Published January 1, 2020 | Version v1
Publication Open

A Novel Methodology for the Determination of Impulse Response Coefficients Applied to Transmission Line Protection Relays

  • 1. Politecnica Salesiana University
  • 2. National University of San Juan
  • 3. Universidad Autónoma de Nuevo León

Description

Impulse Response Coefficients (IRC) of digital filters is an imperative step in the development of transmission line protection relay algorithms. Traditionally, Fourier-based filters are used in real applications, where IRC are fixed values of sine and cosine functions with a data window of one or more cycles. Based on state-of-the-art, Mother Wavelet coefficients used in Multiresolution Analysis, and Structuring Element coefficients used in Mathematical Morphology are usually proposed to develop protection algorithms. However, the proper choice of these coefficients is based on empirical process of trial and error. This paper proposes a novel methodology for optimally determining coefficients that depend on the waveform structure analyzed, which is determined using variance as the metric. Assessment of methodology for three case studies considering requirements of relay manufactures (response time, design, harmonic attenuation and other) is presented. The first assessment is to extract coefficients useful for distinguishing among non-fault conditions, harmonics, and arcing faults. The second one is to extract coefficients to filter harmonic components. The assessment is carried out considering different data windows and sampling rates. Test results highlight the efficiency of the model to determine specific coefficients for each case study analyzed. Interestingly, results also showed that the discovered coefficients can be used in another filtering technique. Thus, the third case study involves developing two fault classifiers, which are developed using mathematical morphology where the structuring elements used correspond to the coefficient vectors determined through the proposed methodology. There is a notable paucity of scientific literature focusing on this topic. Therefore, there are several important areas where this study makes an original contribution regarding protection relays.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعد معاملات الاستجابة الاندفاعية (IRC) للمرشحات الرقمية خطوة حتمية في تطوير خوارزميات ترحيل حماية خط النقل. تقليديًا، تُستخدم المرشحات المستندة إلى فورييه في التطبيقات الحقيقية، حيث تكون لجنة الإنقاذ الدولية قيمًا ثابتة لوظائف الجيب وجيب التمام مع نافذة بيانات لدورة واحدة أو أكثر. استنادًا إلى أحدث معاملات الموجات الأم المستخدمة في تحليل الحلول المتعددة، عادةً ما يتم اقتراح معاملات عنصر الهيكلة المستخدمة في علم الصرف الرياضي لتطوير خوارزميات الحماية. ومع ذلك، يعتمد الاختيار الصحيح لهذه المعاملات على العملية التجريبية للتجربة والخطأ. تقترح هذه الورقة منهجية جديدة لتحديد المعاملات التي تعتمد على بنية الشكل الموجي التي تم تحليلها على النحو الأمثل، والتي يتم تحديدها باستخدام التباين كمقياس. يتم تقديم تقييم منهجية لثلاث دراسات حالة مع مراعاة متطلبات مصنعي المرحلات (وقت الاستجابة والتصميم والتوهين التوافقي وغيرها). التقييم الأول هو استخراج معاملات مفيدة للتمييز بين الظروف غير الخاطئة والتوافقيات وأخطاء التقوس. والثاني هو استخراج المعاملات لتصفية المكونات التوافقية. يتم إجراء التقييم مع مراعاة نوافذ البيانات المختلفة ومعدلات أخذ العينات. تسلط نتائج الاختبار الضوء على كفاءة النموذج لتحديد معاملات محددة لكل دراسة حالة يتم تحليلها. ومن المثير للاهتمام أن النتائج أظهرت أيضًا أنه يمكن استخدام المعاملات المكتشفة في تقنية ترشيح أخرى. وبالتالي، تتضمن دراسة الحالة الثالثة تطوير مصنفين للخطأ، يتم تطويرهما باستخدام المورفولوجيا الرياضية حيث تتوافق عناصر الهيكلة المستخدمة مع متجهات المعامل المحددة من خلال المنهجية المقترحة. هناك ندرة ملحوظة في الأدبيات العلمية التي تركز على هذا الموضوع. لذلك، هناك العديد من المجالات المهمة التي تقدم فيها هذه الدراسة مساهمة أصلية فيما يتعلق بمرحلات الحماية.

Translated Description (French)

Les coefficients de réponse impulsionnelle (IRC) des filtres numériques sont une étape impérative dans le développement d'algorithmes de relais de protection des lignes de transmission. Traditionnellement, les filtres à base de Fourier sont utilisés dans des applications réelles, où les IRC sont des valeurs fixes de fonctions sinus et cosinus avec une fenêtre de données d'un ou plusieurs cycles. Sur la base de l'état de l'art, les coefficients d'ondelettes mères utilisés dans l'analyse multirésolution et les coefficients d'éléments structurants utilisés en morphologie mathématique sont généralement proposés pour développer des algorithmes de protection. Cependant, le bon choix de ces coefficients est basé sur un processus empirique d'essais et d'erreurs. Cet article propose une nouvelle méthodologie pour déterminer de manière optimale les coefficients qui dépendent de la structure de forme d'onde analysée, qui est déterminée en utilisant la variance comme métrique. L'évaluation de la méthodologie pour trois études de cas tenant compte des exigences des fabricants de relais (temps de réponse, conception, atténuation harmonique et autres) est présentée. La première évaluation consiste à extraire des coefficients utiles pour distinguer les conditions sans défaut, les harmoniques et les défauts d'arc. La seconde consiste à extraire des coefficients pour filtrer les composantes harmoniques. L'évaluation est effectuée en tenant compte des différentes fenêtres de données et des taux d'échantillonnage. Les résultats des tests mettent en évidence l'efficacité du modèle pour déterminer des coefficients spécifiques pour chaque étude de cas analysée. Fait intéressant, les résultats ont également montré que les coefficients découverts peuvent être utilisés dans une autre technique de filtrage. Ainsi, la troisième étude de cas implique le développement de deux classificateurs de défauts, qui sont développés en utilisant une morphologie mathématique où les éléments structurants utilisés correspondent aux vecteurs de coefficients déterminés par la méthodologie proposée. Il existe un manque notable de littérature scientifique sur ce sujet. Par conséquent, il y a plusieurs domaines importants où cette étude apporte une contribution originale en ce qui concerne les relais de protection.

Translated Description (Spanish)

Los coeficientes de respuesta al impulso (IRC) de los filtros digitales son un paso imprescindible en el desarrollo de algoritmos de relé de protección de la línea de transmisión. Tradicionalmente, los filtros basados en Fourier se utilizan en aplicaciones reales, donde los IRC son valores fijos de funciones seno y coseno con una ventana de datos de uno o más ciclos. Con base en el estado de la técnica, los coeficientes de onda madre utilizados en el análisis multirresolución y los coeficientes de elementos estructurantes utilizados en la morfología matemática generalmente se proponen para desarrollar algoritmos de protección. Sin embargo, la elección adecuada de estos coeficientes se basa en un proceso empírico de ensayo y error. Este artículo propone una metodología novedosa para determinar de manera óptima los coeficientes que dependen de la estructura de la forma de onda analizada, que se determina utilizando la varianza como métrica. Se presenta la evaluación de la metodología para tres estudios de casos que consideran los requisitos de los fabricantes de relés (tiempo de respuesta, diseño, atenuación armónica y otros). La primera evaluación es extraer coeficientes útiles para distinguir entre condiciones sin fallas, armónicos y fallas de arco. El segundo es extraer coeficientes para filtrar componentes armónicos. La evaluación se realiza considerando diferentes ventanas de datos y tasas de muestreo. Los resultados de las pruebas destacan la eficiencia del modelo para determinar coeficientes específicos para cada caso de estudio analizado. Curiosamente, los resultados también mostraron que los coeficientes descubiertos se pueden utilizar en otra técnica de filtrado. Así, el tercer estudio de caso involucra el desarrollo de dos clasificadores de fallas, que se desarrollan utilizando morfología matemática donde los elementos estructurantes utilizados corresponden a los vectores de coeficientes determinados a través de la metodología propuesta. Existe una notable escasez de literatura científica centrada en este tema. Por lo tanto, hay varias áreas importantes en las que este estudio hace una contribución original con respecto a los relés de protección.

Files

09003215.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b6fe635113f955cc5f6e82c1a147c446
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
منهجية جديدة لتحديد معاملات الاستجابة الاندفاعية المطبقة على مرحلات حماية خط النقل
Translated title (French)
Une nouvelle méthodologie pour la détermination des coefficients de réponse impulsionnelle appliquée aux relais de protection des lignes de transmission
Translated title (Spanish)
Una nueva metodología para la determinación de los coeficientes de respuesta al impulso aplicados a los relés de protección de la línea de transmisión

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3007998096
DOI
10.1109/access.2020.2975137

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W113485662
  • https://openalex.org/W1500530370
  • https://openalex.org/W1547913733
  • https://openalex.org/W1604716476
  • https://openalex.org/W1607032092
  • https://openalex.org/W1607361541
  • https://openalex.org/W1823527145
  • https://openalex.org/W1827458006
  • https://openalex.org/W1968434056
  • https://openalex.org/W1969658119
  • https://openalex.org/W1972423026
  • https://openalex.org/W1980008891
  • https://openalex.org/W1980907288
  • https://openalex.org/W1988431949
  • https://openalex.org/W1989536919
  • https://openalex.org/W1991191135
  • https://openalex.org/W1995623135
  • https://openalex.org/W1996052129
  • https://openalex.org/W1997697737
  • https://openalex.org/W1998223150
  • https://openalex.org/W2004513593
  • https://openalex.org/W2011213362
  • https://openalex.org/W2016494280
  • https://openalex.org/W2020076411
  • https://openalex.org/W2025360000
  • https://openalex.org/W2026223754
  • https://openalex.org/W2027507089
  • https://openalex.org/W2041908631
  • https://openalex.org/W2045174845
  • https://openalex.org/W2046868796
  • https://openalex.org/W2055904311
  • https://openalex.org/W2057163688
  • https://openalex.org/W2065882815
  • https://openalex.org/W2070193664
  • https://openalex.org/W2071062166
  • https://openalex.org/W2071238544
  • https://openalex.org/W2076035429
  • https://openalex.org/W2082201849
  • https://openalex.org/W2102657560
  • https://openalex.org/W2111430956
  • https://openalex.org/W2119890268
  • https://openalex.org/W2120764660
  • https://openalex.org/W2123932534
  • https://openalex.org/W2132984323
  • https://openalex.org/W2133047736
  • https://openalex.org/W2144877307
  • https://openalex.org/W2157754252
  • https://openalex.org/W2165427810
  • https://openalex.org/W2168072426
  • https://openalex.org/W2209508724
  • https://openalex.org/W2283979079
  • https://openalex.org/W2293127260
  • https://openalex.org/W2315621489
  • https://openalex.org/W2320260008
  • https://openalex.org/W2381810789
  • https://openalex.org/W2484297990
  • https://openalex.org/W2495512350
  • https://openalex.org/W2542650540
  • https://openalex.org/W2581430861
  • https://openalex.org/W2605083694
  • https://openalex.org/W2788716133
  • https://openalex.org/W2796853266
  • https://openalex.org/W2899509168
  • https://openalex.org/W2906776124
  • https://openalex.org/W2948259124
  • https://openalex.org/W2970217940
  • https://openalex.org/W2976269899
  • https://openalex.org/W3140843971
  • https://openalex.org/W3140948990
  • https://openalex.org/W3147196236
  • https://openalex.org/W4213338549
  • https://openalex.org/W4292023222
  • https://openalex.org/W49877358