Evaluación de la estabilidad transitoria en sistemas...

1SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos 1

Control de la Estabilidad Transitoria Utilizando Mediciones en Tiempo Real

Daniel Ruiz Vega

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

Morelia, Michoacán, México, del 24 a 26 de Agosto de 2011


Estabilidad de Sistemas de PotenciaEl sistema de potencia es un sistema muy dinámico en el que varían en el tiempo tanto los valores de sus parámetros (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 operación 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

Car

ga (M

W)

1 de enero 1 de junio

Variación de la carga de un

área de control del Sistema

Interconectado Nacional

en dos dias diferentes


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

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

Como el sistema de potencia es un sistema no-lineal, el análisis de estabilidad se realiza y es válido

solamente para un

punto de operación y ante una contingencia específica.

Estabilidad de Sistemas de Potencia


Contextos de aplicaciónPara asegurarse que siempre se cumpla el balance generación-carga las compañías eléctricas realizan una serie de decisiones coordinadas que pueden ser divididas en tres etapas principales:

– Planeación del sistema ó adquisición de recursos.

Se elige con años de adelanto entre alternativas para reforzar los sistemas de generación y transmisión .

– Planeación de la operación ó programación.

Esta etapa incluye tres procesos principales: programación del mantenimiento, coordinación hidrotérmica y asignación de unidades termoeléctricas.

– Operación en tiempo real ó despacho.

Años/Meses Dias Horas Minutos Segundos Ciclos Tiempo

PlaneaciónPlaneación de la

operaciónOperación en tiempo

real

Construir Mantener Programar OperarACTIVIDADES

MERCADOS Largo plazo Mediano plazo Corto plazo

CONTEXTOS

Décadas/Años

Contextos de aplicación de los estudios de estabilidad


Evaluar la estabilidad en el contexto de operación ha sido un tema de investigación abierto desde finales de los años 60 del siglo pasado. En ese contexto la evaluación de la estabilidad se realiza dentro de la determinación de los límites seguros de operación 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 planeación del sistema, hasta su sentido presente de ser una condición instantánea, variante en el tiempo, que debe ser evaluada en el contexto de la operación de los sistemas de potencia desde un centro de control.

Seguridad de Sistemas de Potencia


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

• Funciones de seguridad en tiempo real, las cuales evalúan y controlan la seguridad del estado actual de operación del sistema después de que ha ocurrido algún disturbio, empleando mediciones en tiempo real.

Seguridad de Sistemas de PotenciaEvaluar la estabilidad en el contexto de operación 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”:

7


Estructura general de una función de seguridad

SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos


• Sistema de filtrado de contingencias para estabilidad transitoria.

• Estabilización de contingencias múltiples.

• OPF con restricciones de estabilidad (métodos secuencial y global).

• Creación de controles de estabilidad adaptables (método OLEC).

• Evaluación y control de oscilaciones en línea.

• Mejora de modelos de componentes del sistema.

• Métodos de validación de modelos del sistema incluyendo pruebas a generadores, controles y cargas.

Seguridad de Sistemas de PotenciaSe tiene en el grupo de investigación de fenómenos dinámicos una experiencia de más de 15 años y se continua trabajando principalmente en las funciones de seguridad en línea para estabilidad angular, en los siguientes temas:


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

Aunque existen muchos aspectos aún que se deben mejorar para su aplicación práctica, es una línea de investigación muy prometedora que se va a seguir desarrollando en el grupo.


10

Grupo de máquinasavanzadas

Grupo de máquinas restantes

1 máquina avanzadaequivalente

1 máquina equivalente

Sistema equivalente de unamáquina- bus infinito

(OMIB)

} Systemaequivalente

de dosmáquinas

Reducción del sistema original a un sistema de una máquina equivalente

OMIB: “One Machine Infinite Bus”

Principio

– Reemplaza el sistema multimáquinas por un sistema tipo máquina-bus infinito variante en el tiempo.

– Evalúa la estabilidad del sistema original al aplicar el criterio de áreas iguales al sistema equivalente de una máquina (SIME)


El Método de la Máquina Equivalente

11


Evolución del sistema en el tiempo Aplicación del criterio de áreas iguales al OMIB

Identificación de las máquinas críticas

0uaP

0uaP


12


2

21 M

Márgenes y criterios de estabilidad

uu eer

st

P

Pm Pm

PePe

Aacc Aacc

Adec Adec

Margen Inestable: Margen Estable :

P

u

r

dPast

0r

0raP

accdec AA Criterio de Áreas Iguales :

0uaP

0uaP


13


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

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


14

El método también provee medios para comprender la dinámica del sistema de potencia por medio de tres representaciones principales:

Curvas de oscilación multimáquinas Curvas de oscilación del OMIB Curvas P-

del OMIB



15

Curvas de oscilación multimáquinas Curvas de oscilación del OMIB Curvas P-

del OMIB

Curvas del plano de fase del OMIB

Filtrado de contingencias Evaluación detallada




Método 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<0)?

Stability MarginCritical Machines

Yes

No

2*

1*

3*

Tiempos para el método: Adquisición de datos [50ms], Procesamiento de datos (bloques 2* y 3*) [60-

200ms], envío de las acciones de control [50ms], control aplicación de las acciones de control [50 ms].

En promedio: de 210 a 350 ms

después de que se libera

la falla. Si tu

es más pequeño que 450 ms, el método no tendrá

tiempo

suficiente para actuar.


Sistema de Prueba de 3 generadores y 9 nodos

del IEEE

Control de la Estabilidad Transitoria en Tiempo Real

0.71

64

0.27

05

1.25

0

0.50

0.90

0.30

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

0.86

62

-0.0

838

-0.4

068

-0.3

869

-0.1

131

-0.8

432

0.22

89

0.40

94

0.01

03

0.30

70-0

.305

4

-0.1

654

0.60

82

-0.1

808

-0.1

346

-0.5

946

0.27

05

0.71

64-0

.716

4

-0.2

393

1.0400 0.0000º

1.0250 9.2801º

1.0250 4.6648º

1.0258 2.2168º

0.9956 3.9888º 1.0127 3.6874º

1.0258 3.7198º

1.0159 0.7276º

1.0323 1.9668º

Falla en el nodo 5 liberada en 0.2 s desconectando la

línea 5-7


Predicción de la composición del OMIB



Predicción de la inestabilidad del OMIB




1 2 3 4 5 6

Measurement ti

(s) δu

(rad) tu

(s) η/M (rad/s)2

η/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


Aplicación del control de estabilidad



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



Trayectorias de los ángulos de los generadores en el caso controlado


Simuladores de Sistemas de Potencia

Siempre se han requerido para el análisis en estado estacionario y dinámico del sistema de potencia

• Primeros simuladores: físicos (1920).

• Simuladores analógicos (analizadores de red, 1930)

• Simuladores de computadora analógica con elementos de estado sólido (1950)

• Simuladores de computadora digital (1950)

• Simuladores físicos escalados y especiales (1960)

• Simuladores de computadora digital en tiempo real (1994)

30

Simulador Experimental de Sistemas de Potencia




a) Máquina educacional como generador síncrono b) Rotores.

Figura: Máquina educacional de laboratorio de 5 kVA



Micro Red



Máquina Generalizada AEI Máquina 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 análisis modal)

• Programa CONT (Estudios de estabilidad de voltaje por el método de flujos de potencia de continuación)

• Programa PSS/E versión 29 de Siemens

• Programa DSATools versión 10 de Powertech

• Programa Powerworld versión 6

• Programa DIGSilent versión 13

Programas propios

Programas comerciales

35SEPI-ESIME-Zac IPN. Ingeniería Eléctrica. Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos

35

•

Es una herramienta de investigación que permitirá

consolidar las líneas de

investigación de los profesores nuevos en las áreas de protección de SEP, estabilidad, máquinas eléctricas, transitorios electromagnéticos, alta tensión y electrónica de potencia.

•

Adicionalmente, este equipo será empleado para ampliar los convenios de

colaboración con la industria y otras instituciones académicas, nacionales y extranjeras.

•

Es un simulador con 8 núcleos 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 investigación de los programas de posgrado en ingeniería eléctrica

Simulador en Tiempo Real


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

Resultados

Página del grupo de investigación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas:

Evaluación de la estabilidad transitoria en sistemas...

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