Sistema de transferencia de energía crítica automática

IntroducciónUn requerimiento importante en la misión de sistemas de distribución de energía eléctrica crítica es la necesidad de operación automática. En particular, la rápida y confiable transferencia de poder de una fuente de poder a otra, debido a ciertos eventos en el sistema, es crucial para alcanzar metas de confiabilidad para dicho sistema y la planta a la que sirve. Sin embargo, el diseño de dicho sistema de transferencia automático es, con frecuencia, considerado lo menos importante respecto a otros aspectos del diseño del sistema de poder. Los resultados pueden dejar mucho que desear y en muchos casos, puede resultar catastrófico.

Antecedentes

Misión de entorno críticoEn la mayor parte de las actividades de hoy, los requerimientos de confiabilidad se vuelven más estrictos. Dentro de las aplicaciones más demandantes, están las de centros de información, donde el equipo usado no puede tolerar una falla de energía momentánea, e incluso las más mínimas interferencias en el sistema de energía pueden causar que los equipos computacionales reinicien, causando pérdidas de tiempo operacional. Una manera de ilustrar la sensibilidad de las cargas de equipos computacionales a perturbaciones en el sistema eléctrico es la curca ITI (CBEMA) Fig 1.

Puede ser visto en la Fig.1 que incluso la más corta de las perturbaciones puede causar problemas. Una falla a gran escala, que dure minutos u horas, es por lo tanto no tolerable para este tipo de sistemas. De hecho, incluso los aproximados 10 segundos de falla, requeridos para la transferencia al sistema generador de electricidad no es una opción en este tipo de sistemas.El hecho de que un sistema de carga eléctrica no pueda operar con un 100% de confiabilidad es bastante conocido.

Niveles de voltaje.La elección de distribución de voltaje en una planta depende primordialmente en el tamaño de la planta y el sistema de carga. En muchos casos, un nivel de voltaje medio (2.4 – 69 kV) es requerido para cierta corriente de servicio. Sin embargo, la mayor parte de los equipos utilizan niveles de voltajes bajos (hasta 600 V).

Topología de distribución de energía crítica

La elección de la topología de distribución de energía es la primera línea de defensa ante fallas de energía críticas. En el contexto de transferencias automáticas, el arreglo más común y el

que se utilizará en este proyecto es el de arreglo de selector secundario o “main-tie-main”. Una implementación de este sistema se muestra en la Fig. 2:

En este arreglo, hay dos buses, cada uno de ellos surte aproximadamente 50% de la carga, pero es diseñado para conducir la carga completa. En la Fig. 2, esto significa que cada transformador, el interruptor principal secundario y el equipo del bus secundario está diseñado para soportar la carga completa. En caso de que un transformador falle, la carga completa sería transferida al otro transformador y su bus secundario estaría asociado vía el interruptor de enlace.

Generación en sitioComo se ha mencionado previamente, la compañía suministradora de electricidad surte electricidad un 99% del tiempo. Sin embargo, en caso de falla, debe de haber una fuente alterna de poder para el sistema eléctrico. Típicamente, esta fuente alterna de poder puede ser surtida por un generador en espera, típicamente de diésel.

Rol de sistema de transferencia automáticaUtilizando un simple diagrama de bloques de la compañía suministradora, topología del sistema y generación en sitio, el rol básico del sistema de transferencia automática ya puede ser definido. Simplemente establecido, el rol del sistema de transferencia automática es: proveer una transferencia de energía automática para una carga de su fuente de poder regular, como la provista por la compañía suministradora de electricidad, a una fuente de poder alterna, como generación en espera, en caso de que la fuente regular falle. Como se muestra en la Fig. 3:

Fig. 3 Critical Power System Functional Block Diagram

Requerimientos operacionalesPara ilustrar los requerimientos operacionales de un sistema de transferencia automático típico, una representación detallada del sistema es requerida. Para este propósito, el arreglo

“main-main” es mostrado en la Fig.4, pero con los detalles del sistema de transferencia automática ilustrados.

Equipo de transferencia

Fuente de poder regular

Fuente de poder alterna

Sistema de transferencia automática

Fig. 4 Detalle esquemático de transferencia automática “main-main”

En la Fig. 4, la lógica de transferencia automática ayuda a elegir, que operaciones deben pasar y cuando. Controla la operación de dos interruptores de circuito, CB-UM y CB-GM, y recibe entradas de estad de esos dos interruptores. También puede iniciar el arranque del generador como fuente de poder alternativa. Relevadores de baja de voltaje (dispositivo 27) y secuencia de voltaje negativa (dispositivo 47), en cada fuente de poder dan a la lógica de transferencia indicación de su condición. Además, un relevador de frecuencia (dispositivo 81) está presente para indicar la frecuencia de la fuente alternativa de poder. Transformadores de voltaje, o VT’s, disminuyen el voltaje del sistema a niveles de voltaje de instrumentación, que pueden ser utilizados por estos relevadores. Una interface de usuario permite ajustar ciertos parámetros de operación del sistema, e informa al usuario el estado del sistema. Usando estos criterios operacionales, se desarrollará el sistema de transferencia automática.

Modos de operaciónUn requerimiento esencial de cualquier sistema automático de transferencia es la habilidad de tener diferentes modos de operación. En un dado modo de operación, el sistema de transferencia responderá en una forma cambiando las condiciones del sistema. Para otro modo de operación diferente, el sistema de transferencia responderá diferentemente. Dos modos básicos de operación, que cualquier sistema de transferencia automático debe tener, son:

1) Modo manual2) Modo automático

Fuente de poder alterna

(Generador)Iniciación de generador

Estado de

voltaje

Estado de

voltaje

Control de apertura/cierre Control de apertura/cierre

Estado de interruptor Estado de interruptor

Fuente de poder regular

Lógica de transferencia automática

Interface de

usuario

Estado de sistema de transferenciaParámetros ajustables por usuario

En el modo manual, el sistema de transferencia automático, no realiza ninguna operación de forma automática, por ejemplo no respondería a ningún cambio en el sistema. Todas las operaciones de interrupción/conexión deben ser realizadas manualmente. Contrariamente, en el modo de operación automático, con excepción de algunas funciones de emergencia, son automáticas y el sistema responderá automáticamente a situaciones cambiantes del sistema.

Iniciación de transferenciaEn el modo automático, el sistema de transferencia debe ser capaz de reaccionar a la falla de fuente, mediante la inicialización de una transferencia. Para este propósito, es necesario para el modo lógico saber la condición de la fuente regular y alterna. Esto es típicamente cumplido vía baja de voltaje (dispositivo 27) y secuencia negativa de voltaje (dispositivo 47), como se muestra en Fig. 4. El relevo de frecuencia no suele ser requerido para fuentes de compañía eléctrica ya que la frecuencia tiende a ser bastante estable, y no es afectada por el cambio de cargas dentro de la planta. Sin embargo, para generadores en espera, mientras generalmente son controlados por gobernadores asíncronos hay un límite a la cantidad de energía (y a variaciones de energía) que pueden suplir sin cambios en frecuencia. Además de que al inicio del ciclo de arranque la frecuencia del generador es cero, y esta incrementará a la frecuencia nominal (típicamente 60 Hz) como parte del proceso de arranque. Por estas razones, se añaden relevadores de frecuencia (dispositivo 81) y son usados por el generador en conjunto con relevadores de baja de voltaje y de frecuencia negativa. Porque sobre-voltaje puede ser un problema cuando se opera un generador de energía (por ejemplo, si el regulador de voltaje falla o el generador absorbe una carga reactiva excesiva), los relevadores de sobre-voltaje (dispositivo 59) son usados ocasionalmente también (no mostrado en Fig. 4).

Los niveles de activación y retraso de tiempo para estos relevadores son funciones del sistema en sí y la cantidad de tiempo en la cual condiciones anormales pueden ser toleradas. Por ejemplo, los relevadores de baja de voltaje, están condicionados a activarse cuando los niveles de voltaje bajan a un 80% del voltaje nominal. Los relevadores de secuencia de voltaje negativa, están pre-condicionados a responder a la pérdida de una sola fase, pero puede ser ajustada. Los relevadores de frecuencia deben estar condicionados cuidadosamente para evadir operaciones molestas en variaciones de carga normales. Debe notarse de que estos relevadores son, por lo regular, utilizados para uso del modo de transferencia automático, y están separados de los relevadores o el control del generador que tengan funciones que provean protección para el generador. Se requiere cuidadosa coordinación, para asegurarse de que los relevadores de transferencia automática sean accionados antes que los relevadores de protección del generador.

La indicación de estos relevadores para el sistema de transferencia automático está típicamente en la forma de una sola entrada binaria, por ejemplo: “Fuente normal”, “Fuente anormal”. Tras recibir la señal de fuente anormal, cuando el sistema está operando con energía de la compañía suministradora, la lógica automática de transferencia debe responder. Típicamente, esta respuesta es retrasada para asegurarse de que la anormalidad no es una condición transitoria, para prevenir una transferencia innecesaria. El retraso de tiempo es, por lo regular de 5 a 10 segundos. Una vez que el retraso expira, se activa el sistema de transferencia automática.

Consideraciones de bus muertoUna vez que la transferencia a iniciado y el sistema ha sido desconectado de su fuente regular, debe darse un retraso de tiempo suficiente para permitir que el voltaje residual de motores giratorios decaiga antes de que el sistema sea transferido a una fuente alterna. El tiempo es por lo regular de 2 a 5 segundos.

Arranque de generadorPara el ejemplo de la Fig. 4, una señal provee el inicio del arranque del generador, por lo regular mediante contactores normalmente abiertos.

Compleción de la transferenciaUna vez que la fuente alterna está disponible y el tiempo de bus muerto ha expirado, el sistema de transferencia debe cerrar el interruptor de la fuente alterna para poder suplir la energía del generador, mediante CB-GM.

Re-transferencia a fuente regularLa fuente regular, cuando regresa, típicamente inicia un temporizador en el sistema de transferencia automática. Este retraso es para asegurarse de que la fuente regular se ha estabilizado, por lo regular es de 5 a 15 minutos. Una vez que el retraso expira se puede regresar a la fuente regular de energía y puede ser una transición abierta o transición cerrada.

Re-transferencia en transición abiertaComo su nombre lo implica, la transición abierta significa desenergizar el sistema antes de conectar a la fuente regular. Esta transición es la más segura, la más barata, la más sencilla y la que se usará en este proyecto, sin embargo requiere de un segundo apagón. En el ejemplo de la figura 4, el interruptor de circuito CB-GM se abriría y un retraso de bus muerto ocurriría, y el circuito CB-UM se cerraría para completar la retransferencia.

HMI propuesta

Fig. 5

La interface touch screen propuesta en la Fig. 5 incluye:1) Un diagrama que cambia de color para denotar la energización de componentes del sistema.2) Indicadores de disponibilidad de fuente.3) Indicador de estado de interruptores4) Resumen de estado del sistema de transferencia5) La habilidad de cambiar configuraciones numéricas tales como: falla de fuente, bus muerto y timers.6) Rápida transferencia manual del sistema de una fuente a otra en modo manual7) Un log de eventos que captura eventos de transferencia automática para propósitos de diagnóstico.

Sistema operando en modo regular

Auto re-transferenciaActivada

Abierto

Línea 1 Línea 2

Modo de transferenciaAutomático

Disponible DisponibleEnergizado

Cerrado Cerrado CerradoAuto re-

EnergizadoEnergizado

Estado de sistemaLog de eventos

Mantenim.

Desanclaje de control

Config.

Esta pantalla tiene control

Principal 1 Principal 2Enlace 1 Enlace 2

Bus de enlace

Bus 1 Bus 2

Controlador lógico programableSe diseñará el control lógico del sistema con un PLC (SLC 5/05 de 32 kbits 1 módulo de entradas y 1 módulo de salidas), no se programará la HMI, solo se diseñará la lógica básica de escalera en modo automático.

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

AUTOMATIZACIÓN

SERIE DMEM1-A

“ SISTEMA DE TRANSFERENCIA AUTOMÁTICO”

PROFESOR

JUAN CARLOS PARRA RAYOS

Alumno:

Leal Pintor Daniel Alberto, 10210926

Tijuana, Baja California, a 5 de junio de 2014