Problema
A crescente integração de Recursos Baseados em Inversores (IBRs) em redes de distribuição impõe um desafio significativo à proteção de sobrecorrente tradicional baseada em fasores (ex: ANSI 51). Diferente das máquinas síncronas, os IBRs carecem da capacidade de fornecer altas correntes de curto-circuito, o que frequentemente resulta em correntes de falta insuficientes para acionar relés de sobrecorrente convencionais. Além disso, os relés tradicionais no domínio da frequência exigem janelas de dados de um a um ciclo e meio para uma estimativa precisa do sinal, levando a atrasos de detecção que são subótimos para os requisitos das redes modernas. Embora a proteção no domínio do tempo utilizando ondas viajantes (TWs) tenha sido explorada para sistemas de transmissão, sua aplicação em redes de distribuição é dificultada por dois fatores principais: os níveis de tensão mais baixos (resultando em amplitudes de TW menores) e a dificuldade em distinguir as TWs induzidas por faltas das geradas por operações normais de manobra e correntes de inrush de transformadores.

Metodologia
O artigo propõe um algoritmo de proteção no domínio do tempo centrado em uma estratégia de Discriminação de Tensão Pré-Falta (PVD). A metodologia decompõe a evolução da falta em três estágios: a chegada da primeira frente de onda de falta, a reflexão das TWs e a transição para o comportamento de parâmetros concentrados em regime permanente.

O algoritmo central opera através de um processo de três etapas:

1. Detecção de Onda Viajante (Etapa I): Em vez de depender apenas de limiares de amplitude, que podem ser pouco confiáveis para TWs de baixa magnitude, o algoritmo detecta a chegada de uma TW monitorando a taxa de variação da tensão ($dV/dt$). Uma TW é sinalizada se a mudança instantânea na tensão exceder um limiar derivado do $dV/dt$ histórico máximo durante a operação em regime permanente. Esta abordagem é independente da amplitude absoluta da TW.
2. Trip Rápido para Eventos de Não-Manobra (Etapa II): Uma vez detectada uma TW, o algoritmo calcula a razão entre a amplitude da TW ($V_{TW}$) e a tensão pré-falta ($V(t-1)$), denominada Razão de Tensão Pré-falta da Onda Viajante (TWPV).
   • Se a TWPV for alta (tipicamente $\ge 1$) e a polaridade da TW for oposta à tensão pré-falta, o evento é classificado como uma falta, e um sinal de trip é emitido imediatamente.
   • Se a tensão pré-falta estiver próxima de zero (cenário de TWPV baixo), o algoritmo aplica um atraso de verificação para evitar disparos falsos devido a erros numéricos ou ruído de sinal pequeno.
3. Discriminação de Inrush e Manobra (Etapa III): Para eventos que disparam a detição inicial de TW (Etapa I), mas falham nos critérios de TWPV (Etapa II), o algoritmo realiza uma verificação de não-linearidade para distinguir entre faltas e inrush de transformadores.
   • O algoritmo modela a resposta de corrente esperada de um circuito RL linear usando um ajuste de mínimos quadrados sobre uma janela de tempo curta ($\Delta \tau_3$).
   • Ele calcula a Soma dos Quadrados dos Erros (SSE) entre a corrente medida e o modelo linear estimado.
   • As correntes de inrush de transformadores, sendo altamente não lineares, produzem um SSE significativamente maior comparado à resposta linear de uma falta. Se o SSE estiver abaixo de um limiar, o evento é confirmado como uma falta; caso contrário, é rejeitado como um evento de inrush ou manobra.
   • Um elemento de Supervisão de Sobrecorrente de backup é incluído para casos onde a detecção de TW falha (ex: faltas iniciando exatamente no cruzamento por zero da tensão), embora o artigo note que faltas de tensão zero exata são praticamente impossíveis.

Principais Contribuições

• Discriminação de Tensão Pré-Falta (PV D): O artigo introduz a PVD como uma estratégia para desacoplar a detecção de falta (via $dV/dt$) da discriminação de falta (via TWPV). Isso permite a detecção rápida de faltas mesmo quando as amplitudes de TW são pequenas devido a tensões pré-falta baixas ou limitações de IBRs.
• Discriminação de Inrush no Domínio do Tempo: Os autores propõem um método no domínio do tempo para distinguir inrush de transformador de faltas usando a análise de SSE da forma de onda de corrente, evitando a necessidade de longas janelas de dados exigidas pela análise harmônica tradicional.
• Estrutura Unificada: A abordagem unifica a análise de falta através de diferentes intervalos de tempo (desde a frente de onda inicial até o regime permanente) para aumentar a velocidade e a segurança sem exigir conhecimento prévio de parâmetros específicos da rede, como a impedância da linha.

Resultos
O algoritmo proposto foi validado através de dois métodos primários:

1. Simulação Offline (EMTP): Testes foram conduzidos em um alimentador de teste IEEE de 34 nós modificado com unidades fotovoltaicas conectadas à rede. O algoritmo detectou com sucesso todos os tipos de faltas simuladas (incluindo faltas de alta resistência e de baixo ângulo) dentro de dezenas de microssegundos a alguns milissegundos. Crucialmente, ele rejeitou corretamente todos os eventos de manobra normais, incluindo energização/desenergização de alimentadores e energização de transformadores de PV (inrush), demonstrando alta segurança.
2. Simulação em Tempo Real via Controller Hardware-in-the-Loop (C-HIL): O algoritmo foi implementado em uma placa de controle conectada a um simulador em tempo real de uma microrede isolada com um sistema de armazenamento de bateria (modo GFM). Usando uma taxa de amostragem de 90,9 kHz (menor que os relés de transmissão comerciais), o sistema demonstrou:
   • Dependabilidade: Faltas com ângulos de incepção tão baixos quanto $4^\circ$ foram detectadas em 10 ms (via sobrecorrente de backup) ou mais rápido (via elementos de TW).
   • Segurança: Operações de manobra normais, incluindo eventos de conexão à rede e mudanças de carga, não dispararam trips falsos.
   • Velocidade: O método proposto superou significativamente um relé de sobrecorrente de tempo inverso ANSI 51 simulado, que exigia de 25 ms a 120 ms para detecção, enquanto o método proposto detectou faltas em menos de 1 ms para faltas de alto ângulo e menos de 10 ms para faltas de baixo ângulo.

Significância
O artigo afirma que a estratégia PVD proposta e o algoritmo no domínio do tempo abordam a lacuna crítica na proteção de redes de distribuição ricas em IBRs. Ao alavancar a taxa de variação da tensão em vez da amplitude absoluta, o método supera a limitação de baixas correntes de falta típicas de IBRs. A integração de uma verificação de não-linearidade no domínio do tempo fornece um mecanismo robusto para distinguir faltas de inrush de transformadores sem a latência da análise harmônica. Os autores afirmam que esta abordagem oferece uma alternativa mais rápida, segura e dependável à proteção de sobrecorrente tradicional, validada através de simulações de hardware offline e em tempo real. O trabalho futuro é identificado como a extensão do método para redes de múltiplas extremidades e malhadas.