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Estabilidad Transitoria

Caracterizacin

Habilidad de un sistema de potencia de mantener el sincronismo cuando est sometido a disturbios transitorios severos.

Fallas (corto circuito) en lneas de transmisin, transformadores o barras

Desconexin sbita de generacin o de carga

Implica gran excursin de los ngulos del rotor, influenciado por la relacin no-lineal potencia-ngulo

La estabilidad depende del estado de operacin inicial y de la severidad de la contingencia

El estado de operacin post-falla usualmente difiere del estado pre-falla.

Tipos de respuestas del sistema

Tres casos tpicos posibles: El ngulo del rotor alcanza un mximo

e inicia su oscilacin amortiguada El ngulo continua creciendo hasta la prdida

de sincronismoInestabilidad de primera oscilacinCausado por insuficiente torque sincronizante

Estable en la primera oscilacin, pero se vuelve inestable pues resulta en oscilaciones crecientes.

Ocurre cuando el estado post-contingencia es inestable en pequea sealNo necesariamente es resultado del disturbio transitorio.En grandes sistemas de potencia, la inestabilidad transitoria puede no siempre ocurrir en la primera oscilacinSuperposicin de varios modos de oscilacin, que causan grandes excursiones del los ngulos luego de la primera oscilacin

Duracin de los estudios y mtodos

En estudios de estabilidad transitoria el perodo de inters de las simulaciones es usualmente limitado a 3- 5 segundos, despus del disturbio

Puede ser extendido a 10 segundos para sistemas de gran tamao con modos de oscilacin interrea dominantes.

Los mtodos ms disponibles para los anlisis son las simulaciones en el dominio del tiempo: Solucin de las ecuaciones diferenciales no-lineales Tcnicas de integracin numrica paso a paso

En el grupo ISA se ha desarrollado una aplicacin que emplea mtodos hbridos para estimar la estabilidad transitoria de un sistema de potencia: ESTYRA

Factores que afectan las estabilidad transitoria El comportamiento de un generador durante un disturbio transitorio depende de:

Cargabilidad del generador La salida (potencia elctrica) del generador durante la falla. Esta depende

del tipo y localizacin de la falla El tiempo de aclaramiento de la falla La reactancia del sistema de transmisin en el estado post-falla

La reactancia del generador. Una baja reactancia incrementa el pico de potencia y reduce el ngulo inicial del rotor.

La inercia del generador+turbina. A mayor inercia, ms lenta la rata de cambio del ngulo. Esto reduce la energa cintica ganada durante la falla.

La magnitud del voltaje interno del generador. Este depende del campo de excitacin.

Mtodos directos para anlisis de estabilidad transitoria

Determinan (diagnostican) la estabilidad del sistema de potencia sin resolver explcitamente el sistema de ecuaciones diferenciales.

Dos tipos de mtodos bsicos: Mtodos de Funcin de Energa Transitoria (TEF) Mtodo del Criterio de reas Iguales Extendido (EEAC)

Estos mtodos, adems de diagnosticar, miden el margen de estabilidad con el que est operando el sistema.

Computacionalmente muy rpidos, que los hace ideales para aplicaciones en lnea. Los mtodos directos son principalmente empleados para clasificar las

contingencias: ranking de las ms crticas. Las contingencias crticas se analizan en detalle

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Estimador de Seguridad TransitoriaY Redespacho Automtico

ESTYRA

Ambiente Competitivo.

Antecedentes

Mayor exigencia (stress) red de transmisin.

Operacin prxima a limites de estabilidad.

Topologas y Mantenimientos no considerados en el planeamiento operativo y de corto plazo.

Cambios sbitos de configuracin (atentados).

Dificultad mtodos tradicionales en el anlisis.

Seguridad comprometida sin que analista sepa.

Responsabilidad del Operador la supervisin y la seguridad del sistema

Supervisin en lnea de la Seguridad Dinmica

Qu se quera

Optimizar uso de las redes de transmisin

Anlisis de estabilidad en la sala de control: metodologa automtica y rpida

Toma de acciones correctivas en lnea : determinar redespacho requerido en forma automtica para mejor la seguridad dinmica del sistema.

Usar tambin en los estudios de planeamiento

Modelaje detallado del sistema

Simulacin Tradicional

Esfuerzo computacional elevado

Anlisis subjetivo (curvas)

Seleccin subjetiva de las contingencias

Acciones de control por ensayo y error

Imposible usar para los anlisis en lnea

La seguridad puede estar comprometida

Anlisis de Estabilidad

Bajo una falla trifsica a tierra en uno de los circuitos del sistema de transmisin, la cual es aclarada con tiempo de proteccin principal y asumiendo salida permanente del elemento en falla, el sistema debe conservar la estabilidad

En las mquinas, los ngulos del rotor deben oscilar de forma coherente y amortiguada.

Procedimiento Tradicional

Simular la salida de cada uno de los elementos (generalmente lneas de transmisin) y establecer el comportamiento dinmico del sistema con base en las curvas de oscilacin entregada por el programa.

En caso de no cumplir los criterios, se debe determinar en forma iterativa el valor al cual debe limitarse el intercambio y que generadores deben modificar el despacho

Plan de Desarrollo 1999: buscar en el mercado un paquete comercial para instalar en la sala de control del Centro Nacional de Despacho colombiano.

Qu se intent

Siemens ofreci programa (DSA) que operaba en plataforma SinautSpectrum americana.

Costos de adaptacin y derechos sobre el programa demasiado elevados. (> US$500.000).

Se decide explorar la viabilidad de implementar metodologa propuesta en tesis de maestra.

Durante el ao 2000, se desarroll y prob prototipo adaptando la propuesta de la tesis de maestra: Metodologa para el Estudio de la Seguridad Dinmica de Sistemas de Energa Elctrica Usando los Mtodos SLEP Iterativo y de las reas Iguales Extendido.

Qu se encontr

Se comprob la validez y efectividad de los resultados obtenidos en el prototipo (abril a septiembre de 2000).

No fue posible adquirir los derechos de uso del SLEP.

Plan de Desarrollo ao 2001, implementar (si fuera posible) la metodologa sin usar el SLEP.

Qu se decidi

Determinar s con el Criterio de reas Iguales Extendido es suficiente para implementar una metodologa propia.

En caso afirmativo, comprobar la validez y efectividad de los resultados obtenidos.

ESTYRA operando en la sala de control

EEEAC

DEEAC

ACUCSO

SCADA Estimador de Estado Archivo IEEE

Selector de Contingencias

Contingencias con tcr_EEEAC

Modelaje simplificado

Criterio de reas Iguales Extendido

Rapidez computacional

ndices de desempeo : * Tiempo crtico * Margen de seguridad

Es posible cuantificar en forma automtica acciones de control

Posibilidad de usar en los anlisis de seguridad en lnea

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0.0 0.2 0.5 0.7 0.9 1.2 1.4 1.6 1.9

Tiempo (s)

n

g

u

l

o

s

(

G

r

a

d

o

s

)

513

515518

203, 208

219221

216, 210

404

310313

112, 109

S

A

Dos Mquinas Equivalentes OMIB

Simplificacin del sistema de potencia

Dinmica sistema multi-mquinas

( )=

+=

=

=

n

ijj

ijjiijjiiiiiii

iiii

ii

YEEYEPe

PePmM

1

2 coscos

S : mquinas responsables por la perdida de sincronismo A : conjunto formado por las mquinas restantes

Modelo agregado de dos mquinas

=

=

=

=

Ajjjaa

aa

Siiiss

ss

PePmM

PePmM

)(

)(

Mquina Barra Infinita

eqPeeqPmeqM =

( )

( )

=

=

=

+=

=

+=

=

Si Ajijji

Si AjijjiTsa

Aj Akjkkjs

Si Skikkia

T

eq

assaMeq

BEED

GEEMMMCDCtan

DCPmax

GEEMGEEMM

Pc

PmaxPcPe

PmMPmMPmT

1

1

2/122

1

)()/(

1

)sen(

Aace=Adesc (ngulo crtico) tcr(tiempo crtico)=desace=(t) : Margen de Seguridad Absoluto

EEEAC - Margen de Seguridad

Ecuaciones Bsicas

Margen de Seguridad Absoluto = desace = (t)

[ ]

[ ])cos()cos())((

)cos()cos())((

dodt

otdeq

pppt

tueqp

d

p

Pmax

PcPm

Pmax

PmPc

++

=

En trminos de energa, la expresin del margen de seguridad para una contingencia es definida como:

Ecrit :Energa potencial crtica total del sistema

Ee :Energa total sistema en instante eliminacin defecto (tiempo de la proteccin).

Margen de Seguridad Relativo

crit

ecrite E

EE =

Se puede demostrar

Margen de Seguridad Relativo

cc

tte AA

AA31

12

+

=

Aceleracin inicial Mquinas ms aceleradas al inicio del transitorio.

Estrategias para seleccionar conjuntos crticos candidatos

Aceleracin inicial y distancia elctrica Combinar las mquinas ms aceleradas al inicio y

las ms prximas a la barra en corto circuito.

Clasificacin mquinas avanzadas en t=tu Segn grado relativo de separacin de cada mquina, obtenido en una trayectoria

prxima a la crtica (falla mantenida por un tiempo superior al tiempo crtico) y observado en el punto de equilibrio inestable del OMIB equivalente.

Mediante el EEEAC, aquel conjunto de mquinas candidatas que produzca el menor tiempo crtico, tcr_EEEAC, es escogido como conjunto crtico : S

Seleccin Conjunto Crtico y Clculo del Tiempo Crtico

S el tiempo crtico as calculado tcr_EEEAC

Criterio reas Iguales Extendido Dinmico - DEEAC

Conjunto mquinas crticas definido previamente

Las diferencias angulares entre las mquinas de cada "cluster" son consideradas

Parmetros OMIB recalculados paso a paso

Simulacin paso a paso del sistema con tiempo crtico estimado, tcr_EEEAC.

Corregir iterativamente el tiempo de crtico hasta satisfacer el criterio de rea iguales tcr_DEEAC

Criterio reas Iguales Extendido Dinmico - DEEAC

Identificacin

Acciones de Control

Considerar todas las contingencias tcr_DEEAC

msms Ps

eP

s

e

oer

SdPmdS

dPmd

OrdenOrden

'

21

2

2 ==

200 '2

1Taylor de serie Expansin

sPPsPPo

ee

o

e

r

e PmSPmSms

msms

ms++=+=

0

000

'

'22

ms

msmsms

P

ePPPs S

SSSPm

+=

Acciones de Control

Acciones de Control Utilizando Coeficientes de Sensibilidad del OMIB

Mdulo ACUCSO

Corregir solo la peor contingencia ?

Se tiene en cuenta el efecto del redespacho en todas las contingencias con tcr_DEEAC

Toda variacin de generacin en una mquina debe ser compensada por otra (redespacho de generacin)

Hiptesis ACUCSO simultneo

A todo redespacho esta asociado un costo y una variacin en la margen "global" del sistema, que pueden ser cuantificadas

Los mejores redespachos son los que combinan menor costo y mayor efectividad en la margen "global

Estableciendo un factor que pondere los aspectos de economa y efectividad, es posible clasificar y ordenar los ng (ng-1) redespachos tericamente posibles

Interfase grfica del ESTYRA

Interfase grfica del ESTYRA

SimulaciSimulacin en el tiempo abril 3 5:47n en el tiempo abril 3 5:47

ESTIMADOR DE SEGURIDAD ELCTRICA DE UN SISTEMA DE POTENCIA: ESTYRA

ESTIMADOR DE SEGURIDAD ELCTRICA DE UN SISTEMA DE POTENCIA: ESTYRA

Conclusiones

Metodologa implementada y utilizada desde el ao 2001

Resultados satisfactorios

Redespachos sugeridos coherentes

Elevada velocidad computacional Sistema colombiano: TODAS las contingencias del Sistema de

Transmisin Nacional (172) en menos de 10 segundos

Herramienta til para seguridad en lnea.

Se le adicion un mdulo para estimar sobrecargas

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Desempeo de las protecciones

Desempeo de las protecciones

Monitorear, detectar condiciones anormales y seleccionar los interruptores a abrir.

Tres requerimiento s bsicos: selectividad, velocidad y confiabilidad

Un desempeo satisfactorio de los sistemas de protecciones es de suma importancia para la estabilidad del sistema: Distinguir diferentes condiciones de falla, oscilaciones de potencia estables y

prdida de sincronismo Operar solo cuando sea necesario Operar lo suficientemente rpido Coordinar con otros rels.

Desempeo de las protecciones

Sistemas especiales de proteccin para separar dos sistemas inestables en una localizacin especfica

Uno de los aspectos ms importantes de los anlisis de estabilidad transitoria es la evaluacin de los sistemas de proteccin.

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Mejoras a la estabilidad transitoria

Mejoras a la estabilidad transitoriaObjetivos

Reducir el efecto del disturbio minimizando la severidad y la duracin de la falla

Incrementar las fuerzas (torques) sincronizantes

Reducir el torque acelerante

Mejoras a la estabilidad transitoriaAclaramiento de fallas a alta velocidad

La cantidad de energa cintica ganado por el generador durante la falla es directamente proporcional a la duracin de la falla. Cuanto ms rpido sea aclarada la falla, menor disturbio causar.

Interruptores de dos ciclos, junto con rels y comunicaciones de alta velocidad, son ahora utilizados en sitios en donde el despeje rpido de fallas es necesario.

Mejoras a la estabilidad transitoriaReduccin de la reactancia de transmisin

Las reactancias inductivas en serie de las redes de transporte son determinantes en los lmites de estabilidad de un sistema de potencia.

Reduciendo la reactancia de las lneas de transmisin se mejora la estabilidad transitoria

El voltaje nominal, la configuracin de la lnea y de los conductores y el nmero de circuitos en paralelo determina en primera instancia la reactancia de la red.

La compensacin capacitiva en serie tambin es empleada para reducir la reactancia equivalente de una lnea

Mejoras a la estabilidad transitoriaCompensacin paralelo regulada

Es posible mejorar la estabilidad transitoria de un sistema incrementando el flujo de potencia sincronizante entre los generadores interconectados, mediante el control del perfil de voltajes.

Condensadores sincrnicos o compensadores estticos de reactiva (FACTS) pueden ser usados para este propsito

Mejoras a la estabilidad transitoriaOperacin monopolar de los interruptores

El uso de mecanismos separados para cada una de las tres fases en el circuito del interruptor, independiza la apertura y el cierre de cada una de las fases. Una falla monofsica podr no implicar la operacin de las otras dos fases. Ante una falla monofsica, se abre nicamente la fase fallada y se procede a

efectuar un recierre rpido (0l5 a 1.5 segundos). Para fallas en varias fases, el sistema debe abrir los tres polos.

Cuando se abre una fase, la potencia es transferida por las otras dos fases.

Mejoras a la estabilidad transitoriaDesconexin de generadores

La desconexin selectiva de unidades de generacin para contingencias severas en el sistema de transmisin, ha sido utilizada por muchos aos para mejorar la estabilidad transitoria

El rechazo de generadores en un sitio apropiado del sistema, reduce la potencia transferida que exceda el valor crtico del lmite de transmisin

Unidades pueden ser disparadas rpidamente, siendo este un medio muy efectivo y poco costoso de mejorar la estabilidad transitoria.

En muchos casos este sistema suplementario del sistema de protecciones, puede ser instalado y operado en un sitio muy cercano al generador

Mejoras a la estabilidad transitoriaSeparacin de sistemas y desconexin de carga.

Puede ser usado para prevenir que un disturbio en una parte de un sistema interconectado se propague al resto del sistema, causando mayores efectos e incluso colapso total.

Los disturbios severos son usualmente caracterizados por un cambio sbito en el flujo de potencia a travs de la lneas de interconexin

Los esquemas implementados, generalmente supervisan varia cantidades elctricas, tales como cambios en el flujo de potencia, cambios en los ngulos del voltaje, velocidad de cambio de la potencia, etc.

Una vez detectada la inestabilidad, se inicia una separacin controlada del sistema, abriendo las lneas predefinidas antes de que las salida en cascada ocurran.

En muchos casos, puede ser necesaria la desconexin de carga, para balancear la generacin y la carga de los sistemas separados.

Mejoras a la estabilidad transitoriaSistemas de excitacin de alta velocidad.

Una mejora significativa en la estabilidad transitoria puede ser obtenida mediante el rpido incremento temporal de la excitacin del generador.

Incrementado el voltaje de campo del generador durante un disturbio transitorio, tiene el efecto de incrementar el voltaje interno de la mquina, que a su vez incrementa la potencia sincronizante.

Durante un transitorio (usualmente un corto circuito) el voltaje en terminales del generador es bajo. El regulador automtico de voltaje (AVR) responde a esta situacin aumentando

el voltaje de campo del generador, lo cual tiene un efecto benfico a la estabilidad transitoria.

La efectividad de este tipo de control depender de la capacidad del sistema de excitacin de incrementar rpidamente el voltaje de campo al valor ms alto posible.

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