Distribution networks hif location: a frequency domain system model and wls parameter estimation approach

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES High impedance fault location still represents a challenge for protection engineers of electric power utilities. Such a challenge remains a very critical point and of great concern to utilities, as this type of fault can cause serious damage. This work presents an analytical formulation for the location of high impedance faults in power distribution systems, based on the estimation of the system parameters using the voltage and current signals recorded in the substation bus by the digital protection relay. The proposed method is based on models in the frequency domain, considering the representation of the behavior of the high impedance fault through DC sources, antiparallel diodes, and an electric arc resistance. The proposed model is an overdetermined algebraic system formed by nonlinear equations, in which the solution is obtained through a weighted least squares estimator. A control variable for residual analysis is proposed and applied for the selection of the best estimates. The proposed method considers in the mathematical formulation the capacitive effect of the aerial distribution networks. The proposed technique for identifying the faulted section is based on the behavior of the distance estimates of the fault, where through the calculated coefficient of determination (R2), the correct section is identified based on the low adherence of the estimates to the coefficient. The validation is performed through numerical simulations using the 13-bus and 34-bus IEEE test systems, a real distribution system of the RGE Sul Power Utility and a real high impedance fault recorded from a digital relay. Comparative test results with state-of-the-art models highlight the accuracy of the proposed technique, indicating potential for application in real systems. Mean errors below 0:500% were obtained in the estimation of the fault distance considering the presence of phase-to-ground linear faults, while for high impedance faults the mean error was below 1:678%. The variability in high impedance faults and the effects of line capacitances in the system modeling and applied mathematical equations were considered. A localização de faltas de alta impedância ainda representa um desafio para os engenheiros de proteção das distribuidoras de energia elétrica. Tal desafio permanece como um ponto bastante crítico e de forte preocupação para as empresas, uma vez que este tipo de falta pode provocar sérios danos. Este trabalho apresenta uma formulação analítica para localização de faltas de alta impedância em sistemas de distribuição de energia, com base na estimação dos parâmetros do sistema utilizando os sinais de tensão e corrente registrados na barra da subestação pelo relé digital de proteção. O método proposto baseia-se em modelos no domínio de frequência, considerando a representação do comportamento da falta de alta impedância através de fontes DC, diodos em antiparalelo, e uma resistência de arco elétrico. O modelo proposto é um sistema algébrico sobredeterminado formado por equações não lineares, em que a solução é obtida através de um estimador de Mínimos Quadrados Ponderados. Uma variável de controle para análise residual é proposta e aplicada para a seleção da melhores estimativas. O método proposto considera no equacionamento matemático o efeito capacitivo das redes de distribuição aéreas. A técnica proposta para identificação da seção faltosa baseia-se no comportamento das estimativas de distância da falta, onde através do coeficiente de determinação (R2) calculado, identifica-se a seção correta com base na baixa aderência das estimativas ao coeficiente. A validação é feita através de simulações numéricas utilizando o sistema teste de 13 barras e 34 barras do IEEE, um sistema de distribuição real da Distribuidora de Energia RGE Sul e uma falta real de alta impedância registrada a partir de um relé digital. Resultados de testes comparativos com modelos disponíveis no estado-da-arte destacam a exatidão da técnica proposta, indicando potencial para a aplicação em sistemas reais. Foram obtidos erros médios na estimativa da distância da falta abaixo de 0; 500% considerando a presença de faltas lineares fase-terra, enquanto que para faltas de alta impedância o erro médio ficou abaixo de 1; 678%. Foram considerados a variabilidade existente na falta de alta impedância e os efeitos das capacitâncias de linha na modelagem do sistema e nos equacionamentos matemáticos aplicados.