Daniel_Ruiz_Vega_Control de Estabilidad Transitoria Utilizando Mediciones en Tiempo Real

1SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniera Elctrica. Grupo de Investigacin de Fenmenos Dinmicos 1

Control de la Estabilidad Transitoria Utilizando Mediciones en Tiempo Real

Daniel Ruiz Vega

Escuela de Verano de Potencia,Universidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo,

Morelia, Michoacn, Mxico, del 24 a 26 de Agosto de 2011


Estabilidad de Sistemas de PotenciaEl sistema de potencia es un sistema muy dinmico en el que varan en el tiempo tanto los valores de sus parmetros (impedancias, etc.) como de sus variables (voltajes, corrientes, frecuencia, etc.). Estas variaciones son conocidas como disturbios. La mayor parte de los cambios en el sistema se deben a variaciones normales de la carga y acciones programadas por los ingenieros a cargo de la operacin del sistema.

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Hora

C

a

r

g

a

(

M

W

)

1 de enero 1 de junio

Variacin de la carga de un

rea de control del Sistema

Interconectado Nacional

en dos dias diferentes


Sin embargo, tambin ocurren usualmente disturbios repentinos debidos a la ocurrencia de fallas en el sistema, provocadas por descargas atmosfricas, cortocircuitos y otras causas.

La estabilidad de sistemas elctricos de potencia es su habilidad para permanecer en un estado de operacin aceptable a pesar de estar sujeto a cambios (disturbios) repentinos, programados y normales.

Como el sistema de potencia es un sistema no-lineal, el anlisis de estabilidad se realiza y es vlido

solamente para un

punto de operacin y ante una contingencia especfica.

Estabilidad de Sistemas de Potencia


Contextos de aplicacinPara asegurarse que siempre se cumpla el balance generacin-carga las compaas elctricas realizan una serie de decisiones coordinadas que pueden ser divididas en tres etapas principales:

Planeacin del sistema adquisicin de recursos.

Se elige con aos de adelanto entre alternativas para reforzar los sistemas de generacin y transmisin .

Planeacin de la operacin programacin.

Esta etapa incluye tres procesos principales: programacin del mantenimiento, coordinacin hidrotrmica y asignacin de unidades termoelctricas.

Operacin en tiempo real despacho.

Aos/Meses Dias Horas Minutos Segundos Ciclos Tiempo

PlaneacinPlaneacin de la

operacinOperacin en tiempo

real

Construir Mantener Programar OperarACTIVIDADES

MERCADOS Largo plazo Mediano plazo Corto plazo

CONTEXTOS

Dcadas/Aos

Contextos de aplicacin de los estudios de estabilidad


Evaluar la estabilidad en el contexto de operacin ha sido un tema de investigacin abierto desde finales de los aos 60 del siglo pasado. En ese contexto la evaluacin de la estabilidad se realiza dentro de la determinacin de los lmites seguros de operacin del sistema en un estudio de seguridad.

Esto se debe a que el concepto de seguridad ha evolucionado, a partir de 1965, de ser considerada exclusiva del contexto de planeacin del sistema, hasta su sentido presente de ser una condicin instantnea, variante en el tiempo, que debe ser evaluada en el contexto de la operacin de los sistemas de potencia desde un centro de control.

Seguridad de Sistemas de Potencia


Funciones de seguridad en lnea, las cuales evalan y controlan la seguridad del estado actual de operacin del sistema, obtenido a partir de mediciones en lnea, ante una lista de posibles contingencias futuras, empleando un simulador.

Funciones de seguridad en tiempo real, las cuales evalan y controlan la seguridad del estado actual de operacin del sistema despus de que ha ocurrido algn disturbio, empleando mediciones en tiempo real.

Seguridad de Sistemas de PotenciaEvaluar la estabilidad en el contexto de operacin se puede clasificar en dos enfoque principales, los cuales han sido incluidos recientemente en el concepto de las redes inteligentes, dentro del rubro de sistemas autocurativos:

7Seguridad de Sistemas de Potencia

Estructura general de una funcin de seguridad

SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniera Elctrica. Grupo de Investigacin de Fenmenos Dinmicos


Sistema de filtrado de contingencias para estabilidad transitoria.

Estabilizacin de contingencias mltiples.

OPF con restricciones de estabilidad (mtodos secuencial y global).

Creacin de controles de estabilidad adaptables (mtodo OLEC).

Evaluacin y control de oscilaciones en lnea.

Mejora de modelos de componentes del sistema.

Mtodos de validacin de modelos del sistema incluyendo pruebas a generadores, controles y cargas.

Seguridad de Sistemas de PotenciaSe tiene en el grupo de investigacin de fenmenos dinmicos una experiencia de ms de 15 aos y se continua trabajando principalmente en las funciones de seguridad en lnea para estabilidad angular, en los siguientes temas:


Actualmente se est trabajando en una funcin de seguridad en tiempo real para estabilidad angular, la cual fue propuesta a finales de los aos 90 pero que se ha vuelto factible debido al gran desarrollo de los sistemas de medicin fasorial sincronizada, los cuales proveen mediciones en tiempo real.

Aunque existen muchos aspectos an que se deben mejorar para su aplicacin prctica, es una lnea de investigacin muy prometedora que se va a seguir desarrollando en el grupo.

Seguridad de Sistemas de Potencia

10

Grupo de mquinasavanzadas

Grupo de mquinas restantes

1 mquina avanzadaequivalente

1 mquina equivalente

Sistema equivalente de unamquina- bus infinito

(OMIB)

} Systemaequivalentede dosmquinas

Reduccin del sistema original a un sistema de una mquina equivalente

OMIB: One Machine Infinite Bus

Principio

Reemplaza el sistema multimquinas por un sistema tipo mquina-bus infinito variante en el tiempo.

Evala la estabilidad del sistema original al aplicar el criterio de reas iguales al sistema equivalente de una mquina (SIME)


El Mtodo de la Mquina Equivalente

11


Evolucin del sistema en el tiempo Aplicacin del criterio de reas iguales al OMIB

Identificacin de las mquinas crticas

0uaP 0uaP


12


2

21 M

Mrgenes y criterios de estabilidad

uu ee r

st

P

Pm Pm

Pe Pe

Aacc Aacc

Adec Adec

Margen Inestable: Margen Estable :

P

ur

dPast

0r 0raP

accdec AA Criterio de reas Iguales :

0uaP 0uaP


13


Caso inestable, te = 150 ms, evolucin en el tiempo Caso inestable, criterio de reas iguales aplicado al OMIB

Caso estable, te = 145 ms, evolucin en el tiempo Caso estable , criterio de reas iguales aplicado al OMIB


14

El mtodo tambin provee medios para comprender la dinmica del sistema de potencia por medio de tres representaciones principales:

Curvas de oscilacin multimquinas Curvas de oscilacin del OMIB Curvas P-

del OMIB



15

Curvas de oscilacin multimquinas Curvas de oscilacin del OMIB Curvas P-

del OMIB

Curvas del plano de fase del OMIB

Filtrado de contingencias Evaluacin detallada




Mtodo SIME de Emergencia

Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo RealPower System

Real Time Measurements

Predictive SIME: Predictive TSA

Design Corrective ActionTo Prevent loss of Syncrhonism

Trigger Corrective Action

Unstable case(margin


Sistema de Prueba de 3 generadores y 9 nodos

del IEEE

Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real

0

.

7

1

6

4

0

.

2

7

0

5

1

.

2

5

0

0

.

5

0

0

.

9

0

0

.

3

0

0.3500-0.1086

0.850

0.0665

1.630

1.0000

7

2

8

5 6

4

1

39

-0.850

0.1496

-0.2410

-0.2430

0.7638

-0.0080 -0.1070

-0.75901.630

0.0665 0.0918

-1.630

0.0312

0.2418

-0.1086

0.850

0

.

8

6

6

2

-

0

.

0

8

3

8

-

0

.

4

0

6

8

-

0

.

3

8

6

9

-

0

.

1

1

3

1

-

0

.

8

4

3

2

0

.

2

2

8

9

0

.

4

0

9

4

0

.

0

1

0

3

0

.

3

0

7

0

-

0

.

3

0

5

4

-

0

.

1

6

5

4

0

.

6

0

8

2

-

0

.

1

8

0

8

-

0

.

1

3

4

6

-

0

.

5

9

4

6

0

.

2

7

0

5

0

.

7

1

6

4

-

0

.

7

1

6

4

-

0

.

2

3

9

3

1.0400 0.0000

1.0250 9.2801

1.0250 4.6648

1.0258 2.2168

0.9956 3.9888 1.0127 3.6874

1.0258 3.7198

1.0159 0.7276

1.0323 1.9668

Falla en el nodo 5 liberada en 0.2 s desconectando la

lnea 5-7


Prediccin de la composicin del OMIB



Prediccin de la inestabilidad del OMIB




1 2 3 4 5 6

Measurement ti

(s) u

(rad) tu

(s) /M (rad/s)2/M (rad/s)2

after shedding

12 0.2550 167.2389 0.5395 -9.2 ---

13 0.2600 165.4839 0.5383 -9.3 ---

It is decided to trip machine 2 at t=0.360s

14 0.2650 163.9060 0.5378 -9.4 0.06

15 0.2700 162.4885 0.5378 -9.4 0.4

16 0.2750 161.2148 0.5383 -9.5 0.07

17 0.2800 160.0718 0.5392 -9.6 0.1

18 0.2850 159.0462 0.5406 -9.6 0.04

19 0.2900 158.1283 0.5424 -9.6 19.6

30 0.3450 152.9081 0.5789 -9.9 66.9

31 0.3500 152.7333 0.5833 -9.9 75.0

32 0.3550 152.5906 0.5878 -9.9 171.8

Machine 2 is tripped

33 0.3600 --- --- 0.22 ---

Resumen del control de E-SIME


Aplicacin del control de estabilidad



Trayectorias de los ngulos de los generadores en el caso controlado



Sistema de Prueba nuevo de 27 generadores y 52

nodos


tcl = 0.39 s


Sistema de Prueba nuevo de 27 generadores y 52

nodos

Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real.

7

6

8

9

10

15

16

17

18

3029

11

12

13

14

3132

28

5

4

3

2

1

36

38

34

35

37

39

40

41

19

42

43

45

46

4447

33

49

48

21

20

50

51

22

23

24

25

26

27

52

3.9667

0.6780

-0.1997

10.8503

1.8590

2.09974

2.2099

0.6022

-0.0609

1.4287

-0.0576

1.7600

-0.0576

1.7600

-0.0576

1.7600

-0.0576

1.7600

2.8200

-0.13382.8200

-0.13382.8200

-0.1338

2.8200

-0.1338

2.8200

-0.1338

1.000

-0.32981.000

-0.32981.000

-0.32981.000

-0.3298

1.7600

-0.1994

1.7600

-0.19941.7600

-0.19941.7600

-0.1994

0.4896

1.1556

-0.0381

-3.8667

-0.0381

-3.8667

5.1992

-0.1970

5.6247

-0.4135

7.5051

-0.4842

-0.2149

-5.7204

-0.1361

-6.0308-1.7290

6.1100

-1.5571

6.1100

0.2953

3.3200

0.2953

3.3200

0.2953

3.3200

0.2953

3.3200

0.2953

3.3200

0.2953

3.3200

-0.1618

-3.8324

-0.0920

-4.5781

0.3015

-0.6323

0.5532

-1.1739

6.1539

-0.4026

6.2027

-0.4181

6.2027

-0.4181

0.3230

1.5464

-0.0411

-2.4715

-0.0411

-2.4715

4.4961

-0.76664.4961

-0.7666

0.1485

2.0641

-0.5736

2.0935

0.9435

-0.56810.9435

-0.5681

-0.2407

0.0702

0.6323

0.28701.1739

-0.5265

0.5271

-0.9382

0.5271

-0.9382

-0.2849

1.0271

2.3862

-0.2840

-4.4181

-0.2840

-4.4181

3.9046

-0.7666

3.9046

-0.7666

6.0700

-0.2867

0.2867

-6.0700

0.3137

-6.11366.1136

-0.3137

6.1136

-0.3137 0.3137

-6.1136

0.4249

1.7145

-0.0090

-6.0700

-4.3534

0.3852-0.4159

4.3555

8.2005

-0.1852

0.0008

-6.1136

0.0008

-6.1136

6.1703

-0.7995

6.0308

-0.6308 0.6298

-6.0308

0.6003

2.3500

0.2148

-8.19545.8454

-0.1851

5.7204

-0.4740 0.4740

-5.72041.0027

-7.33407.3340

-1.0027

5.5101

0.0252 -0.0252

-5.5101

-0.0970

-5.1560

1.5107

0.7436

3.6453

-0.6466

-3.8626

0.2973

0.3464

-0.0235-0.0742

-7.3340

-0.0476

-3.61853.6185

0.0476

-0.2813

-0.3463

-0.6595

-5.5101

-0.2505

-3.6185

4.5907

0.17914.5907

0.1791

-3.6732

0.1552

-0.0708

1.6631

-1.3102

3.7266

-1.3149

3.9182

2.8684

-1.2710

6.5466

-0.01666.5466

-0.0166

-0.2443

-4.5864

-0.2443

-4.5864

0.3339

-2.8461

1.1767-5.6299

0.2307

8.4760

-1.7413

2.6596

-0.3535

5.5652

-0.7542

4.4349

-0.7542

4.4349

-0.6238

5.3050

-0.4345

-3.5303-0.4345

-3.5303

-0.3311

-4.3530-0.3311

-4.3530-0.3277

-5.5309

1.2416

2.4805

-0.6169

2.4805

-0.6169

3.8510

-0.2719

4.5993

-0.1869



Trayectorias de los ngulos de los generadores en el caso sin controles



Trayectorias de los ngulos de los generadores en el caso controlado


Simuladores de Sistemas de Potencia

Siempre se han requerido para el anlisis en estado estacionario y dinmico del sistema de potencia

Primeros simuladores: fsicos (1920).

Simuladores analgicos (analizadores de red, 1930)

Simuladores de computadora analgica con elementos de estado slido (1950)

Simuladores de computadora digital (1950)

Simuladores fsicos escalados y especiales (1960)

Simuladores de computadora digital en tiempo real (1994)

30

Simulador Experimental de Sistemas de Potencia




a) Mquina educacional como generador sncrono b) Rotores.

Figura: Mquina educacional de laboratorio de 5 kVA



Micro Red



Mquina Generalizada AEI Mquina Generalizada Mawdsley

Primeros trabajos Corrientes de cortocircuito


Simuladores Digitales Utilizados por el Grupo

Programa Flujos (Estudio de flujos de potencia)

Programa TRANSTAB (Estudios de estabilidad en el tiempo)

Programa MAPS (Estudios de anlisis modal)

Programa CONT (Estudios de estabilidad de voltaje por el mtodo de flujos de potencia de continuacin)

Programa PSS/E versin 29 de Siemens

Programa DSATools versin 10 de Powertech

Programa Powerworld versin 6

Programa DIGSilent versin 13

Programas propios

Programas comerciales

35SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniera Elctrica. Grupo de Investigacin de Fenmenos Dinmicos

35

Es una herramienta de investigacin que permitir

consolidar las lneas de

investigacin de los profesores nuevos en las reas de proteccin de SEP, estabilidad, mquinas elctricas, transitorios electromagnticos, alta tensin y electrnica de potencia.

Adicionalmente, este equipo ser empleado para ampliar los convenios de

colaboracin con la industria y otras instituciones acadmicas, nacionales y extranjeras.

Es un simulador con 8 ncleos que puede simular sistemas de potencia de hasta 86 nodos y que puede probar equipos en lazo cerrado.

Simuladores Digitales Utilizados por el Grupo

Este equipo complementa y mejora de manera importante la infraestructura experimental de laboratorios de investigacin de los programas de posgrado en ingeniera elctrica

Simulador en Tiempo Real


http://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx/dani.htm

Resultados

Pgina del grupo de investigacin de fenmenos dinmicos en redes interconectadas y mquinas elctricas:


Control de la Estabilidad Transitoria Utilizando Mediciones en Tiempo RealEstabilidad de Sistemas de PotenciaEstabilidad de Sistemas de PotenciaContextos de aplicacinSlide Number 5Slide Number 6Seguridad de Sistemas de PotenciaSlide Number 8Slide Number 9El Mtodo de la Mquina EquivalenteEl Mtodo de la Mquina EquivalenteEl Mtodo de la Mquina EquivalenteEl Mtodo de la Mquina EquivalenteEl Mtodo de la Mquina EquivalenteEl Mtodo de la Mquina EquivalenteSlide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Simuladores de Sistemas de PotenciaSimulador Experimental de Sistemas de PotenciaSimulador Experimental de Sistemas de PotenciaSimulador Experimental de Sistemas de PotenciaSimulador Experimental de Sistemas de PotenciaSimuladores Digitales Utilizados por el GrupoSlide Number 35ResultadosSlide Number 37

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