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1 DETECCION DE FALLAS EN SISTEMAS DE POTENCIA CON CHIP ADN EN FPGA D. Perlaza+, A. Delgado* + Estudiante, * Profesor Asociado daperlazag@unal.edu.co, adelgado@ieee.org Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Universidad Nacional de Colombia, Bogotá RESUMEN Este artículo presenta una aplicación del chip ADN emulado electrónicamente. Después de conocer el principio de funcionamiento, se describe su emulación en un FPGA y finalmente se aplica para detección y clasificación de fallas en un sistema de potencia eléctrica. 1. INTRODUCCION Los requerimientos de calidad en el servicio prestado por las empresas de generación y distribución de energía eléctrica exigen la implementación de procedimientos que disminuyan los tiempos de interrupción del servicio por fallas permanentes en los sistemas de potencia [1]. Cuando una falla es eliminada mediante el accionamiento de algún elemento de protección, pero esta acción no es detectada ni registrada de alguna manera, el operador del sistema desconoce la ubicación de la falla así como de la protección accionada y por tanto no se puede realizar un análisis que permita determinar las causas y efectos de dicha falla. Aprovechando la gran cantidad de información disponible respecto a la topología del sistema eléctrico de la subestación Tunal localizada en Bogotá - Colombia, es posible establecer un procedimiento para determinar y clasificar condiciones de falla, localizando el elemento de protección accionado. El diseño de sistemas electrónicos inspirado en sistemas biológicos permite aprovechar las ventajas que éstos poseen. El objetivo de este artículo es presentar un sistema capaz de brindar información acerca de la presencia de fallas en un sistema de potencia, su tipo y localización, inspirado en el funcionamiento de los chips de ADN. Estos elementos se utilizan en medicina para el diagnóstico de enfermedades, diseño de nuevos fármacos, estudios toxicológicos, y se buscan perspectivas para su aplicación en ingeniería [2]. El artículo se divide en seis secciones. En la segunda se describen las principales fallas que ocurren en los sistemas de potencia, así como sus causas. En la tercera se presentan los relés de protección como elemento principal en la detección y localización de condiciones de falla en sistemas de potencia. La cuarta sección presenta el conjunto de señales análogas y digitales propuestas para la identificación de distintas condiciones de falla en la subestación Tunal. En la quinta sección se describe el funcionamiento de los chips de ADN biológicos y se muestra la utilidad como elementos para el diagnóstico de fallas en procesos industriales. Por último, en la sexta sección, se plantea un sistema que emula electrónicamente el funcionamiento de los chips de ADN biológicos en un FPGA para detectar y clasificar fallas a partir de las señales provenientes de los relés de protección y transformadores de instrumentación de la subestación Tunal - Bogotá. 2. FALLAS EN SISTEMAS DE POTENCIA Uno de los tipos de falla más comunes en los sistemas de potencia es el cortocircuito, que implica sobrecorrientes y/o desbalances en el voltaje. Cerca del 85% de las fallas a nivel mundial son monofásicas a tierra, el 5% involucran más de una fase y el 10% restante son del tipo mecánicas [3]. Un caso particular en el análisis de fallas en sistemas de potencia es la ocurrencia de dos o más fallas en el mismo instante de tiempo, situación que puede ser resultado de algunos eventos como la caída de descargas atmosféricas o accidentes causados por mala manipulación de los equipos por parte de los operarios. Usualmente sólo se consideran dos fallas simultáneas debido a la baja probabilidad de que ocurran más eventos en el mismo instante de tiempo [4]. Actualmente para el registro de fallas en sistemas de potencia se utiliza un instrumento llamado registrador digital de fallas, el cual es un dispositivo electrónico 2 multicanal usado para grabar condiciones de falla. Los registradores permiten monitorear señales de voltaje y corriente, además de señales enviadas por los relés de protección. El registrador de fallas es manejado por un microprocesador y cuenta con: • Unidades de adquisición de datos. • Una unidad de análisis o unidad maestra ubicada en un centro de control remoto. • Unidades para el sensado de las señales, las cuales son almacenadas en una memoria pre-falla. Después de una orden de disparo, producida por detectores internos de falla o por un comando externo proveniente de los relés de protección, el contenido de la memoria de pre-falla y de la memoria de post-falla son trasladados a la memoria principal cubriendo un tiempo determinado previamente en la programación del registrador. Una vez terminado el almacenamiento se puede transferir la información a una impresora o la unidad maestra a través del sistema de comunicaciones, para realizar el análisis correspondiente. Los registradores cuentan, entre otros, con los siguientes módulos: • Módulo de adquisición : contiene circuitos digitales que almacenan y comparan señales para convertir las señales análogas en digitales. Compara el estado de entrada para accionar el estado de la memoria y así inicializar la grabación. También posee circuitos que manejan la interfaz de los relés de estado e indicadores sobre el panel frontal. • Módulo del procesador : contiene un procesador con elementos apropiados para el control de la grabación y almacenamiento de datos en su memoria. Dos puertos serie conectan el equipo de comunicación externa para un acceso local o remoto. Un puerto paralelo conecta a una impresora para la impresión local de eventos. • Memoria RAM : aproximadamente 15 Mbytes están disponibles para almacenar continuamente una muestra. La extensión de la muestra está determinada por el operador como ciclos de pre-falla, ciclos mínimos de post-falla, ciclos de seguridad y máximas dimensiones de grabación, en segundos. Los datos de pre-falla y post-falla en el módulo de adquisición forman un registro de eventos que es copiado en la memoria principal en el módulo del microprocesador; después una nueva memoria de pre-falla es inicializada y el registrador está listo para capturar un nuevo evento [5]. 3. RELES DE PROTECCION Los relés de protección son dispositivos electrónicos, análogos o digitales, que son conectados por medio de transductores de voltaje y/o corriente al sistema de potencia para detectar condiciones no deseadas dentro de un área determinada. Todos los relés utilizados para protección de cortocircuitos y algunas anomalías, funcionan en virtud de la corriente y/o voltaje proporcionados a ellos por los transformadores de instrumentación (voltaje y corriente) conectados en diferentes combinaciones al elemento del sistema que van a proteger. Cuando ocurren una falla y/o algunas anomalías, estas magnitudes pueden variar en una o más de las siguientes formas: • Magnitud • Frecuencia • Angulo de fase • Duración • Tasa de cambio • Dirección de cambio • Forma de onda (armónicos) La función de los relés de protección es causar la rápida desconexión cuando algún elemento del sistema sufre alguna falla (corto circuito), o anomalía (mal funcionamiento). Los relés de protección son ayudados en su función por los interruptores que son capaces de desconectar elementos defectuosos, ya sea en condiciones normales o de cortocircuito, cuando el equipo de protección se los ordena. Los interruptores están localizados de tal forma que cada equipo (generador, transformador, línea) pueda desconectarse por completo del resto del sistema, o sea que los interruptores siempre se encuentran como separadores entre los equipos. De esta forma se logra reducir la influencia de una falla en el sistema y que esta no produzca daños ni tampoco ponga en peligro a seres humanos o animales. Una función secundaria (pero de mayor interés para la aplicación que se pretende realizar) de los relés es dar una indicación del tipo de falla y su localización, de tal manera que al comparar la observación humana y los registros de falla constituyan un medio para el análisis de la efectividad en prevención de fallas y la mitigación de sus efectos 4. SEÑALES DEL SISTEMA DE POTENCIA Con el objetivo de enfocar el problema de la detección de fallas a una aplicación específica, se ha decidido tomar como referencia la SubEstación (S/E) Tunal localizada en la ciudad de Bogotá – Colombia. Hay dos grupos de señales que permiten conocer el estado del sistema de potencia para este caso [5]. 4.1. Señales análogas La Tabla I muestra las señales análogas propuestas para la detección de fallas en la subestación Tunal. Las señales de 3 corriente de cada una de las fases (A, B, C) y del neutro se toman de los transformadores de corriente y se llevan al sistema de registro de fallas. Las señales de voltaje de las fases (A, B, C) se obtienen de los transformadores de tensión respectivos. La señal de voltaje residual se toma del devanado conectado en delta abierto del transformador utilizado para la alimentación de equipos de protección y medida de línea. TABLA I SEÑALES ANALOGAS PROPUESTAS PARA S/E TUNAL Señal 1 2 3 4 5 6 7 8 4.2.1. Señales del interruptor (señales 9-11) En cualquier línea de transmisión el elemento más importante a monitorear es el interruptor por ser éste quien recibe las órdenes enviadas por los relés de protección o del operador para la apertura o cierre de la línea. El interruptor posee tres polos conectados a cada una de las fases del sistema (A, B, C) y es necesario monitorear la operación de cada uno de estos polos ya que el interruptor puede presentar apertura monopolar debido a fallas monofásicas que como ya se dijo, son las más frecuentes. Descripción Corriente fase A Corriente fase B Corriente fase C Corriente neutro Voltaje fase A Voltaje fase B Voltaje fase C Voltaje residual 3V0 4.2.2. Arranque de las protecciones (12, 13) Para la protección de un sistema de potencia eléctrico, se debe contar al menos con una protección principal y una de respaldo que puede o no tener el mismo principio de operación, en el caso de la subestación Tunal, las dos protecciones poseen el mismo principio. Es muy importante conocer el momento en que la protección inicia su acción para poder determinar su tiempo de operación lo que obliga a contar con estas dos señales. TABLA II SEÑALES DIGITALES PROPUESTAS PARA S/E TUNAL Señal Descripción 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Posición polo A del interruptor Posición polo B del interruptor Posición polo C del interruptor Arranque protección principal 1 Arranque protección principal 2 Disparo protección principal 1 Disparo protección principal 2 Envío señal portadora Recibo señal portadora Orden de recierre monofásico Orden de recierre trifásico Arranque 67NB Disparo 67NB Disparo 50BF Sobrevoltaje Oscilación de potencia 4.2. Señales digitales Las señales digitales registran el estado de los contactos de las protecciones del sistema, de los interruptores y de las señales de tele protección. En la Tabla II se presentan las señales digitales propuestas en [5] para la detección de fallas. Para una mejor comprensión de la naturaleza de las señales de la Tabla II se explicará brevemente su origen y funcionamiento. 4.2.3. Disparo de las protecciones (14, 15) Registrando estas señales se puede obtener el tiempo de operación de las protecciones y así mismo verificar su correcta operación ante fallas. 4.2.4. Equipo de comunicaciones (16, 17) En un esquema de protección es necesario contar con la información de si el equipo envió o recibió la señal para los disparos permisivos. 4.2.5. Operación de recierre (18, 19) Es importante registrar la orden del recierre del interruptor, pues en caso de que no ocurra u opere incorrectamente se puede determinar la causa de la no operación o mal funcionamiento del mismo. 4.2.6. Relé 67NB (20, 21) La finalidad de este relé de protección es comparar la dirección de la potencia en caso de falla en ambos extremos de la línea de transmisión. Si la medida de dirección indica que todas las corrientes circulan hacia la zona protegida significa que se trata de una falla interna, operando el relé instantáneamente. Si una de las medidas indica una corriente circulando hacia afuera de la zona protegida existe una falla externa y no habrá disparo del relé. 4.2.7. Disparo del relé 50BF (22) Este relé está compuesto básicamente por una unidad de sobrecorriente y una de temporización. Al producirse una falla en la línea, detecta la sobrecorriente y espera la señal de arranque que le debe proporcionar el relé que vio la 4 falla iniciando un tiempo de espera debidamente calibrado antes del disparo. 4.2.8. Sobrevoltaje (23) El relé de sobrevoltaje es utilizado para detectar valores de voltaje por encima del valor máximo que soportan los equipos. Esta protección sensa el voltaje de línea y si sobrepasa el valor de tensión ajustado, envía una señal para que el interruptor abra. Si el relé de sobrevoltaje no se encuentra bien calibrado, el disparo del mismo puede bloquear una operación de recierre. Fig.1.- Cadena doble de ADN formada por dos cadenas sencillas complementarias. Cuando dos cadenas sencillas de ADN complementarias en el sentido de Watson-Crick se encuentran, forman de manera natural una hélice. Este proceso se denomina hibridación y es el principio que se explota en los chips de ADN. Un chip de ADN es una lámina de vidrio donde se adhieren cadenas sencillas de ADN con distintas secuencias conocidas (cadenas de prueba), figura 2. 4.2.9. Oscilación de potencia (24) Es producida por el relé de bloqueo por oscilación de potencia. Un circuito lógico discrimina si lo que ocurre en el sistema es una oscilación de potencia o una falla. 5. CHIPS DE ADN El ADN es la molécula que se encuentra en el núcleo de las células en los seres humanos, esta molécula tiene forma de hélice o cadena doble y se compone de dos cadenas sencillas que se complementan entre sí. Cada cadena sencilla se forma por la concatenación de nucleótidos, los cuales tienen tres componentes, azúcar, fosfato y base. Los nucleótidos reciben el nombre de la base que llevan: adenina (a), citosina (c), guanina (g), o timina (t). La figura 1 muestra dos cadenas de ADN complementarias entre sí, las bases se unen de forma natural por enlaces de hidrógeno, adenina – timina (a-t), citosina – guanina (cg), proceso que se conoce como el complemento WatsonCrick. Note que la hélice se puede comparar con una escalera, los brazos corresponden a la concatenación de azúcar y fosfato, mientras los escalones son la unión de las bases con enlaces de hidrógeno, la forma como se ordenan estas bases se denomina secuencia. Los genes son segmentos de ADN y determinan las características de un individuo, éstos se transfieren con pequeñas variaciones de padres a hijos. Fig.2.- Chip de ADN, la cadena de prueba se adhiere al vidrio y la cadena objetivo se marca con una molécula fluorescente. Cuando el arreglo se fabrica sintetizando las cadenas de ADN con un procedimiento similar a la fotolitografía el dispositivo final se denomina chip ADN. Después de fabricado el chip se incuba con cadenas sencillas de ADN marcadas con un químico fluorescente denominadas cadenas blanco u objetivo, si dos cadenas son complementarias en el sentido Watson-Crick, después de unos minutos se forman hélices de ADN fluorescente fija al sustrato (figura 3). Finalizado el tiempo de incubación se detectan las hélices de ADN con un escáner que utiliza luz UV para excitar el químico fluorescente. Fig.3.- Durante la hibridación las cadenas de prueba y objetivo se unen cuando son complementarias. El resultado es un punto fluorescente en la superficie del chip, la secuencia de la cadena objetivo se identifica pues la secuencia de su complemento se conoce. 5 Los puntos brillantes ponen en evidencia las cadenas blanco existentes en la muestra y su secuencia es conocida pues es única para cada punto del arreglo [2]. Cabe destacar que la hibridación es un proceso que ocurre en forma paralela y se pueden examinar miles de cadenas en un solo ensayo. En medicina, los chips ADN han permitido clasificar tumores cancerosos según los genes expresados, también se han realizado estudios para determinar el tratamiento adecuado en ciertos tipos de cáncer. También han sido propuestos para monitorear procesos industriales y detectar condiciones de falla. Las variables de estado son muestreadas y convertidas en cadenas simples de ADN fluorescentes, estas se inyectan al chip para que ocurra la hibridación con las cadenas de prueba. La condición de operación del proceso puede ser encontrada comparando el patrón de hibridación actual con patrones almacenados previamente [6]. En este artículo el proceso de hibridación en los chips ADN se emula de manera electrónica utilizando cadenas binarias en un FPGA. 6. EMULACION DEL CHIP ADN El primer circuito para emulación electrónica del chip ADN se propuso en el contexto de la robótica móvil [7] y su posterior implementación en un FPGA demostró el principio del procesamiento paralelo [8]. En el problema que nos ocupa, el circuito debe recibir señales análogas de los transformadores de voltaje y corriente (transformadores de instrumentación), para monitorear el comportamiento dinámico en condiciones de falla o de maniobra; también debe recibir señales digitales del estado de los contactos de las protecciones del sistema, de los interruptores y de las señales de tele protección. El aislamiento se puede hacer con un transformador de aislamiento (para acople AC) o con optoaislador (para acople DC). El sistema debe tomar las ocho señales análogas y convertirlas en digitales a través de conversores análogodigital (ADCs) con una resolución de ocho (8) bits; cada vez que se realice una conversión las señales convertidas junto con las dieciséis (16) señales digitales son almacenadas en un registro de eventos de pre-falla de una longitud de ochenta bits, este registro es equivalente a la cadena blanco. El registro pre-falla se compara en paralelo con una serie de registros (correspondientes a las cadenas de prueba en el caso biológico) que contienen la información de las fallas individuales (disparo de relés de protección y características de las señales análogas) y de todas las posibles combinaciones de dos fallas del sistema de potencia, como se muestra en la figura 4. El número de registros de falla sería aproximadamente 300 (24 fallas individuales y 276 posibles combinaciones de dos fallas). La comparación entre registros se realiza a través de la función lógica XOR, que corresponde al equivalente electrónico de la hibridación de cadenas sencillas de ADN. La hibridación perfecta se detecta al aplicar la función lógica AND entre todos los bits de cada uno de los registros de salida de la función XOR; si en algún caso se obtiene un ‘1’ los registros son complementarios y se ha detectado una condición de falla que puede ser clasificada de manera instantánea dependiendo de la bandera que se active, en caso contrario el sistema de potencia está operando correctamente. Para el caso de las señales análogas, las posiciones en el registro de falla correspondiente serán unos, para que al hacer la comparación con el registro de pre-falla sólo se detecte una falla cuando éste tenga valor cero (condición de corto circuito o de apertura de la línea de transmisión). Para las señales digitales las posiciones correspondientes serán ceros que complementan los unos producidos por el disparo del (los) relé(es) cuando ocurre una falla. Luego se espera una nueva conversión por parte de los ADCs y se vuelve a cargar un nuevo registro de prefalla, repitiéndose la misma operación. Es importante que el muestreo de las señales análogas no se haga cuando éstas llegan al valor cero, ya que el sistema podría observar una falla que no existe (cortocircuito si la señal es de voltaje o ruptura de una línea si la señal es de corriente.) Una vez terminada la comparación se puede transferir la información a la unidad maestra del sistema de potencia a través del sistema de comunicaciones para realizar el análisis de la falla correspondiente. 6 falla ocurrida, reduciendo el número de pines de entrada/salida necesarios. Para comprobar la emulación se implementó la figura 4 en el programa ISE 6.1 de la compañía XILINX con el diagrama de entradas-salidas que se muestra en la figura 5. Fig.5.- Diagrama de entradas-salidas del chip de ADN emulado. Fig.4.- Emulación electrónica del chip de ADN. Si se quiere mayor velocidad en la formación del registro de pre-falla y en el proceso de comparación, se debe contar con un conversor análogo-digital para cada señal análoga y la velocidad con que el sistema detectaría fallas estaría determinada por la velocidad de conversión de los ADCs ya que la hibridación de los registros se produce en un ciclo de reloj. Debido a la gran cantidad de señales y a la capacidad de procesamiento en paralelo requerida, el dispositivo electrónico sugerido para realizar la emulación del chip ADN es un FPGA (Field Programable Gate Array), el cual tiene la capacidad de manejar el número de señales que se requiere en esta aplicación; además, puede realizar operaciones con gran velocidad (en un ciclo de reloj) y puede ser reconfigurado para agregar más registros de falla para considerar otras posibles anomalías en el sistema se potencia (como caídas en el voltaje de alguna o todas las fases, variaciones en la corriente de las líneas o del neutro, variación de la forma de onda de alguna de las señales a través de cálculo de valores pico, promedio o RMS ) si se requiere. La emulación del chip de ADN en FPGA para esta aplicación presenta una limitación debido a la cantidad de registros de falla que se tienen (aproximadamente 300) y sus correspondientes banderas de falla. La FPGA no puede reportar individualmente todas las banderas de falla ya que no cuenta con el número de pines de entrada/salida requeridos. Una solución es codificar las banderas de falla en un vector de falla de nueve bits cuyo valor indique la La señal pre_falla corresponde al registro de eventos pre-falla mencionado anteriormente, la señal fin_conv corresponde a la señal de fin de conversión enviada por el conjunto de ADCs, la señal bandera_falla indica que se produjo hibridación y la señal falla muestra la codificación de la falla ocurrida. Las señales clk y rst corresponden a la señal de reloj y de reset global del sistema, respectivamente. La implementación se realizó en un FPGA xc2s506tq144 de la familia Spartan II de XILINX con un subconjunto de 24 registros de falla de los 300 posibles; estos registros corresponden a las 24 fallas individuales que pueden ser detectadas con las señales de las Tablas I y II, conservando el número que tienen en las éstas para su codificación. La simulación del circuito se realizó en el programa MODELSIM v 5.7c también de la compañía XILINX tomando tres registros de pre-falla correspondientes a : (i) una falla por corto circuito en la fase C (señal número 7); (ii) el estado normal de todas las señales y (iii) una falla por disparo de la protección principal 1. Los resultados de la simulación se presentan en la figura 6. Como se puede apreciar la señal bandera_falla sólo se activa cuando la señal pre_falla hibridiza con alguno de los registros de falla almacenados y la señal falla muestra la codificación correspondiente al número de la señal donde se produjo la falla. El programa además suministra la frecuencia de reloj máxima para el dispositivo seleccionado, que para esta aplicación es de 92.259 MHz. 7 Fig.6.- Resultados de la simulación del chip de ADN. Por último hay que aclarar que el trabajo expuesto en este artículo se encuentra en etapa de simulación y que hasta el momento no se ha comprobado su funcionamiento en una subestación eléctrica. 7. CONCLUSIONES La tecnología de los chips ADN presenta ventajas para el diagnóstico de fallas en procesos industriales por el procesamiento en paralelo y el gran número de variables que puede manejar. Las desventajas son alto costo, rigurosas condiciones y largos tiempos de operación. La electrónica permite emular tecnologías utilizadas en biología molecular, ofreciendo costos inferiores y mayor velocidad de operación. En este artículo mostró un método para emular el chip ADN con FPGA y su aplicación a sistemas de potencia. La codificación y posterior simulación han demostrado el principio y sus ventajas frente al sistema secuencial tradicional. 8. REFERENCIAS [1] R. Rosés y D. Castro: “Estimación de la localización de protecciones asociadas en sistemas de distribución con sistema de telemedida limitado,” Congreso Internacional de Distribución Eléctrica CIDEL, Argentina, pp. 1-5, 2002. [2] A. Delgado: “DNA chips as lookup tables for rule based systems,” IEE Computing and Control Engineering Journal, vol 13, pp. 113-119, 2002. [3] Molina, M., Riaño, G. y Salazar, L.A.: Conceptos de diseño de las protecciones de línea de 115 kV de la subestación Mirador, Departamento de Ingeniería Eléctrica Electrónica, Universidad Nacional de Colombia, 2000. y [4] Martínez, A.M. y Guzmán, S.A., Análisis de fallas simultáneas en sistemas de potencia, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Colombia, 2004. [5] Organista, M.L. y Rojas, J.E., Selección y propuesta de normalización de las señales de control y protecciones de las líneas de 230 kV de la E.E.B., para un registrador digital de fallas, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de Colombia, 1998. [6] A. Delgado: “Fault detection and classification with DNA chips,” Proceedings IEEE International Symposium on Intelligent Control, pp. 685 – 690, Houston - Texas, Octubre 5 - 8, 2003. [7] A. Delgado: “Robot controller using electronic DNA chip,” II Congreso Internacional en Ingeniería Eléctrica y Electrónica CIIEE, Bogotá - Colombia, Marzo 24 - 28, 2003. ISBN : 958-701-296-8. [8] J. Sepúlveda, , C. Camargo y A. Delgado: “Implementación de chip ADN en FPGA,” X Iberchip, Cartagena – Colombia, Marzo 10 - 12, 2004.