Loss of excitation protection in synchonous generators: a new approach using the continuous apparent impedance calculation method

This work presents a new Loss-of-Excitation in synchronous generators protection scheme based on the Continuous Apparent Impedance Calculation. This methodology aiming to improve security and dependability to the ANSI 40 function in order to distinguish cases of loss of excitation from other external disturbances such as stable power swings caused by the elimination of short circuits, for instance. Traditional loss of excitation protection methods may operate incorrectly in the occurrence of this kind of disturbance. Since the proposed methodology have settings related to the reactance parameters of the protected generator (Xd e X d), tests have been carried out considering two different machines with distinct parameters of the WSCC 9-bus system. Aiming to test the proposed technique and compare it with other widely used methods Mason, Berdy and Positive Offset, three kinds of events were simulated, namely, total loss of excitation, partial loss of excitation and stable power swing, for different initial generator loading. The computer simulation results demonstrate that the proposed method correctly identifies the occurrence of loss-of-excitation and does not operate in situations of stable power swings, regardless of the parameters of generators and their operating condition. Its alarm function allows taking the underexcited machine out faster by using manual intervention, which is especially useful when the initial loading is light or when it‟s a partial loss of excitation case. Another highlight is the ease adjustment of the method, which is related only with the generator‟s reactances data.Este trabalho apresenta um novo método de proteção contra perda de excitação de geradores síncronos fundamentado no Cálculo Contínuo da Impedância Aparente. Este novo conceito visa garantir segurança e disponibilidade para a função de proteção ANSI 40 através da distinção de casos de perda de excitação e outros distúrbios externos ao gerador, tais quais as oscilações estáveis de potência ocorridas após a eliminação de curto-circuitos. As técnicas tradicionais de proteção contra perda de excitação podem apresentar operações indevidas quando da ocorrência de tais distúrbios. Considerando que a metodologia desenvolvida possui ajustes em função dos parâmetros das reatâncias do gerador protegido (Xd e X d), são feitos testes com duas máquinas de parâmetros distintos do sistema WSCC 9-barras. Visando testar a técnica proposta e compará-la com métodos amplamente utilizados Mason, Berdy e Offset Positivo, foram simulados três tipos de eventos, ou seja, perda de excitação total, perda de excitação parcial e oscilação estável de potência, para diferentes pontos operacionais do gerador. Os resultados das simulações computacionais demonstraram que o método proposto identifica corretamente a ocorrência de perda de excitação e não opera em situações de oscilação estável de potência, independentemente dos parâmetros do gerador e de sua condição de operação. A função de alarme permite desligar a máquina subexcitada mais rapidamente através de intervenção manual, o que é especialmente útil quando o carregamento inicial é baixo ou a perda de excitação é parcial. Destaca-se ainda a facilidade de ajuste do método, o qual depende apenas dos dados das reatâncias do gerador