SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIAMETODOLOGA DE SINTONIZACIN DE PARMETROS DEL ESTABILIZADOR DEL SISTEMA DE POTENCIA (PSS) ...........................................................................................................................Ing. Pablo Verdugo - Dr. Jess Jtiva 5IDENTIFICACIN DE EQUIVALENTES DINMICOS MEDIANTE OPTIMIZACIN DE MAPEO MEDIA-VARIANZA EN AMBIENTE DIGSILENT POWER FACTORY ......................................................Ing. Jaime Cepeda - Dr. Jos Rueda 13CARACTERIZACIN DEL NGULO DE VOLTAJE EN EL SISTEMA ELCTRICO ECUATORIANO UTILIZANDO MEDICIONES DEL PMU, UN FACTOR IMPORTANTE EN LA SEGURIDAD DEL SISTEMA ..Ing. Roberto Barba - Ing. Christian Erazo 23 INDICE DE SEGURIDAD DEL SISTEMA MEDIANTE ANLISIS DE CONTINGENCIAS N-1..........................Ing. Vernica Flores - Ing. Wendy Almeida 30 BIOGS: UNA ALTERNATIVA PARA LA EXPANSIN DE GENERACIN ELCTRICA EN EL ECUADOR ............................................................................................................................................... Ing. Rafael Soria - Ing. Pablo Carvajal 38FACTIBILIDAD DE ADAPTACIN Y ADOPCIN DE LAS NORMAS NERC CIP EN EL CENACE................................................. Ing. Andrs Narvez 45

TECNOLGICOS E INNOVACINPREDICCIN Y EVALUACIN DE LA ESTABILIDAD TRANSITORIA EN TIEMPO REAL UTILIZANDO MEDICIONES SINCROFASORIALES.......................................................................................................... Ing. Diego Echeverra - Dra. Delia Colom 54 ESTRATEGIAS PARA LA IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE REA EXTENDIDA WAMS EN EL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO DEL ECUADOR...................................................................Ing. Gabriel Rivera - Ing. Aharon De La Torre 64IMPLEMENTACIN BSICA DE UN AMBIENTE DE NUBE PRIVADA EN CENACE A TRAVS DE LA TECNOLOGA DE VIRTUALIZACIN HYPER-V DE MICROSOFT ........................................................... Ing. Hugo Paredes - Ing. Marco Chanatasig 73 SISTEMAS DE MEDICIN DE GAS NATURAL CON TECNOLOGA PLACA ORIFICIO APLICADOS EN UNA CENTRAL DE GENERACIN TRMICA ....................................................................................................................................... Ing. Carlos Del Hierro 79 IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA DE GESTIN Y CONTROL DE COMBUSTIBLES (SICOMB) PARA EL SECTOR ELCTRICO ............................................................................................................................................. Ing. Carlos Del Hierro - Ing Roberto Snchez 87DESARROLLO DE UN CONVERTIDOR ELECTRNICO MULTINIVEL PARA APLICACIONES DE COMPENSACIN DE POTENCIA REACTIVA..............................................................................................................................................Dr. Julio Viola - Ing. Flavio Quizhpi 96SISTEMA DE TOMA, ANLISIS Y GESTIN DE DATOS INDUSTRIALES DE LA CENTRAL QUEVEDO II, CELEC EP UNIDAD DE NEGOCIOS TERMOPICHINCHA.............................................................................. Ing. Julio Crespo - Ing. Miguel Cedeo 104IMPLEMENTACIN DE EQUIPOS DE SILICONA DE GEL EN REDES SUBTERRNEAS ...................................................................Ing. Jos Hidalgo 110

EFICIENCIA ENERGTICASISTEMA HBRIDO SOLAR -ELICO PARA EL ABASTECIMIENTO ELCTRICO DEL CENTRO NACIONAL DE CONTROL DE ENERGA ................................................................................................................................................................ Ing. Juan C. Herrera 118MECANISMOS DE PROMOCIN Y FINANCIAMIENTO DE LAS ENERGAS RENOVABLES EN EL ECUADOR... ............................................................................................................................................ Ing. Andrea Eras - Ing. Antonio Barragn 128SIMULACIN Y ANLISIS DEL SISTEMA HBRIDO ISLA ISABELA EN GALPAGOS......................................Ing. Pablo Carvajal - Ing. Adrin Moreno 136INFLUENCIA SOBRE EL FACTOR DE EMISIN DE CO2 DEL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO DEBIDO AL INGRESO DE LA CENTRAL COCA CODO SINCLAIR ........................................................... Ing. Jos Oscullo - Ing- Vernica Crdenas 143UTILIZACIN DE LUMINARIAS LED COMO REEMPLAZO DE LUMINARIAS INCANDESCENTES Y FLUORESCENTES: ANLISIS DE LOS PARMETROS TCNICOS..................................................................Ing. Edgar Durn - Ing. Miguel Dvila 150ANLISIS ENERGTICO-ECONMICO DE LA UTILIZACIN DE FOTOCONTROLES TIPO FAIL-ON O FAIL-OFF PARA ALUMBRADO PBLICO EN LA EMPRESA ELCTRICA REGIONAL CENTRO SUR C.A. DE LA CIUDAD DE CUENCA.........Ing. Edgar Durn - Ing. Miguel Dvila 156 ABASTECIMIENTO PTIMO DE LA DEMANDA DEL SISTEMA METRO QUITO ........................................... Ing. Roberth Saraguro - Ral Llumiquinga 165ANLISIS DE CICLO DE VIDA DEL PROYECTO SUSTITUCIN DE 330.000 REFRIGERADORAS A CARGO DEL MINISTERIO DE ELECTRICIDAD Y ENERGA RENOVABLE............................................................................................................... David Tqueres 177

Edicin No. 9(ISSN 1390 5074)

Revista Tcnica

AUTOR TTULO Pg.

Enero 2013Enero 2013

GESTIN EMPRESARIALPROPUESTA PARA LA ESTRUCTURA ORGANIZATIVA Y EL MODELO DE GESTIN DE LOS CENTROS DE OPERACIONES DE LAS EMPRESA DISTRIBUIDORAS DE ENERGA ELCTRICA PROPUESTA METODOLGICA PARA SU IMPLANTACIN.......................................................................................................................... Ing. Linda Chimborazo - Ing. Roberto Barba 186 APLICACIN DE LAS NORMAS INTERNACIONALES DE INFORMACIN FINANCIERA (NIIF) EN LA CORPORACIN CENACE....................................................................................................................................................................Ing. Anita lvarez 195MEJORAMIENTO DE LA GESTIN ADMINISTRATIVA Y FINANCIERA DE LAS EMPRESAS PBLICAS DE LA FUNCIN EJECUTIVA DEL ECUADOR: CASO EMPRESA COORDINADORA DE EMPRESAS PBLICAS...Ing. Jos Oscullo - Eco. Patricia Alvear 205

TRABAJOS INVITADOSEL PENNISETUM CLANDESTINUM COMO FUENTE ENERGTICA PARA APLICACIONES TRMICAS EN EL

ECUADOR ............................................................ Ing. Jaime Ayala 214MOTOR DE INDUCCIN DE UNA SOLA ESPIRA ... Ing. Flavio Quizhpi - Tlgo. Franco Bresciani 224

DIRECTOR EDITORIALGabriel Argello

CONSEJO EDITORIALJos Medina, Coordinador

Jos BarragnMichelle Nieto

Paulina VsquezHermgenes Flores

Sonia PeaEduardo ColmachiLourdes Farinango

Gustavo Araque

GRUPO TCNICO DE EVALUACIN DE TRABAJOSIng. Julio ZambranoDr. Vctor Hinojosa

Ing. Luis TapiaDr. Edgar Muela

PhD. Sixifo FalconesIng. Andrs Romero

Ing. Esteban OrdoezIng. Jaime Ayala

Ing. Pablo MndezIng. Jorge Rojas

Ing. Diego ChacnIng. Carlos Montenegro

Ing. Freddy CampoverdeIng. Cristbal MeraDr. Andrs RosalesIng. Javier GuevaraIng. Marco Valencia

Ing. Santiago EspinozaIng. Mauricio SamperIng. Fernando DurnIng. Geovanny PardoDr. Carlos Gallardo

Ing. Luis RualesIng. Juan BuchelliIng. Erick ZbindenIng. Ral Moreno

Ing. Patricio ValenzuelaIng. Vernica QuintanarIng. Jos Luis OrellanaIng. Marco Tulio AguilarIng. Mario Echeverra

Edicin No. 09 Enero 2013

La Revista Tcnica energa de la Corporacin CENACE, es publicada anualmente y su distribucin no tiene costo alguno para las Empresas, Instituciones Nacionales e Internacionales vinculadas al Sector Elctrico, Colegios Profesionales e Institutos de Educacin Superior.

Se ha constituido en el medio para compartir criterios, experiencias tcnicas y difundir los Artculos que son de responsabilidad de sus Autores; y, no necesariamente corresponden a aquellos sostenidos por CENACE.

Evaluacin: Cada trabajo tcnico fue evaluado por profesionales que pertenecen a reconocidas instituciones educativas del pas y/o en instituciones pblicas y privadas del sector elctrico. La seleccin de los trabajos a ser publicados se bas en el promedio de las calificaciones enviadas por los evaluadores y que super la referencia adoptada de 70/100.

EDITORIALenerga, la revista tcnica

del CENACE apareci en su primera versin en enero de 2005 como un esfuerzo institucional para difundir, los diferentes anlisis, aplicaciones e investigaciones de la ingeniera para la administracin tcnica y comercial del Sistema

Nacional Interconectado del Ecuador.

La interconexin con Colombia a partir de marzo de 2003, marc un hito fundamental en el proceso de control de sistemas interconectados. Nuevos y ms complejos temas aparecieron en el campo tcnico. As, hubo un gran avance de la ingeniera para enfrentar los problemas relacionados con estudios elctricos, modelos de despacho coordinado, modelos de coordinacin hidrotrmica, el control automtico de generacin y del intercambio, entre otros. Aparecieron problemas relacionados con la operacin dinmica de los sistemas interconectados, que determinaron la necesidad de incorporar mecanismos de proteccin sistmica como elementos de proteccin de los sistemas elctricos de cada pas y, la convivencia con oscilaciones de baja frecuencia.

Esta problemtica empez a resolverse y difundirse a travs de la revista energa. Progresivamente en las siguientes ediciones, se fueron presentando modernas y novedosas aplicaciones con el aporte de todo el sector elctrico ecuatoriano y contribuciones de carcter internacional, las mismas que se incorporaron a partir de la edicin del 2007.

Esta edicin de energa se encuentra inmersa en otro gran hito, el nuevo escenario de desarrollo del sector elctrico ecuatoriano. La construccin de varios proyectos de generacin hidroelctrica, que determinar una matriz de generacin predominantemente hidroelctrica as como la inclusin de la produccin no convencional como la elica y la solar, configuran un escenario de produccin altamente aleatorio, lo que determina la necesidad de incorporar nuevas tcnicas de gestin y control para su administracin.

Por otro lado en el sector se desarrollan planes importantes para mejorar la distribucin y sus indicadores, entre ellos: disminucin de prdidas, eficiencia energtica y calidad del servicio. Se ha iniciado la incorporacin de la red 500 kV en el sistema de transmisin y se vislumbra la integracin elctrica regional de toda la regin andina.

Este gran emprendimiento de incorporacin de generacin y transmisin, incluida la integracin regional, trae asociados problemas elctricos por lo que, delicadas tcnicas de control y defensa se vienen incorporando al Sistema Nacional Interconectado. La instalacin del sistema WAMs con sincrofasores o unidades de medicin fasorial en la operacin en tiempo real del sistema ha dado inicio de la operacin en estado dinmico. Nuevos mecanismos de defensa como el desarrollo de un centro de control para proteccin sistmica, la incorporacin de FACTS, son ya realidades en el Sistema Nacional Interconectado.

Se avecina una convergencia y fusin acelerada entre energa, comunicaciones, internet y energas renovables que incluyen el cambio y ruptura del paradigma de la cadena generacin transmisin - distribucin, y por ello, tambin se ha dado inicio al gran emprendimiento de desarrollo del proyecto de redes inteligentes, como un modelo integrado de gestin a futuro, paro lo cual se ha dado un paso importante, con la elaboracin de su hoja de ruta.

En esta entrega, la edicin No. 9, de la revista energa, se introducen varios temas que van hacia este nuevo entorno energtico y elctrico y vemos con beneplcito el avance que progresivamente va teniendo la ingeniera nacional.

energa es un producto consolidado y ha encontrado un sitial de importancia en el escenario tcnico y acadmico del pas.

Los pases y las instituciones exitosas son las que pueden mantener el vertiginoso ritmo del desarrollo tecnolgico de la era actual para atender eficientemente a la sociedad.

GABRIEL ARGELLO ROS

Director Ejecutivo

ICONTECMiembro de la Organizacin Internacional ISO

Certific que el Sistema de Calidad de la

CORPORACINCENTRO NACIONAL DE CONTROL DE ENERGA

CENACE

fue evaluado y aprobadocon respecto a la Norma Internacional ISO 9001,

el 24 de septiembre de 2003 - Certificado No. 1694

5 Metodologa de Sintonizacin de Parmetros del Estabilizador del Sistema de Potencia -PSS

P. Verdugo J. Jtiva

Centro Nacional de Control de Energa CENACE

Escuela Politcnica Nacional EPN

Resumen Los sistemas elctricos de potencia son susceptibles de perder su estabilidad debido a problemas asociados con la oscilacin del rotor de los generadores sincrnicos. Para amortiguar estas oscilaciones se requiere la incorporacin de un dispositivo en el sistema de excitacin de estas mquinas. Este dispositivo es el estabilizador de sistemas de potencia (PSS).

En este trabajo se presenta un estudio del comportamiento de un sistema de prueba utilizando anlisis modal. Con esta herramienta se puede llegar a conocer los modos de oscilacin y su amortiguamiento as como la ubicacin preliminar de un PSS en el sistema. Esta informacin es respaldada mediante un anlisis de frecuencia en el modelo Generador Barra Infinita efectuado en Simulink. Utilizando este modelo se logran obtener los valores de las constantes de tiempo del estabilizador que proporcionan una compensacin de fase adecuada. Por otro lado, la ganancia del estabilizador se obtiene utilizando el mtodo del lugar geomtrico de las races.

Para comprobar la efectividad de la sintonizacin de los parmetros del PSS, se realizan simulaciones en el dominio del tiempo con el software computacional DIgSILENT Power Factory.

Palabras clave Dominio del Tiempo y Frecuencia, Estabilizadores de Sistemas de Potencia, Power Factory, Simulink, Sintonizacin.

1. INTRODUCCIN [1]

La estabilidad de un sistema elctrico de potencia se puede definir como la propiedad que le permite mantenerse en un estado de equilibrio operacional bajo condiciones normales de operacin y de regresar a un estado aceptable de equilibrio tras sufrir una perturbacin.

Por su parte, la inestabilidad en un sistema de potencia puede manifestarse de diversas formas dependiendo de su configuracin y modo de operacin. Una condicin necesaria para la operacin del sistema

es que todas las mquinas sincrnicas interconectadas permanezcan en sincronismo.

La habilidad que poseen las mquinas de un sistema para permanecer en sincronismo, corresponde a la estabilidad del ngulo del rotor. Esta estabilidad puede romperse a travs de un desvo aperidico del ngulo ocasionado por la falta de torque sincronizante o por problemas de inestabilidad oscilatoria que tienen su origen en la falta de torque de amortiguamiento.

Los estabilizadores de sistemas de potencia son los dispositivos responsables de proporcionar una componente de torque de amortiguamiento a las mquinas con el fin de reducir las oscilaciones en el sistema causadas por pequeas perturbaciones.

El comportamiento de un sistema dinmico se puede conocer mediante el anlisis del espacio de estado. Las variables de estado pueden ser cantidades fsicas en un sistema, como ngulo, velocidad, voltaje, o variables matemticas asociadas con las ecuaciones diferenciales que describen la dinmica del sistema.

Con la solucin de la ecuacin caracterstica de la matriz de estado, se obtienen los valores propios del sistema, los que contienen informacin valiosa de la estabilidad del mismo.

Un valor propio viene dado por:

La parte real del valor propio proporciona informacin acerca del amortiguamiento, mientras que la parte imaginaria provee la frecuencia de un modo de oscilacin.

Cada valor propio tiene asociado un vector propio derecho y un vector propio izquierdo. Haciendo uso de estos vectores propios de manera simultnea se obtiene la matriz de participacin, que proporciona una medida de la asociacin entre las variables de estado y sus modos.

6Los modos de oscilacin se diferencian de acuerdo a rangos de frecuencia. Dentro de este trabajo, se consideran los modos locales y los modos interrea.

1.1. Modos Locales

Los modos locales estn asociados con la oscilacin de unidades en una planta de generacin con respecto al resto del sistema de potencia en el rango de 1,0 Hz a 2,0 Hz. Estn localizados en una planta o una parte pequea del sistema.

1.2. Modos Interrea

Los modos interrea estn asociados con la oscilacin de muchas mquinas en una parte del sistema contra mquinas ubicadas en otros lugares. Son causados por dos o ms grupos de generadores que estn interconectados por lazos dbiles y oscilan a frecuencias de 1 Hz o menores.

2. MODELO GENERADOR BARRA INFINITA

Se considera la representacin linealizada para pequea seal de un sistema con una mquina, como se muestra en la Figura 1. En forma general, este modelo representa el comportamiento dinmico de un sistema, que incluye las relaciones electromecnicas entre el torque de aceleracin y las desviaciones de velocidad y ngulo, el amortiguamiento de la turbina, el torque sincronizante y la dinmica de flujo del generador. [2]

Figura 1: Modelo Generador Barra Infinita considerando AVR y PSS de doble entrada

De este modelo, se obtiene la respuesta de frecuencia del sistema alrededor de un punto de operacin. Especficamente, se requiere conocer la funcin de transferencia desde la entrada a la excitatriz hasta la seal del torque elctrico. Esta funcin de transferencia proporciona la informacin acerca del retraso de fase que existe en el sistema y por ende la compensacin que debe ser provista por el PSS.

Para obtener las constantes K se requiere bsicamente; los parmetros del generador, los resultados de corridas de flujos de potencia y cortocircuitos, con los que se obtiene el equivalente Thevenin del sistema para representar un generador conectado a una barra infinita a travs de una lnea de transmisin.

El modelo simplificado se desarrolla bajo las siguientes consideraciones: El efecto de los devanados de amortiguamiento es insignificante y el efecto de saturacin del hierro no es importante. Con estas premisas se procede a simplificar las ecuaciones. Se presenta un ejemplo de clculo para la constante K1:

Despreciando la recistencia de la lnea de transmisin, de tiene:

Para las dems expresiones se aplica un procedimiento similar y se remplazan ciertos trminos a fin de que las variables de las ecuaciones puedan obtenerse fcilmente mediante una simulacin del sistema de potencia.

El parmetro XE se refiere a la reactancia de la lnea de transmisin que conecta al generador con la barra infinita. Este valor se obtiene mediante el equivalente Thevenin del sistema realizando un anlisis de cortocircuitos en la barra del generador considerado.

73. METODOLOGA DE SINTONIZACIN DEL PSS

Se describe la metodologa para sintonizar los parmetros del PSS que utiliza como entrada la integral de la potencia de aceleracin, como se indica en la Figura 2. Esta seal se obtiene mediante el tratamiento de las seales de velocidad y potencia elctrica.

El primer paso para sintonizar los parmetros de un PSS es conocer el comportamiento de un sistema sin la presencia del estabilizador. Para

esto se realiza un anlisis modal utilizando el programa Power Factory de DIgSILENT, que permite conocer los valores propios de un sistema y los factores de participacin de los generadores en determinado modo.

Los valores propios permiten conocer los modos de oscilacin presentes en el sistema y si estos modos se encuentran bien o mal amortiguados. En otras palabras, permite conocer si se requiere o no la implementacin de un PSS en el sistema.

Por otro lado, a travs de los factores de participacin se puede conocer la forma en la que se encuentran oscilando los generadores de un sistema. Adicionalmente, a travs de esta informacin se llega a tener un indicio acerca de la ubicacin de un PSS. Esta informacin se confirma a travs de la respuesta de frecuencia de los generadores candidatos, incorporados al modelo Generador Barra Infinita. Un buen enfoque, involucra la instalacin del PSS en el generador en el que se obtiene la mayor descompensacin de fase.

Figura 2: Diagrama de bloque del estabilizador del sistema de potencia PSS2A

La Figura 3, muestra el sistema de prueba empleado para realizar la sintonizacin del PSS.

Una vez seleccionado el generador en el que se conoce que la instalacin del PSS tendr el mayor efecto, se procede a la sintonizacin de parmetros.

DIgSILENT

PowerFactory 13.2.339

Nine -Bus System

Prefault Condition

Anexo: Nine_Bus

NodosTensin Lnea-Lnea, Magnitud [kV]Tensin, Magnitud [p.u.]Tensin, ngulo [deg]

RamasPotencia Activa [MW]Potencia Reactiva [Mvar]Nivel de Carga [%]

Load A

100.00 MW50.00 Mvar

Line 1

-18.68 MW-38.97 Mvar

10.86 %

18.80 MW22.00 Mvar

10.86 %

T1

-46.48 MW-23.87 Mvar

20.36 %

46.48 MW25.36 Mvar

20.36 %

Line 6

-27.53 MW-17.54 Mvar

8.09 %

27.67 MW1.87 Mvar

8.09 %

G~G1

46.48 MW25.36 Mvar

21.39 %

Line 5

63.96

MW-18

.46 Mv

ar16.

18 %

-62.47 MW-12.46 Mvar

16.18 %

Load B

90.00 MW30.00 Mvar

T3

-85.00

MW15.

30 Mv

ar55.

76 %

85.00

MW-11

.20 Mv

ar55.

76 % G ~ G3

85.00

MW-11

.20 Mv

ar66.

98 %

Line 4

-20.96

MW-24

.48 Mv

ar7.9

6 %

21.04

MW3.1

6 Mvar

7.96 %

Load C

100.00

MW35.

00 Mv

ar

Line 3

79.55

MW-0.

67 Mv

ar19.

69 %

-79.04

MW-10

.52 Mv

ar19.

69 %

T2

-163.0

0 MW

10.31

Mvar

79.56

%

163.00

MW5.5

2 Mvar

79.56

%G~G2

163.00

MW5.5

2 Mvar

84.94

%

Line 2

83.45

MW-9.

64 Mv

ar20.

63 %

-81.32 MW-11.03 Mvar

20.63 %

Carga Gen..

0.00 MW0.00 M..

Bus 7

236.09

1.03

155.26

Bus 5 229.681.00

147.84

Bus 4 236.041.03

148.56

Bus 6 232.951.01

147.25

Bus 3

14.14 1.02

5.91

Bus 9

237.49

1.03

153.21

Bus 8

233.76 1.02

152.14

Bus 2

18.45 1.02

10.81

Bus 1 17.161.040.00

DIgSIL

ENT

Figura 3: Sistema de prueba de nueve barras

83.1. Sintonizacin de las Etapas de Compensacin

La respuesta de frecuencia del sistema en ausencia del PSS, indica cual es la compensacin de fase que debe ser provista por este dispositivo. La respuesta tpica de frecuencia de los bloques de compensacin de un PSS se muestra en la Figura 4.

La respuesta de frecuencia del PSS debe proveer una compensacin de fase adecuada al sistema. Esto se logra a travs del ajuste de las constantes de tiempo tomando en cuenta los conceptos de frecuencia centro y razn entre dichas constantes, ecuaciones (11) y (12). Una mala sintonizacin puede ocasionar una sobrecompensacin en el sistema que se deriva en un problema de inestabilidad.

La respuesta de frecuencia del sistema compensado debe presentar un ligero retraso de fase. Con esto, se logra que el PSS adems de aportar con la componente de torque de amortiguamiento, introduzca al sistema una componente adicional de torque sincronizante.

Figura 4: Respuesta de frecuencia de los bloques de compensacin de fase de un PSS

3.2. Sintonizacin de la Ganancia

Para obtener la ganancia del estabilizador se utiliza el mtodo del lugar geomtrico de las races.

Incrementando paulatinamente el valor de la ganancia, hasta evidenciar una condicin de inestabilidad en el sistema en la cual se observe la migracin de los valores

propios hacia la parte positiva del plano s, se obtiene lo que se conoce como la ganancia de inestabilidad. En un PSS con entrada de potencia, la ganancia que proporciona el mximo amortiguamiento es la octava parte del valor de esta ganancia de inestabilidad. [3]

4. SINTONIZACIN DE LOS PARMETROS DEL PSS

En este apartado se expone la sintonizacin de los parmetros de un PSS2A para un sistema de prueba de tres generadores, aplicando la metodologa descrita en 3.

4.1. Anlisis del Sistema sin PSS

A travs del anlisis modal efectuado en el sistema de prueba se obtienen los resultados de las Figuras. 5 y 6, correspondientes a los valores propios y los factores de participacin respectivamente.

A travs de esta informacin se observa que el valor propio 16 y su conjugado, el valor propio 17, tienen una frecuencia de oscilacin de 2,059 Hz y una razn de amortiguamiento de 4,93%, lo que podra considerarse como un amortiguamiento pobre.

Adicionalmente, se puede observar, en base a la participacin de los generadores, que el generador 1 se encuentra oscilando contra los generadores 2 y 3. Dado que los generadores 1 y 2 tienen la mayor participacin en estos modos, deben ser considerados como candidatos para la instalacin de un PSS.

Figura 5: Valores propios del sistema de prueba

Figura 6: Participacin de los generadores en el sistema de prueba

Del anlisis de respuesta de frecuencia, realizado en el modelo de la Figura 7, se obtiene que el generador 2 es la mejor alternativa para colocar un PSS.

9El diagrama de Bode se obtiene a travs de un proceso de linealizacin en el modelo implementado en Simulink. Se puede llegar a obtener la misma informacin, conociendo la funcin de transferencia del sistema. Sin embargo, este proceso resulta mucho ms complicado. La Figura 7 muestra el modelo Generador Barra Infinita, implementado en el software.

Figura 7: Modelo implementado en Simulink

Para obtener los valores de las constantes K se utiliza una hoja de clculo, donde se consideran los parmetros del generador, potencia suministrada, voltaje en las barras, etc. Los resultados obtenidos de estas constantes se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1: Constantes del Modelo Generador Barra Infinita

Parmetro Valor

K1 1,84406213

K2 0,9054827

K3 0,2214364

K4 1,34916922

K5 -0,0499917

K6 0,44910418

Al ingresar estas constantes en el modelo implementado en Simulink, se obtiene la respuesta de frecuencia de la Figura 8.

Figura 8: Respuesta de frecuencia del sistema de prueba sin PSS

Como se puede observar, se tiene un retraso de fase de aproximadamente 55 alrededor de los 2 Hz. Con la compensacin de fase provista por el PSS se obtiene la respuesta de la Figura 9.

Figura 9: Respuesta de frecuencia del sistema compensado

Las constantes de tiempo de los bloques de compensacin de fase con los que se logra esa respuesta son: T1=T3=0,27 y T2=T4=0,09. Cabe mencionar que los parmetros de los filtros pueden encontrarse dentro del rango entre 1 y 20 s.

Una vez establecida la compensacin de fase adecuada, se procede con la sintonizacin de la ganancia. Al incrementar este valor paulatinamente, se observa que la migracin de valores propios hacia la parte positiva del plano real se consigue con una ganancia de 1,6. Entonces, la ganancia que proporciona el mximo amortiguamiento en el PSS es de 0,2.

Esta condicin de inestabilidad, se observa en la Figura 10. Vale indicar, que la ganancia de inestabilidad es el mnimo valor con el cual se observa valores propios con partes reales positivas.

-5.15E +1-1.03E +2-1.54E +2-2.06E +2-2.57E +2 Parte real [1/s]

34.714

20.828

6.9428

-6.9428

-20.828

-34.714

Parte imaginaria [rad/s]

Valores propios establesValores propios inestables

DIgSILENT Nine-bus system Grca Valores Propios(1)

Three-Cycle Fault near bus 7, disconnection of bus7-bus5 line G2: Mag-A-Stat Voltage Controller

DIg

SILE

NT

Figura 10: Valores propios para la ganancia de inestabilidad Ks1=1,6

10

Para comprobar la efectividad de la metodologa de sintonizacin de los parmetros del estabilizador, en la Figura 11, se presentan los valores propios del sistema en presencia del PSS.

Figura 11: Valores propios del sistema en presencia del PSS

En base a los nuevos valores propios del sistema, se puede observar que todos los modos se encuentran bien amortiguados.

Adicionalmente, se realizan simulaciones en el dominio del tiempo considerando dos escenarios, prestando especial atencin al escenario que representa la estabilidad de pequea seal. Dentro de cada simulacin se presentan los valores que permiten calcular los ndices de desempeo, especficamente, el tiempo de establecimiento y el sobre impuls de las seales.

4.2. Incremento de carga

Este escenario plantea una pequea perturbacin en el sistema, asociada con el incremento de carga en una de sus barras. Se puede observar en los resultados, que la instalacin del PSS logra amortiguar las oscilaciones presentadas de manera efectiva.

Figura 12: Potencia elctrica en las lneas de transmisin tras incremento de carga

Se puede observar que al incorporar un PSS se produce una reduccin considerable en el tiempo de

establecimiento de las seales, as como tambin en el sobre impulso de las mismas.

Figura 13: Potencia elctrica de los generadores tras falla trifsica

Figura 14: Potencia de salida del PSS tras incremento de carga

En la Figura 14, se muestra la seal de salida del PSS conjuntamente con la seal de la potencia elctrica del generador 2. Con esta figura se busca ilustrar el comportamiento del PSS frente a la presencia de oscilaciones y el efecto final que produce sobre las seales del sistema.

4.3. Falla Trifsica

Un PSS est diseado especficamente para corregir los problemas de inestabilidad oscilatoria en un sistema, asociados con pequeas perturbaciones. Sin embargo, este dispositivo tambin logra amortiguar efectivamente las oscilaciones ocasionadas por grandes perturbaciones.

Dado que la perturbacin de falla trifsica en el sistema es mucho ms considerable, de la misma manera se observan oscilaciones de mayor magnitud en las variables del sistema de potencia.

11

Figura 15: Potencia elctrica en las lneas de transmisin tras falla trifsica

Figura 16: Potencia elctrica de los generadores tras falla trifsica

De manera anloga, en la Figura 17, se muestra la seal de salida del PSS. Se puede apreciar un pequeo corte en la seal. Esto se debe a los limitadores del estabilizador, que evitan excursiones indeseables de voltaje.

Figura 17: Potencia de salida del PSS tras falla trifsica

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La inestabilidad de ngulo en sistemas de potencia puede tener su origen en la falta de torque sincronizante, o en la falta de torque de amortiguamiento. La falta de torque sincronizante se puede corregir mediante la aplicacin de reguladores automticos de voltaje. Sin embargo, estos dispositivos son los causantes de la falta de torque de amortiguamiento.

Los valores propios de un sistema permiten conocer los modos de oscilacin existentes en el mismo y si estos modos estn o no bien amortiguados.

La ubicacin ptima del PSS se determina mediante el anlisis conjunto de los factores de participacin de los generadores del sistema y la respuesta de frecuencia en el modelo Generador Barra Infinita.

Con el modelo Generador - Barra Infinita resulta evidente que slo se realiza la sintonizacin del PSS para un modo de oscilacin local. Esto se debe a que de por s, el modelo considera solamente un generador y una barra infinita, es decir, un generador oscilando contra el resto del sistema.

Los modos de oscilacin en un sistema de potencia pueden constituir un problema al tener un pobre amortiguamiento, lo que se traduce en un tiempo de decaimiento muy grande.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] KUNDUR Prabha, Power System Stability and Control, McGraw Hil, 1994.

[2] MURDOCH A., VENKATARAMAN S., LAWSON R.A., PEARSON W.R., Integral of Accelerating Power Type PSS, Part 1 & 2, IEEE Transactions on Energy Conversion, 1999.

[3] BIKASH Pal, BALARKO Chaudhuri, Robust Control in Power Systems, Springer, 2005.

[4] KUNDUR P., KLEIN M., ROGERS G.J., Application of Power System Stabilizers for Enhancement of Overall Systems, IEEE Transactions, 1999.

[5] TANG Bixiang, Parameter Tuning and Experimental Results of Power System Stabilizer, Tesis de Maestra, 2011.

[6] IEEE COMMITTEE REPORT, Excitation System Models for Power System Stability Studies, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1981.

12

[7] BRUB G.R., HAJAGOS L.M., Accelerating - Power Based Power System Stabilizers, 2007.

[8] PADIYAR K.R., Power System Dynamics Stability and Control, BS Publications, 2008.

[9] ANDERSON P.M., FOUAD A.A., Power System Control and Stability, IEEE PRESS, 2003.

Pablo Verdugo Rivadeneira.- Naci en la ciudad de Quito en 1987. Realiz sus estudios secundarios en el Colegio Nacional Experimental Juan Po Montufar y sus estudios superiores en la Escuela Politcnica Nacional, donde se grado de

Ingeniero Elctrico en el ao 2012. Actualmente trabaja en la Direccin de Planeamiento del Centro Nacional de Control de Energa.

Jess Jtiva Ibarra.- Realiz sus estudios superiores en la Escuela Politcnica Nacional de Quito, donde se gradu de Ingeniero Elctrico, en 1981. Realiz estudios de postgrado en la Universidad de Texas en Arlington de Estados de Unidos

de Amrica, donde obtuvo el grado de Master of Science in Electrical Engineering en 1988, y posteriormente el ttulo de Doctor of Philosophy en 1991. Cuenta con ms de treinta aos de experiencia en actividades de Planificacin, Operacin, Administracin y Economa de sistemas elctricos de potencia. Actualmente es Profesor Principal de la Escuela Politcnica Nacional.

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Identificacin de Equivalentes Dinmicos Mediante Optimizacin de Mapeo Media-Varianza en Ambiente DIgSILENT Power Factory

J. Cepeda J. Rueda

Universidad Nacional de San Juan U.N.S.J

Universidad Duisburg-Essen

Resumen Este trabajo presenta una innovadora metodologa orientada a la identificacin paramtrica de equivalentes dinmicos en sistemas elctricos de potencia. Basndose en un proceso interrelacionado, ejecutado simultneamente en los ambientes DIgSILENT Power Factory y Matlab, la identificacin paramtrica se aborda como un problema de optimizacin, resuelto con una variante tipo enjambre de la optimizacin metaheurstica de mapeo media-varianza (MVMOS). El procedimiento de identificacin se emplea para: i) modelar un equivalente dinmico del sistema Colombiano (rea externa) que mantiene su efecto dinmico en el sistema Ecuatoriano (rea de estudio); y, ii) determinar los parmetros del modelo equivalente de una planta de generacin elica prototipo. Los resultados resaltan tanto el excelente desempeo del MVMOS en la identificacin paramtrica como la importancia del empleo de equivalentes dinmicos para la disminucin considerable del tiempo de simulacin, requisito bsico de las aplicaciones en tiempo real.

Palabras clave Equivalente dinmico, optimizacin metaheurstica, MVMOS, DIgSILENT Power Factory.

1. INTRODUCCIN

En los ltimos aos, los sistemas elctricos de potencia SEPs, han sido operados cada vez ms cerca de sus lmites fsicos debido, por ejemplo, a la inclusin de ciertos principios de desregularizacin del sector y a diversos motivos de tipo tcnico y econmico. Bajo estas condiciones, ciertas perturbaciones imprevistas pueden ocasionar eventos en cascada que eventualmente conduzcan al sistema a colapsos [1]. Este nuevo contexto demanda el desarrollo de modelos matemticos y herramientas prcticas que permitan concebir a los SEPs como redes inteligentes y auto-curables (Self-healing grid), capaces de llevar a cabo funciones de simulacin, anlisis y control adaptivo, encaminadas a garantizar la seguridad del sistema de potencia en tiempo real [2].

No obstante, las aplicaciones en tiempo real requieren de una respuesta rpida, por lo que se requieren modelos que permitan acelerar los tiempos de procesamiento, especialmente en las simulaciones de respuesta dinmica (SRD). Recientemente, algunas propuestas han sugerido el empleo de tecnologas modernas de software y hardware a fin de optimizar el uso de los procesadores y as reducir el esfuerzo computacional [1], [3]. Sin embargo, an no se ha podido alcanzar la rapidez necesaria para analizar sistemas de potencia de gran tamao en tiempos mnimos, dada la complejidad estructural y matemtica subyacente. En este sentido, los equivalentes dinmicos (EDs) son una alternativa viable para disminuir el esfuerzo de cmputo de las SRD [1], [4]. Estos equivalentes tienen que ser representados a travs de modelos simplificados que cumplan con los siguientes preceptos:

Representacin adecuada del fenmeno dinmico bajo estudio (ej. estabilidad transitoria).

Uso de modelos genricos que permitan reproducir, con precisin aceptable, el efecto conjunto de los diferentes componentes de un subsistema (ej. red interconectada externa, planta elica compuesta por un gran nmero de generadores) a ser reemplazado, sin depender del tipo o fabricante.

Una vez determinados el subsistema a reemplazar y la estructura del modelo simplificado, el siguiente paso es identificar los parmetros del modelo que conlleven un comportamiento dinmico de gran similitud al obtenido con el subsistema en detalle. Este proceso, denominado identificacin paramtrica [5], constituye un problema de optimizacin, que debido a la naturaleza no lineal de las SRD y al espacio de bsqueda de solucin entero-mixto, se caracteriza como multimodal y no-convexo. Se ha demostrado en la literatura que los mtodos clsicos de optimizacin podran ser incapaces de encontrar soluciones factibles para problemas con las peculiaridades antes mencionadas [6], lo cual

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ha motivado el desarrollo y empleo de tcnicas de optimizacin heurstica, como por ejemplo, PSO (particle swarm optimization) [7], colonia de hormigas [8], algoritmos genticos [5], mtodos de evolucin diferencial (DE) [9], y optimizacin de mapeo-media varianza -MVMO [10]. El MVMO utiliza una funcin especial de mapeo que le brinda mejores caractersticas de convergencia.

Este trabajo presenta una metodologa de identificacin paramtrica basada en las funcionalidades de DIgSILENT Power Factory y Matlab. Bsicamente, se emplean los lenguajes DSL -DIgSILENT Simulation Language y DPL -DIgSILENT Programming Language, para la implementacin de los EDs y la elaboracin de rutinas de clculo (SRD y funcin objetivo), respectivamente. Se desarrolla adems una interfaz tipo DGS, que permite intercambiar informacin entre una rutina tipo enjambre de la optimizacin mapeo media-varianza (MVMOS), programada en Matlab, y DIgSILENT Power Factory.

2. EQUIVALENTES DINMICOS

2.1. Equivalente de sistemas interconectados

La ocurrencia de perturbaciones excita la respuesta dinmica de un sistema de potencia, la cual usualmente se refleja en la conformacin de reas coherentes en sistemas interconectados. En dichas reas, los componentes exhiben respuestas dinmicas semejantes. Este comportamiento orienta a focalizar los diferentes estudios de desempeo dinmico por reas de inters [11]. De aqu que, el rea de inters (o rea de estudio) debe ser modelada con suficiente detalle, mientras que el resto de reas interconectadas (o reas externas) pueden ser representadas por EDs, elegidos sobre la base de un anlisis previo de coherencia y agregacin [1]. Por consiguiente, la principal premisa de la equivalencia dinmica es reducir la complejidad de modelacin del rea externa preservando su efecto dinmico en el rea de estudio.

Suponiendo que las reas externas estn bien definidas (un caso tpico en sistemas multinacionales interconectados, como el Ecuador-Colombia), el mayor desafo reside en la agregacin de generadores coherentes y la reduccin de la red. Varias metodologas han sido propuestas en esta direccin, sin embargo, el presente trabajo emplea el mtodo reportado por los autores en [1], donde se sugiere el uso de mediciones en tiempo real, obtenidas de dispositivos PMUs (phasor measurement units) localizados en diversos puntos del sistema. En [1], el ED del rea externa es representado por un modelo genrico de mquina sincrnica (SYN) conectado a la barra frontera o de interconexin, y equipado con

sistemas de control genricos para regulacin de voltaje (AVR) y velocidad (GOV).

2.1.1. Mquina sincrnica

El nivel de detalle de los modelos matemticos de mquinas sincrnicas depende principalmente del propsito de estudio. Siguiendo la prctica general, este trabajo emplea el modelo sub-transitorio (tambin designado como de sexto orden) para representar el SYN, ya que este es el ms detallado y representativo de la mayora de generadores en estudios de estabilidad.

2.1.2. Regulador automtico de voltaje

Se asume el AVR genrico sugerido en [1], concretamente, el modelo tipo IEEE AC4A, cuyo diagrama de bloque se muestra en la Figura 1. Dicho modelo exhibe una alta respuesta de excitacin inicial asociada a la ganancia KA que permite fcil adaptabilidad a diferentes condiciones dinmicas [1].

Figura 1: Modelo de AVR genrico

2.1.3. Controlador de velocidad

Al igual que en [1], se propone el uso de un modelo genrico de GOV para generadores trmicos, como se ilustra en la Figura 2. Bsicamente, si existe una desviacin en la velocidad, el control de la potencia ser ajustado para entregar un torque de la turbina que trate de ajustar al valor de estado estable.

Figura 2: Modelo de GOV genrico

2.2. Equivalente de granjas elicas

El desarrollo de nuevas tecnologas y las polticas de incentivo en materia de energa renovable han motivado un crecimiento notable en las inversiones e instalacin de plantas no convencionales de generacin de gran escala, particularmente en el caso de la energa elica. Actualmente, se han construido plantas elicas con capacidad total del

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orden de cientos de megavatios, interconectadas a la red de transmisin de alto voltaje [4]. Los sistemas de generacin elicos modernos cuentan con componentes electrnicos de potencia que exhiben una respuesta rpida a las perturbaciones de red, permitiendo, adems, controlar independientemente las potencias generadas activa y reactiva [4]. Por otro lado, el detalle de estas estructuras de control no suele estar disponible de forma libre, principalmente por razones de confidencialidad. Esto, sumado a la complejidad y lentitud de las SRD con modelos detallados de un gran nmero de generadores elicos (debido a la actuacin propia de los conversores electrnicos) conllevara a esfuerzos computacionales inaceptables; por lo cual, se recomienda la utilizacin de un ED para toda una planta elica [4].

2.2.1. Control y modelacin de turbinas elicas

Dos tipos de generadores elicos son los ms populares actualmente: el DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) y el FCG (Full-converter based generator) [4]. El DFIG permite operacin a velocidad variable al controlar la frecuencia y magnitud del voltaje inyectado al rotor devanado. El control principal se realiza a travs del rotor mediante el conversor del lado de la mquina (machine side converter -MSC), mientras que el conversor del lado de la lnea (line side converter -LSC) controla el flujo de potencia a travs del enlace DC para mantener el voltaje DC. Para controlar la potencia reactiva y el voltaje es preferible usar el MSC, pero el LSC tambin puede ayudar cuando la corriente limitante del enlace DC lo permite. Un esquema de este tipo de generador se ilustra en la Figura. 3.

Figura 3: Esquema de control de un DFIG

En el FCG, la potencia generada completa pasa a travs del conversor. Generadores sincrnicos de imn permanente son muy usados en este tipo de tecnologa, as como tambin los generadores tradicionales asincrnicos de jaula de ardilla. Un esquema del FCG se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Esquema de control de un FCG

2.2.2. Equivalente dinmico

El presente trabajo emplea un modelo genrico de planta elica, capaz de representar el efecto combinado de varios generadores basados en cualquiera de los dos tipos de tecnologa anteriormente descritos. La estructura de dicho modelo, ilustrado en la Figura 5, se report en [4]. En trminos simples, el modelo adopta un equivalente Thvenin (fuente de voltaje controlada, detrs de una impedancia interna). Las variables que controlan la fuente de voltaje (componentes d y q) son las salidas de dos retardos que representan la respuesta del DFIG o del FCG. Estas seales se encuentran en coordenadas sincrnicas, en tanto que las salidas de los controladores PI se encuentran en coordenadas alineadas al voltaje terminal, por lo se requiere una adecuada transformacin de coordenadas (bloque ejjv).

Este modelo simplificado usa a la referencia del voltaje terminal para controlar la corriente reactiva, mientras que la corriente activa busca mantener la potencia activa constante. Estas consideraciones son vlidas durante 1 a 2 segundos luego de ocurrida la perturbacin, por lo que el modelo es idneo para estudios de estabilidad transitoria. Para simulaciones de mayor tiempo, se debe extender el modelo para incluir del controlador de velocidad. Adicionalmente, el lmite mximo de la magnitud de la corriente de los conversores (MSC y LSC simultneamente) es considerada en el bloque correspondiente.

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Figura 5: Modelo equivalente de una granja elica

3. PROPUESTA METODOLGICA

3.1. Recursos tecnolgicos

La metodologa propuesta asume la disponibilidad de mediciones sincrofasoriales en tiempo real, a utilizarse como seales de referencia para la identificacin paramtrica. Se incorpora el MVMOS como motor de bsqueda para los valores ptimos de los parmetros de los EDs. Los aspectos conceptuales y de implementacin se describen a continuacin.

3.1.1. Unidades de medicin sincrofasorial

Las PMUs son dispositivos que permiten estimar sincrofasores (fasores que tienen como referencia angular a una onda coseno de frecuencia nominal, sincronizada con el tiempo UTC -Universal Time Coordinated) de las ondas sinusoidales de corriente y voltaje AC, en diferentes nodos de un SEP [12]. Para calcular un sincrofasor la PMU utiliza un algoritmo de estimacin fasorial. Estos algoritmos utilizan un nmero N de muestras en el tiempo para efectuar la estimacin del fasor. El algoritmo ms comnmente utilizado es la transformada discreta de Fourier [12]. La alta precisin, velocidad de respuesta y sincronizacin de tiempo hacen de las PMUs equipos apropiados tanto para el monitoreo global en estado estable y dinmico, as como para aplicaciones de proteccin y control en tiempo real [13].

3.1.2. MVMOS

El procedimiento general del MVMOS se muestra en la Figura 6. Este algoritmo constituye una nueva

herramienta de optimizacin metaheurstica que combina las propiedades del MVMO con la teora de inteligencia de enjambre. Inicialmente, se definen los parmetros del algoritmo y un conjunto de soluciones candidatas, normalizadas entre [0, 1], rango en el cual se realizan las operaciones subsiguientes, garantizando as una bsqueda del ptimo con las variables de control dentro de sus lmites [min, max]. En contraste con el MVMO, el MVMOS realiza una bsqueda simultnea con np partculas, cada una caracterizada por su propia memoria, representada por su correspondiente archivo de almacenamiento dinmico de mejores soluciones y una funcin de mapeo.

Figura 6: Procedimiento del MVMOS (i, k, m, y np denotan al contador de evaluaciones de la funcin objetivo, contador de partculas, nmero mximo de corridas independientes, y

nmero total de partculas, respectivamente)

En la etapa inicial de bsqueda, cada partcula realiza, individualmente, m evaluaciones de la funcin objetivo para recolectar un conjunto de posibles soluciones. Posteriormente, se produce un intercambio de informacin entre las bsquedas

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individuales, tanto para determinar la solucin ptima global, como para suprimir las partculas prximas a esta (criterio de distancia euclidiana). Nuevas soluciones candidatas (descendencia) se definen heredando (cruce) algunas dimensiones del ptimo local en cada partcula, mientras que el mapeo de las dimensiones restantes (mutacin) considera la media y la varianza del ptimo global.

3.2. Metodologa de identificacin paramtrica

La estructura general de la metodologa de identificacin paramtrica propuesta en el presente trabajo se bosqueja en la Figura 7.

Figura 7: Metodologa de la identificacin paramtrica

El esquema empieza con la definicin de los modelos dinmicos apropiados (detallados en la seccin 2). Luego, se establecen valores iniciales factibles para los parmetros a ser identificados. Seguidamente, se realizan simulaciones en el dominio del tiempo para un conjunto de perturbaciones pre-definidas, que corresponden a aquellas registradas y almacenadas por PMUs instalados en el sistema real. Estas mediciones servirn adems como base referencial en la identificacin paramtrica. Las seales obtenidas mediante simulacin dinmica son comparadas con las mediciones de referencia, con el objetivo de determinar la funcin objetivo (FO), correspondiente a cada ensayo de parmetros factibles, minimizada va MVMOS. La bsqueda es repetitiva hasta satisfacer un criterio de parada pre-establecido (ej. nmero fijo de evaluaciones o invariabilidad de la FO).

El proceso de identificacin paramtrica se ilustra esquemticamente en la Figura 8. Basndose en la diferencia entre las seales de referencia y aquellas seleccionadas de la simulacin dinmica, el problema de optimizacin se define como:

Minimizar:

(1)

(2)

sujeto a

(3)

donde yi e yiref denotan las i-simas seales elctricas, simulada y de referencia, respectivamente. Adems, wi es el factor de peso de la seal correspondiente, t es el periodo de simulacin, p es el nmero de perturbaciones (np), anp es el factor de peso de cada perturbacin en la identificacin, y x representa al vector de restricciones del problema, definidas por el intervalo de solucin de los parmetros y por las condiciones propias de los modelos. El uso de factores de peso intenta una bsqueda de soluciones ms robusta, ya que estos permiten relativizar la relevancia de cada perturbacin y la diversidad de rango en los diferentes tipos de seales consideradas.

Figura 8: Marco genrico de identificacin de EDs

4. IMPLEMENTACIN EN AMBIENTE DIGSILENT POWER FACTORY

Adems de las funciones de clculo tpicas para SEPs, el paquete DIgSILENT Power Factory ofrece una gran versatilidad tanto para la modelacin de nuevos componentes, como para el desarrollo de nuevas rutinas de clculo y procesos interactivos con herramientas de software externas, mediante los lenguajes de programacin DSL y DPL, respectivamente.

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Con estos considerandos, el proceso de identificacin paramtrica propuesto se desarrolla, en gran parte, en el ambiente DIgSILENT Power Factory, usndose los lenguajes DSL y DPL para la modelacin de los equivalentes dinmicos y la estructuracin de una rutina que incluye comandos para el cmputo de la FO, y la habilitacin de una interfaz DGS que permite entrelazar la SRD con el MVMOS, programado y ejecutado en Matlab.

4.1. Programacin en DSL

El lenguaje DSL permite programar modelos de sistemas de control de cualquier dispositivo elctrico y otros componentes, que pueden ser usados en SRDs. De aqu que este lenguaje se utiliza con dos propsitos: i) modelar los EDs, y ii) determinar la funcin g(t) para calcular la FO en cada paso de integracin. Por cuestiones de espacio y brevedad, la programacin de modelos dinmicos no se incluye en este artculo. El lector interesado puede encontrar mayor detalle en [14].

El clculo de g(t) se realiza a travs de un Composite Model, cuyo Composite Frame se muestra en la Figura 9.

Figura 9: Composite frame para el clculo de g (t).

Los valores de las seales de referencia (que en este trabajo constituyen la magnitud de voltaje, potencia activa y potencia reactiva en el nodo de conexin del ED) son almacenadas en un Measurement File, mientras que los valores simulados son medidos a travs de Measurement Devices (StaPqmea y StaVmea). Tanto las seales de referencia como las simuladas son utilizadas para calcular la g(t) en el bloque Obj_func.

4.2. Programacin en DPL

El lenguaje DPL ofrece una plataforma para realizar tareas automticas en DigDILENT Power Factory. En este trabajo, el lenguaje DPL es usado para: i) calcular la FO en cada SRD, y ii) controlar el intercambio de datos con matlab a travs de la interfaz DGS.

La evaluacin de g(t) en cada paso de integracin es almacenada en un archivo de resultados (ElmRes). Este archivo se carga a travs del DPL y los datos almacenados en l son utilizados para calcular la FO. Para este propsito, el mtodo de integracin trapezoidal fue programado en el DPL.

(4)

4.3. Interfaz DGS

La interfaz DGS permite intercambiar datos con Matlab de forma bidireccional.

El MVMOS se ejecuta en Matlab, entregando como resultados los parmetros de los EDs para cada iteracin del optimizador. Estos parmetros son importados posteriormente en DIgSILENT Power Factory, donde se ejecuta una nueva SRD que permite recalcular la FO (va rutina programada en DPL). Finalmente, el nuevo valor de la FO retorna al MVMOS a fin de evaluar la bondad (valor de la FO ms penalizacin por incumplimiento de restricciones) de la solucin propuesta y buscar una nueva solucin (operaciones de cruce y mutacin).

El intercambio de informacin se mantiene hasta cumplir el criterio de parada definido previamente para el MVMOS. La Figura 10, ilustra la operacin de la interfaz DGS entre Matlab y DIgSILENT Power Factor

Figura 10: Integracin DIGSILENT Power Factory Matlab

5. RESULTADOS

Las simulaciones fueron realizadas en un computador personal Hewlett Packard Pavilion dv3 con dos unidades centrales de procesamiento Intel CoreTM, a velocidad 2.2 GHz y 4GB RAM.

5.1. ED de la red colombiana

La metodologa propuesta es aplicada al sistema interconectado Ecuador-Colombia, a fin de identificar el equivalente dinmico de la red colombiana. En la Figura 11 se presenta el diagrama unifilar del sistema ecuatoriano, reducido a nivel de 230 kV.

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Figura 11: Diagrama unifilar del sistema Ecuador-Colombia

En el proyecto usado para el anlisis, el sistema colombiano (rea externa) comprende de 1 729 barras y 109 generadores, con una capacidad instalada total de 11 081 MW, con lo cual satisfice una demanda pico de 8 780 MW, mientras que el sistema ecuatoriano (rea de estudio) tiene 320 barras y 64 generadores, con 3 227 MW de capacidad instalada y una demanda a pico de 2 663 MW. Usando el sistema completo, las seales de referencia (flujos de potencia activa y reactiva por las lneas de interconexin, y el voltaje en la barra de frontera Jamondino) son determinadas por simulacin. Estas seales representan aquellas que podran ser medidas directamente de PMUs ubicadas en la barra de frontera. Dos perturbaciones diferentes son consideradas en la identificacin:

Falla 1: cortocircuito trifsico en un circuito de la lnea Sta. Rosa Totoras, aplicado en la mitad de la lnea a los 0.1 s, con una duracin de 100 ms.

Falla 2: cortocircuito trifsico en un circuito de la lnea Milagro Pascuales, aplicado en las proximidades de la barra Milagro a los 0.1 s, seguido de la apertura de la lnea a los 0.2 s.

La potencia nominal del equivalente debe ser igual a la mxima capacidad de transferencia por las interconexiones, que en este caso se considera de 500 MVA. El problema de optimizacin tiene 22 variables de control (constante de inercia, reactancias y constantes de tiempo del SYN, ganancia y constantes de tiempo del AVR, as como estatismo y constantes de tiempo del GOV). El rango [min, max] de la constante de inercia se determina con , mediante la aplicacin de una prueba de rechazo de carga; en tanto que las otras variables del SYN se ajustan considerando lmites y relaciones tpicas entre ellas (incluidas como restricciones), como se describe en el captulo 4 (pp. 152 - 153) de [15]. Asimismo, los rangos de las variables de AVR y GOV se obtienen de experiencias operativas y estudios de sensibilidad.

(5)

donde DPe es la variacin de potencia elctrica en p.u, H es la constante de inercia en s y f es la frecuencia en p.u.

La Figura 12, presenta la evolucin de la frecuencia elctrica en la barra Jamondino, resultado de la apertura de las interconexiones (simulacin de rechazo de carga). Se han filtrado previamente las componentes de alta frecuencia de la seal, usando la tcnica singular spectrum analysis [16]. En la figura, es posible apreciar la existencia de varias pendientes diferentes a lo largo de la evolucin de la seal, por lo cual el rango de variacin de H se especifica usando la mnima y la mxima pendiente. En el estado operativo simulado, DPe=218 MW (0,436 pu), as el rango de H queda determinado en [28, 267] segundos.

Figura 12: Evolucin de la frecuencia en la barra Jamondino ante rechazo de carga

Siguiendo el procedimiento descrito en la Figura 7, una vez definidos el modelo de ED, y el rango de las variables de control, se identifican los parmetros ptimos minimizando la diferencia de respuesta dinmica entre el ED y las mediciones PMU. En la Figura 13, se ilustra un anlisis comparativo de convergencia promedio (determinado al promediar la evolucin de la minimizacin de la FO obtenida en 10 repeticiones independientes de la optimizacin) entre el MVMOS ejecutando con 1 (en correspondencia con la implementacin clsica - MVMO) y 10 partculas, el PSO ejecutado con 20 partculas, y una variante de DE (JADE-vPS) ejecutada con 20 partculas [9]. Notoriamente, el MVMOS posee una caracterstica de convergencia rpida y encuentra un mejor ptimo en contraste con los otros algoritmos. Se destaca tambin que el uso de varias partculas en el MVMOS, implica una razn de convergencia ralentizada, pero el

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mnimo alcanzado es mucho menor, reflejado, como se ilustra en la Figura 14, en un alto grado de similitud de respuesta dinmica en la barra Jamondino entre el modelo detallado del sistema colombiano (mediciones PMU) y su ED. Es notorio que la respuesta obtenida con el ED refleja adecuadamente la dinmica del sistema colombiano en el sistema ecuatoriano, especialmente en la potencia activa, la cual tiene gran relevancia en los anlisis de estabilidad de ngulo.

Figura 13: Convergencia promedio del MVMOS y otros mtodos heursticos

Figura 14: Comparacin de respuesta temporal en la barra de frontera. Sistema colombiano completo (lnea azul continua) y

representado por el ED identificado (lnea roja de trazos)

Adicionalmente, se realiz una comparacin del tiempo requerido para ejecutar una SRD, considerando el sistema EcuadorColombia completo, y reemplazando el sistema colombiano con su ED. En el primer caso, una SRD de 5 s requiere aproximadamente 3.3 min, en tanto que la misma simulacin toma a penas 11 s cuando se considera el ED de Colombia.

5.2. ED de una planta elica

La metodologa propuesta es tambin aplicada a la identificacin de los parmetros del ED de la planta elica prototipo mostrada en la Figura 15. La planta comprende 18 DFIGs, cada uno con 5 MW de potencia nominal.

Figura 15: Planta elica prototipo 18x5MW DFIGs

Las seales de referencia se obtuvieron por SRD considerando modelos de control detallados, que incluyen la actuacin de los conversores y los controladores de velocidad y de paso (pitch control). Para la identificacin paramtrica, se consideraron cuatro diferentes cortocircuitos trifsicos, aplicados en la barra de conexin con la red externa. Estos cortocircuitos difieren entre s por el valor de impedancia de falla considerada. En la Figura 16, se demuestra la idoneidad del ED definido, y de los parmetros identificados, para replicar adecuadamente la respuesta dinmica del modelo detallado.

Figura 16: Comparacin de respuesta temporal en la barra colectora de la planta elica. Modelo detallado (lnea azul

continua) y el ED identificado (lnea roja de trazos)

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La metodologa de identificacin paramtrica propuesta explota las ventajas computacionales de la optimizacin de mapeo media-varianza tipo enjambre as como de los lenguajes DSL y DPL de DIgSILENT Power Factory. Se demuestra que los EDs permiten disminuir considerablemente los tiempos de clculo, especialmente cuando se analizan sistemas de potencia formados por una gran cantidad de dispositivos, como en el caso del sistema Ecuador Colombia. Debido a que el inters de la mayora de estudios de operacin o planificacin realizados en Ecuador, es analizar nicamente la respuesta del sistema ecuatoriano, la inclusin pormenorizada del sistema colombiano no es estrictamente necesaria, por lo que se sugiere al operador del sistema ecuatoriano analizar la aplicacin prctica de la propuesta. Para la implementacin slo

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se requeriran, adems de las mediciones PMU en la barra Jamondino, el modelo del sistema ecuatoriano, y la cronologa-secuencia de eventos ocurridos en su interior. La aplicacin para la identificacin de un ED de una planta elica prototipo, demuestra adems la generalidad del enfoque planteado. Debido a que el marco de la metodologa es genrico, adicionalmente se recomienda su aplicacin para la identificacin y validacin de cualquier subsistema o sistema de control.

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su agradecimiento al Servicio Alemn de Intercambio Acadmico (DAAD), la Universidad Duisburg-Essen, y la Universidad Nacional de San Juan por el auspicio brindado en el desarrollo de esta investigacin.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] Cepeda, J., Rueda, J. & Erlich, I. (2012). Identification of dynamic equivalents based on heuristic optimization for smart grid applications. IEEE Congress on Evolutionary Computation pp.1-8, Brisbane, Australia.

[2] Moslehi J. & Kumar R. (2010). Smart Grid - A Reliability Perspective. IEEE PES Conference on Innovative Smart Grid Technologies, Washington D.C., USA.

[3] Gimnez J. (2006). Evaluacin en lnea de la seguridad dinmica de sistemas elctricos. Tesis Doctoral, Universidad Nacional de San Juan, Argentina.

[4] Erlich I., Shewarega F., Feltes C., Koch F. & Fortmann J. (2012). Determination of Dynamic Wind Farm Equivalents using Heuristic Optimization. IEEE PES General Meeting, San Diego, California.

[5] Puma, J. & Colome, D. (2008). Parameters identification of excitation system models using genetic algorithms. IET Generation, Transmission & Distribution, vol.2, no.3, pp.456-467.

[6] Lee K. & El-Sharkawi M. (2008). Modern heuristic optimization techniques. New York: John Wiley & Sons.

[7] Pappala V. (2009). Application of PSO for Optimization of Power Systems under Uncertainty. Ph.D. dissertation, Faculty of Engineering, University Duisburg-Essen, Duisburg, Germany, 2009.

[8] Nakawiro W. & Erlich I. (2009). Optimal Load Shedding for Voltage Stability Enhancement by Ant Colony Optimization. 15th International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems, pp. 1-6, Curitiba, Brazil.

[9] Nakawiro W. & Erlich I. (2011). A new adaptive differential evolution algorithm for voltage stability constrained optimal power flow. 17th Power Systems Computation Conference, Stockholm, Sweden.

[10] Erlich I., Venayagamoorthy G. & Nakawiro W. (2010). A mean variance optimization algorithm. IEEE World Congress on Computational Intelligence, Barcelona, Spain.

[11] Cepeda J. & Colom G. (2012). Vulnerability Assessment of Electric Power Systems through identification and ranking of Vulnerable Areas. International Journal of Emerging Electric Power Systems, Volume 13, Issue 1.

[12] Cimadevilla R. (2009). Fundamentos de la Medicin de Sincrofasores. XIII ERIAC, Puerto Iguaz, Argentina.

[13] Martinez C. Parashar M., Dyer J., & Coroas J. (2005). Phasor Data Requirements for Real Time Wide-Area Monitoring, Control and Protection Applications, White Paper Final Draft, for: EIPP Real Time Task Team.

[14] DIgSILENT Power Factory (2011). Users Manual Version 14.1. Edicin 1, DIgSILENT GmbH, Gomaringen, Germany.

[15] Kundur P. (1994). Power System Stability and Control. New York: McGraw-Hill, USA.

[16] Kang N. (2009). Singular Spectrum Analysis. Tesis de Maestra en Ciencias de la Estadstica, Universidad de California, Los ngeles.

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Jaime Cristbal Cepeda.- Naci en Latacunga, Ecuador en 1981. Recibi el ttulo de Ingeniero Elctrico en la Escuela Politcnica Nacional en 2005. Entre 2005-2009 trabaj en Schlumberger y en e l CONELEC. Colabor como

investigador invitado en el Instituto de Sistemas Elctricos de Potencia, Universidad Duisburg-Essen, Alemania entre 2011-2012. Actualmente, se encuentra en la etapa final de su trabajo de investigacin previo a la obtencin del ttulo de Doctor en Ingeniera, en el Instituto de Energa Elctrica, Universidad Nacional de San Juan, Argentina. Sus reas de inters comprenden la evaluacin de vulnerabilidad en tiempo real, el desarrollo de Smart Grids y la aplicacin de tcnicas de inteligencia artificial, data mining y optimizacin heurstica en los sistemas de potencia.

Jos Luis Rueda.- Naci en Santa Rosa, Ecuador en 1980. Recibi los ttulos de Ingeniero Elctrico (2004) y Doctor en Ingeniera (2009), de la Escuela Politcnica Nacional, y la Universidad Nacional de San Juan. Entre 2003-2005, trabaj en temas de control

industrial, planificacin y operacin de sistemas de distribucin. Actualmente, es investigador asociado del Instituto de Sistemas Elctricos de Potencia, Universidad Duisburg-Essen, institucin en la que estuvo previamente como investigador invitado entre 2007-2008. Sus tpicos de investigacin actual comprenden el desarrollo y planificacin de redes inteligentes, identificacin modal y de sistemas, procesos estocsticos, optimizacin meta-heurstica, modelacin y control ptimo en centrales de generacin no convencionales y dispositivos FACTS.

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Caracterizacin del ngulo de Voltaje en el Sistema Elctrico Ecuatoriano Utilizando Mediciones del PMU, un Factor Importante en la

Seguridad del Sistema

R. Barba C. Erazo

Centro Nacional de Control de Energa - CENACE

Resumen El objetivo del artculo es identificar el comportamiento de la variacin angular en las subestaciones de 230 kV del Sistema Nacional Interconectado que cuentan con medicin de PMUs, para los diferentes escenarios de demanda y de hidrologa. La definicin de estas curvas de comportamiento caracterstico y la comparacin con las curvas obtenidas en la operacin en tiempo real, permitir identificar tendencias anormales en la evolucin de los parmetros elctricos, de tal manera que el Operador podr tomar las medidas preventivas para retornar al sistema a una operacin estable.

En primera instancia se realiza una breve introduccin a las redes WAMS, describiendo cada uno de sus componentes.

Para posteriormente proceder a realizar la identificacin del comportamiento normal de la diferencia angular en el sistema de potencia, tomando como base los datos obtenidos de la red de unidades de medicin fasorial disponibles en el sistema.

Palabras clave Caracterizacin angular, ngulo de voltaje, seguridad del sistema.

1. INTRODUCCIN

En un sistema elctrico de potencia la energa fluye a travs de las lneas de transmisin desde las centrales de generacin hasta los centros de consumo cumpliendo la regla que la energa generada es consumida en ese instante. Por lo que es tarea del operador mantener este equilibrio entre generacin y carga para lograr un funcionamiento estable y garantizar la continuidad del mismo tras presentarse una contingencia.

Para mantener el equilibrio el operador realiza diferentes maniobras basado en las mediciones que visualiza en el centro de control. Hoy en da se ha logrado tener mayor precisin, cantidad y calidad en las mediciones gracias a la incorporacin de las unidades de medicin fasorial (PMU) al sistema elctrico. Estos medidores permiten conocer los

valores de voltaje y corriente con su mdulo y ngulo, adems ofrece una misma estampa de tiempo sincronizada con GPS y una resolucin mucho mayor a la desplegada por las mediciones de un sistema SCADA.

Con las mediciones de los PMU se puede determinar si un sistema est atravesando una situacin de inestabilidad, alertar que el sistema est prximo a ingresar a una condicin insegura de operacin o simplemente indicarle al Operador del sistema si el comportamiento del sistema de potencia es atpico. Esta informacin sirve al operador para que tome acciones encaminadas a retornar a los valores a operacin normal y evitar daos en equipos, suspensin del suministro o colapsos en el sistema.

Se puede utilizar las mediciones del ngulo de voltaje obtenidas de los PMU y monitorear la separacin angular entre dos barras para conocer el nivel de estrs al que est siendo sometido esta parte del sistema, ya que si este ngulo se incrementa se puede llegar a escenarios de inestabilidad y posible colapso de voltaje.

2. GENERALIDADES

El crecimiento de la demanda en el sistema elctrico ecuatoriano ha superado en gran medida a la incorporacin de nuevas instalaciones para generacin y transporte de energa elctrica, lo que ha ocasionado que las lneas de transmisin existentes trabajen muy cerca de sus lmites operativos, afectando as a la seguridad del sistema ya que lneas con altas transferencias son activadores para la presencia de oscilaciones poco amortiguadas.

2.1. Redes WAMS

El Wide Area Monitoring System (WAMS) es un sistema que utiliza la nueva tecnologa para la adquisicin de datos brindada por los PMU localizados a lo largo del sistema elctrico de potencia, algoritmos para el procesamiento de seales digitales y la infraestructura capaz de proporcionar informacin dinmica del sistema [1].

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La red WAMS consta de varios componentes que estn divididos en niveles, desde el nivel menor al mayor tenemos a: TPs y TCs, PMU, PDC, histricos y anlisis [2].

En el primer nivel se tiene a los elementos finales de medida que son los transformadores de potencial (TPs) y los transformadores de corriente (TCs) de los cuales depende la exactitud y precisin de la media.

El segundo nivel lo componen las Unidades de Medicin Fasorial (PMU) que son equipos que calculan el fasor de voltaje o corriente utilizando las mediciones de los TCs y TPs. Adems posee un receptor de satlite GPS que proporciona un pulso de sintonizacin precisa con relacin a las medidas de entrada de voltaje y corriente. A partir de estas muestras se calcula los voltajes y corrientes de secuencia positiva y marca el tiempo exacto en que se midi el fasor. Finalmente el PMU prepara un mensaje con la marca de tiempo y datos del fasor en un formato definido por la norma IEEE 37.118 - 2005 y estos datos puedan transmitirse a travs de un enlace de comunicacin disponible [3].

Figura 1: Diagrama de bloque del funcionamiento del PMU [3]

En el tercer nivel se encuentran los concentradores de datos (PDC) que son dispositivos encargados de recibir y correlacionar de acuerdo a las estampas de tiempo los datos fasoriales provenientes de los PMU o de otros PDC, para el caso de un Sper PDC y de esta manera crear un conjunto de datos fasoriales de todo el sistema elctrico. Adems los PDC cuentan con un registro histrico para el almacenamiento de datos y proporcionan los mismos para funcionamiento de otras aplicaciones.

Por ltimo en el cuarto nivel se encuentran todos los programas y aplicaciones para el anlisis de datos ya sean histricos o en tiempo real permitiendo generacin de alarmas ante perturbaciones en el sistema.

Figura 2: Diagrama esquemtico de una red WAMS [3]

2.2. Aplicaciones de las WAMS

Con la incorporacin de las redes WAMS a los sistemas elctricos de potencia (SEP) y a la versatilidad que estos presentan en la forma, cantidad y anlisis de datos mostrados emerge un nuevo paradigma en la operacin en tiempo real de un SEP.

Se puede clasificar a las aplicaciones de los PMU y las redes WAMS en: observacin, estimacin de estados, estabilidad, proteccin y control, parametrizacin de la red, entre otros [4]. A continuacin se detalla brevemente cada uno.

2.2.1. Observacin

Se incrementa el monitoreo global de la red con la obtencin de las variables elctricas de la subestaciones, que de igual manera provee las mediciones tradicionales de UTR, con la diferencia que con los PMU se tiene la medicin directa de las magnitudes y los ngulos de voltaje y corriente, con una actualizacin de 20 a 60 mediciones por segundo que es mucho mayor al refrescamiento de 2 o 4 segundos brindado por las UTRs.

2.2.2. Estimacin de estados

Se fortalece la robustez y la confiabilidad del estimador de estado al incluir las mediciones del PMU que proporcionan la una evaluacin directa del estado del sistema y simplificar los pasos del estimador de estado tradicional.

En primera instancia se puede adoptar un estimador de estado hbrido donde se mezclan las mediciones SCADA con las del PMU y en el proceso de estimacin, basado en el mtodo de los mnimos cuadrados ponderados, se utiliza los datos del PMU para corregir las variables calculadas por el estimador. Y cuando los estados mostrados por el PMU son confiables y precisos se puede remplazar al estimador tradicional. [4]

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2.2.3. Estabilidad

La estabilidad de un sistema elctrico se la define como la capacidad de dicho sistema para, a partir de una condicin inicial de operacin dada, recuperar un estado de equilibrio operacional despus de haber estado sujeto a una perturbacin como: disparo de generacin, salida de lneas de transmisin, variaciones sbitas de carga, entre otras, con el mayor nmero de variables dentro de sus lmites, de tal manera que prcticamente el sistema completo permanece intacto [5].

Hay varios mtodos para calcular los modos de oscilacin que pueden presentarse en un SEP, la mayora de estos se la realiza con programas fuera de lnea y resolviendo gran cantidad de ecuaciones diferenciales.

Con los fasores obtenidos de los PMU y con un aplicativo se puede obtener en tiempo real los modos de oscilacin para la frecuencia y diferencia angular en todas las subestaciones donde estn instalados los PMU. Con esto se puede monitorear la estabilidad de ngulo y de voltaje del SEP en tiempo real.

2.2.4. Proteccin y control

Se puede utilizar las mediciones de los PMU para que sirvan de entrada para los sistemas de proteccin.

De igual manera se han desarrollado varios esquemas para que el PMU al detectar alguna anomala o inestabilidad en el sistema enve comandos a los SVC o FACTS para tratar de mantener estable al sistema como lo indica en [6].

2.2.5. Parametrizacin de la red

Se puede calcular directamente los parmetros de las lneas de transmisin, transformadores, generadores, ajustar modelos de PSS mediante las mediciones de los PMU. Por ejemplo se puede calcular la admitancia de una lnea mediante la medicin de voltaje y corriente en cada nodo de la lnea.

3. CARACTERIZACIN DEL NGULO DE VOLTAJE

El flujo de potencia activa y reactiva que fluye a travs de un elemento tiene relacin directa con la diferencia angular entre los dos terminales al que este conectado el elemento. Por lo que a mayor flujo de potencia la diferencia angular ser mayor.

Se utilizar los datos de diferencias angulares obtenidas de los PMU instalados en el SNI (Sistema Nacional Interconectado) con el objetivo de determinar las diferencias angulares caractersticas

del sistema elctrico ecuatoriano en diferentes escenarios de hidrologa.

Cabe indicar que una vez recolectada los datos de los PMU se encontraron que el registro en el histrico no estaba disponible para todos los PMU por lo que se limitaba el anlisis a la diferencia angular entre las subestaciones Molino y Totoras de 230 kV.

Se determin la curva de diferencia angular entre Molino y Totoras para un da laborable y un fin de semana para los escenarios de hidrologa alta y baja.

3.1. Definicin de escenarios

Las condiciones de operacin del SNI varan dependiendo de las condiciones hidrolgicas, das de la semana, periodos de demanda y otras de menor impacto. Por lo que el estudio de caracterizacin del ngulo de voltaje se lo va a desarrollar para periodos con hidrologa alta y con hidrologa baja. Dentro de estos periodos se tomar un da laborable y un da de fin de semana para evaluar por demanda base, media y mxima el comportamiento del ngulo de voltaje.

3.2. Instalaciones con supervisin de PMU

A finales del ao 2011 se concluy la instalacin 5 PMUs en las subestaciones de 230 kV del SNI. Para el siguiente ao se continu instalando PMU y desde agosto del 2012 se cuenta con 9 PMUs en total, que se encuentran en las siguientes subestaciones.

Tabla 1: Subestaciones con PMU hasta agosto 2012

Subestacin PosicinMolino Pascuales 1 230 kV

Totoras Santa Rosa 1 230 kV

PomasquiJamondino 2 230 kV

Jamondino 3 230 kV

Quevedo Pascuales 1 230 kV

alta ATT 138 kV

PascualesMolino 2 230 kV

Molino 1 230 kV

Santa Rosa

Totoras 1 230 kV

Totoras 2 230 kV

Santo Domingo 1 230 kV

Pomasqui 1 230 kV

Cabe indicar que se espera que para fines de septiembre de 2012 se tengan instalados 14 PMU en el sistema nacional interconectado ecuatoriano.

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Los PMUs se han instalado en subestaciones del anillo de 230 kV y se tiene por lo menos un PMU en cada una de las zonas que se puede dividir el SNI para restablecimiento en caso de colapso total y son: Totoras Santa Rosa, Molino Milagro, Santo Domingo Quevedo y la zona de Pascuales.

Figura 3: Mapa geogrfico de ubicacin de PMUs en el SNI

3.3. Evaluacin estadstica de los datos del PMU

Una vez definidos los escenarios se tom muestras de la diferencia angular para varios das coincidentes utilizando el registro histrico del programa Phasor Point Workbench de Psymetrix. La evaluacin se la realiz utilizando la opcin PDX2 con una medicin de 20 muestras por segundo para todos los PMU.

En el SNI la barra oscilante es la S/E Molino y esta sirve tambin de referencia para las mediciones de los PMUs, por lo que la diferencia angular entre una S/E y la S/E Molino es la que va a ser considerada en este estudio.

Conforme se lo indic en prrafos anteriores, debido a problemas de la data se procedi a trabajar con la informacin de la diferencia angular entre las S/E Molino y Totoras 230 kV.

Se tom los datos para la diferencia angular entre Molino y Totoras para 21 das, en cada da se debe tener 4320 muestras, para la depuracin de la data se consideraron los siguientes problemas: falta de estampa de tiempo, es decir, no existe el dato y el segundo es que el dato no es vlido.

De la estadstica se observa que hay das en que los datos con falta de estampa de tiempo o datos faltantes

pueden llegar hasta el 62% y en promedio se tiene un 13,9% de datos faltantes. Mientras que los datos no vlidos son en promedio el 16,4% de los datos totales obtenidos para cada da.

Tabla 2: Estadstica de datos no vlidos y faltantes del PMU

DaDatos

no vlidos

Datos totales

Datos faltantes

% datos

no vlidos

% datos faltantes

04/07/2012 132 1 631 2 689 8,1 62,2

08/07/2012 502 4 260 60 11,8 1,4

11/07/2012 89 4 320 0 2,1 0,0

15/07/2012 1 750 3 987 333 43,9 7,7

18/07/2012 132 1 631 2 689 8,1 62,2

22/07/2012 427 4 260 60 10,0 1,4

25/07/2012 634 4 021 299 15,8 6,9

29/07/2012 576 1 926 2 394 29,9 55,4

01/08/2012 1 173 4 198 122 27,9 2,8

05/08/2012 0 4 320 0 0,0 0,0

08/08/2012 1 090 4 181 139 26,1 3,2

12/08/2012 167 4 320 0 3,9 0,0

15/08/2012 1 491 4 200 120 35,5 2,8

19/08/2012 429 4 320 0 9,9 0,0

22/08/2012 1 111 4 197 123 26,5 2,8

26/08/2012 630 4 247 73 14,8 1,7

29/08/2012 641 4 031 289 15,9 6,7

02/09/2012 293 2 250 2 070 13,0 47,9

05/09/2012 532 3 233 1 087 16,5 25,2

09/09/2012 287 4 320 0 6,6 0,0

12/09/2012 732 4 260 60 17,2 1,4

Promedio 16,4 13,9

3.4. Resultados obtenidos

Organizados los datos por condicin hidrolgica y por da se obtuvo el promedio de la diferencia angular para cada periodo de demanda.

3.4.1. Diferencia angular Molino Totoras para un da laborable

Como se muestra en la Figura 4, el comportamiento de la diferencia angular entre Molino y Totoras es prcticamente similar para las hidrologas alta y baja, con la singularidad de que se tiene mayor valor de diferencia angular para la demanda media y punta en hidrologa baja que en la alta. Sucede lo inverso para el periodo de demanda base donde es mayor la diferencia

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angular para condiciones de alta hidrologa, lo cual es concordante con las caractersticas de los despachos de dichos perodos, maximizacin de Paute.

Figura 4: Diferencia angular Molino Totoras en da laborable

Otro detalle que se puede observar es que hay similitud en los valores de diferencia angular para los periodos de demanda base y punta.

Se pudo observar que la diferencia angular entre Molino y Totoras puede alcanzar valores desde 4 hasta 20 grados para condiciones de baja hidrologa, mientas que puede variar de 6 a 16 grados para una hidrologa alta.

3.4.2. Diferencia angular Molino Totoras para fin de semana

De igual manera se recolect los datos para un fin de semana, se puede visualizar en la Figura 5, que del valor de la diferencia angular es muy diferente para baja y alta hidrologa. Existe un marcado contraste entre demanda punta y las demandas base y media para el escenario de hidrologa baja. En cambio para la condicin de hidrologa alta la curva es muy parecida a la de un da laborable, es ms, en sta se llega a tener valores superiores que en un da laborable con alta hidrologa.

Figura 5: Diferencia angular Molino Totoras en fin semana

De igual manera se puede decir que la diferencia angular entre Molino y Totoras est entre 1 y 10 grados para un escenario de baja hidrologa, en tanto que para hidrologa alta esta puede tomar valores de 6 a 18 grados, concomitantemente con los altos flujos que se pueden registrar, en este perodo en la L/T bajo anlisis; flujo de potencia desde la central Paute hasta el centro de carga en la capital - Quito.

3.4.3. rea caracterstica de la diferencia angular Molino Totoras

Debido a que las curvas mostradas anteriormente presentan demasiadas variaciones y no seran una herramienta adecuada para seguir el comportamiento de la diferencia angular en tiempo real, se redujo estas curvas al promedio horario alcanzado que est delimitado por la desviacin estndar que se calcula para cada hora. De esta manera se conforma una zona o rea en la cual existe una alta probabilidad que flucten los valores de la diferencia angular entregados por los PMU.

As se construyeron reas para un da laborable para el escenario hidrolgico alto y bajo.

Figura 6: rea caracterstica de la diferencia angularMolino Totoras para da laborable con alta hidrologa

Figura 7: rea caracterstica de la diferencia angularMolino Totoras para da laborable con baja hidrologa

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Tambin se cuenta con las reas caractersticas de la diferencia angular Molino Totoras para un fin de semana considerando los escenarios de hidrologa.

Figura 8: rea caracterstica de la diferencia angularMolino Totoras para fin de semana con alta hidrologa

Figura 9: rea caracterstica de la diferencia angularMolino Totoras para fin de semana con baja hidrologa

3.5. Utilidad de la curva caracterstica de diferencia angular en la supervisin en tiempo real

Con las reas caractersticas de los valores de la diferencia angular se puede, en tiempo real, visualizar de forma rpida algn comportamiento anmalo de la diferencia angular y poder reaccionar oportunamente; esto es si se observa tendencias fuera del rea caracterstica de operacin.

A manera de ejemplo se utilizar los datos de los PMU para colocarlos en la curva caracterstica y observar el comportamiento de la diferencia angular en condiciones normales de operacin. Luego se insertar la simulacin de una falla utilizando el flujo del operador del EMS para observar como vara la diferencia angular y de cmo el rea caracterstica nos puede alertar de la anomala en el sistema.

Figura 10: Ejemplo de la supervisin de la diferencia angular Molino Totoras

En la Figura 10, se muestra la medicin del PMU para un da, en este caso para hidrologa baja, donde se observa que los valores estn dentro del rea caracterstica definida. A las 12:00 horas se simula la apertura de la L/T Riobamba Totoras 230 kV y con lo que aumenta la transferencia por la L/T Molino Totoras 230 kV de 186 + j 10 MVA a 283 + j 42 MVA y tambin se incrementa su diferencia angular de 16 a 29 grados. En este ejemplo luego de suceder la falla la L/T Molino Totoras 230 kV no queda sobrecargada, pero su diferencia angular se acerca a 30 grados y de superar este valor se pueden tener problemas de estabilidad.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Con la incorporacin de los PMU se tiene una mejor visibilidad del sistema elctrico y la posibilidad de supervisar el comportamiento dinmico del mismo, accediendo a nuevos datos como: la diferencia angular y modos de oscilacin en tiempo real.

Se obtuvo la curva caracterstica de diferencia angular entre Molino y Totoras, encontrando que para escenarios de hidrologa alta la diferencia angular es mayor que para hidrologa baja. Esto se debe a la estrategia de maximizar la generacin hidrulica en todo momento, generando altas transferencias desde la zona de generacin, central Paute, hacia el segundo centro de carga principal del Ecuador, la zona de la capital - Quito

Sobre la base de la caracterizacin de la diferencia angular del sistema se puede tener control en la identificacin de comportamientos atpicos, inclusive anmalos, resultado de una falla.

Es altamente necesario disponer de los datos del resto de PMUs en el registro histrico para poder realizar este tipo de anlisis en el resto del sistema.

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Sera interesante realizar la caracterizacin de la diferencia angular para das especiales, una vez que se obtenga la data necesaria.

Se encontr que los canales de comunicacin con los PMU tienen deficiencias y se pierde mucha informacin que en determinadas ocasiones puede ser de gran relevancia, es importante que este tipo de red que gestiona informacin muy relevante tenga canales de comunicacin dedicados.

La Interface Humano Mquina debera permitir la incorporacin de la informacin de la caracterizacin angular, procesada por el usuario, e inclusive la incorporacin de esta facilidad de manera automtica, sobre la base de la data almacenada en el servidor respectivo, requirindose nicamente la definicin de ciertos parmetros por el usuario.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] Jurez C.A., Colom D.G. (2009). Tendencias en la Supervisin en Tiempo Real de la Estabilidad de Pequea Seal de Sistema de Potencia, Dcimo tercer encuentro regional Iberoamericano de CIGR.

[2] Moreno S., Len R.A. Aspectos Tcnicos de una WAMS de PMUs.

[3] Hart D., Novosel D.Karlsson D., Kaba M., (2001). Unidades PMU Supervisin de las Redes Elctricas: un Nuevo Enfoque. Revista ABB 1/2001.

[4] Restrepo D., Lpez G. (2010). Posibilidades de Aplicacin de PMUs en un Sistema de Transmisin Nacional. Universidad Pontificia Bolivariana, Medelln, Colombia.

[5] Gallardo C. (2009). Estabilidad y Amortiguamiento de Oscilaciones en Sistemas Elctricos con Alta Penetrabilidad de Parques Elicos. Tesis Doctoral. Universidad Carlos III, Madrid, Espaa.

[6] Zima M., Larsson M., Korba P., Rehtanz C., Andersson G. (2005), Design Aspects for Wide-Area Monitoring and Control systems .Proceedings of the IEEE, Vol. 93, No. 5, May 2005.

[7] Sattinger W., Bertsch J., Reinhardt P. (2006), Operational Experience with Wide Area Monitoring Systems. CIGR 2006 Session, Paris, Francia.

[8] Quintanilla R. (2005), Sistemas de Transporte Inteligentes Medicin Sincronizada de Fasores, IEEC 2005, Bilbao, Portugal.

Roberto Barba Barba.- Naci en Quito, Ecuador, en 1968. Obtuvo el ttulo de Ingeniero Elctrico en la Escuela Politcnica Nacional en 1996 y recibi el grado de Magiste