En los sistemas de transmisión y distribución de energía eléctrica industrial y de servicios públicos , un relé numérico es un sistema basado en computadora con algoritmos de protección basados en software para la detección de fallas eléctricas . [1] Estos relés también se denominan relés de protección de tipo microprocesador . Son reemplazos funcionales para relés de protección electromecánicos y pueden incluir muchas funciones de protección en una unidad, además de proporcionar funciones de medición, comunicación y autoprueba.
El relé de protección digital es un relé de protección que utiliza un microprocesador para analizar voltajes, corrientes u otras magnitudes de proceso del sistema de energía con el fin de detectar fallas en un sistema de energía eléctrica o un sistema de proceso industrial. Un relé de protección digital también puede denominarse "relé de protección numérico".
Las señales de bajo voltaje y baja corriente (es decir, en el secundario de un transformador de voltaje y transformador de corriente ) se llevan a un filtro de paso bajo que elimina el contenido de frecuencia por encima de aproximadamente 1/3 de la frecuencia de muestreo (un convertidor A/D de relé necesita muestrear más rápido que dos veces por ciclo de la frecuencia más alta que debe monitorear). Luego, la señal de CA es muestreada por el convertidor analógico a digital del relé de 4 a 64 (varía según el relé) muestras por ciclo del sistema de energía. Como mínimo, la magnitud de la cantidad entrante, comúnmente usando conceptos de transformada de Fourier ( RMS y alguna forma de promedio) se usaría en una función de relé simple. Se puede utilizar un análisis más avanzado para determinar ángulos de fase , potencia , potencia reactiva , impedancia , distorsión de forma de onda y otras cantidades complejas .
Para la mayoría de los algoritmos de protección, solo se necesita el componente fundamental, a menos que se utilice un algoritmo de alta velocidad que utilice datos de subciclo para monitorear problemas que cambian rápidamente. Los datos muestreados luego pasan a través de un filtro de paso bajo que elimina numéricamente el contenido de frecuencia que está por encima de la frecuencia fundamental de interés (es decir, la frecuencia nominal del sistema) y utiliza algoritmos de transformada de Fourier para extraer la magnitud y el ángulo de la frecuencia fundamental.
El relé analiza las salidas resultantes del convertidor A/D para determinar si se requiere una acción según sus algoritmos de protección. Los algoritmos de protección son un conjunto de ecuaciones lógicas diseñadas en parte por el ingeniero de protección y en parte por el fabricante del relé. El relé es capaz de aplicar lógica avanzada. Es capaz de analizar si el relé debe dispararse o no dispararse según los parámetros establecidos por el usuario, en comparación con muchas funciones de sus entradas analógicas , entradas de contacto del relé, temporización y orden de secuencias de eventos.
Si se detecta una condición de falla, los contactos de salida funcionan para disparar el o los disyuntores asociados.
La lógica es configurable por el usuario y puede variar desde simplemente cambiar los interruptores del panel frontal o mover los puentes de la placa de circuito hasta acceder a la página web de configuración de parámetros internos del relé a través de un enlace de comunicaciones en otra computadora a cientos de kilómetros de distancia.
El relé puede tener una amplia colección de configuraciones, más allá de lo que se puede ingresar a través de las perillas y diales del panel frontal, y estas configuraciones se transfieren al relé a través de una interfaz con una PC ( computadora personal ), y esta misma interfaz de PC se puede usar para recopilar informes de eventos del relé.
En algunos relés, se conserva un breve historial de todos los datos muestreados para los registros oscilográficos. El registro de eventos incluiría algún medio para que el usuario pueda ver el momento de las decisiones lógicas clave, los cambios de E/S (entrada/salida) del relé y ver, de forma oscilográfica , al menos el componente fundamental de los parámetros analógicos entrantes.
Los relés digitales/numéricos cuentan con una pantalla en el panel frontal o en un terminal a través de una interfaz de comunicación. Esto se utiliza para mostrar los ajustes del relé y los valores de corriente/voltaje en tiempo real, etc.
Los relés digitales más complejos tendrán puertos de protocolo de comunicación y medición, lo que permite que el relé se convierta en un elemento de un sistema SCADA . Los puertos de comunicación pueden incluir RS-232 / RS-485 o Ethernet (cobre o fibra óptica). Los lenguajes de comunicación pueden incluir protocolos Modbus , DNP3 o IEC61850 .
Por el contrario, un relé de protección electromecánico convierte las tensiones y corrientes en fuerzas y pares magnéticos y eléctricos que presionan contra las tensiones del resorte en el relé. La tensión del resorte y las tomas en las bobinas electromagnéticas del relé son los principales procesos mediante los cuales un usuario configura un relé de este tipo.
En un relé de estado sólido , las formas de onda de la tensión y la corriente entrantes se controlan mediante circuitos analógicos, no se registran ni se digitalizan. Los valores analógicos se comparan con los ajustes realizados por el usuario a través de potenciómetros en el relé y, en algunos casos, tomas en transformadores.
En algunos relés de estado sólido, un microprocesador simple realiza parte de la lógica del relé, pero la lógica es fija y simple. Por ejemplo, en algunos relés de estado sólido de sobrecorriente temporal, la corriente alterna entrante primero se convierte en un valor de señal alterna pequeño, luego la corriente alterna se alimenta a un rectificador y filtro que convierte la corriente alterna en un valor de corriente continua proporcional a la forma de onda de la corriente alterna. Se utiliza un amplificador operacional y un comparador para crear una corriente continua que aumenta cuando se alcanza un punto de disparo. Luego, un microprocesador relativamente simple realiza una conversión A/D de velocidad lenta de la señal de corriente continua, integra los resultados para crear la respuesta de la curva de sobrecorriente temporal y se dispara cuando la integración aumenta por encima de un punto de ajuste. Aunque este relé tiene un microprocesador, carece de los atributos de un relé digital/numérico y, por lo tanto, el término "relé de microprocesador" no es un término claro.
El relé digital/numérico fue inventado por George Rockefeller. [2] George lo concibió en su tesis de maestría en 1967-68 en el Newark College of Engineering. [3] Publicó su artículo seminal Fault Protection with a Digital Computer [4] en 1969. Westinghouse desarrolló el primer relé digital con el Prodar 70 [5] que se desarrolló entre 1969 y 1971. Se puso en servicio en una línea de transmisión de 230 kV en la subestación Tesla de PG&E en febrero de 1971 y estuvo en servicio durante seis años. [6] En 2017, George recibió el premio IEEE Halperin Electric Transmission and Distribution Award. [7] El premio fue por "desarrollo pionero y demostración práctica de relés de protección de sistemas de energía eléctrica con técnicas de computadora digital en tiempo real". George fue presidente del comité de control y retransmisión de sistemas de potencia (PSRC) del IEEE (1981-1982), así como miembro del "Subcomité de retransmisión de computadoras", creado por el PSRC en 1971 y disuelto en 1978. Escribió el prólogo del tutorial del PSRC sobre retransmisión de computadoras publicado en 1979.
En 1971, M. Ramamoorty fue el primero en describir [8] el cálculo de la impedancia para la protección de distancia utilizando el análisis de Fourier discreto .
El primer relé numérico/digital basado en microprocesador disponible comercialmente fue fabricado por Edmund O. Schweitzer, III a principios de la década de 1980. SEL , AREVA y ABB Group fueron los primeros precursores que hicieron algunos de los primeros avances del mercado en este campo, pero hoy en día el campo está abarrotado de muchos fabricantes. En la protección de líneas de transmisión y generadores, a mediados de la década de 1990, el relé digital casi había reemplazado al relé de estado sólido y electromecánico en las nuevas construcciones. En las aplicaciones de distribución, el reemplazo por el relé digital se produjo un poco más lentamente. Si bien la gran mayoría de los relés de alimentación en las nuevas aplicaciones actuales son digitales, el relé de estado sólido aún se usa cuando la simplicidad de la aplicación permite relés más simples, lo que permite evitar la complejidad de los relés digitales.
Los elementos de protección hacen referencia a la lógica general que rodea la condición eléctrica que se está monitoreando. Por ejemplo, un elemento diferencial hace referencia a la lógica necesaria para monitorear dos (o más) corrientes, encontrar su diferencia y disparar si la diferencia supera ciertos parámetros. El término elemento y función son bastante intercambiables en muchos casos.
Para simplificar los diagramas unifilares, la función de protección suele identificarse mediante un número de dispositivo ANSI . En la era de los relés electromecánicos y de estado sólido, cualquier relé podía implementar solo una o dos funciones de protección, por lo que un sistema de protección completo puede tener muchos relés en su panel. En un relé digital/numérico, muchas funciones se implementan mediante la programación del microprocesador. Cualquier relé numérico puede implementar una o todas estas funciones.
En Números de dispositivos ANSI se puede encontrar una lista de números de dispositivos . A continuación, se incluye un resumen de algunos números de dispositivos comunes que se ven en los relés digitales: