Sistema de protecciones inteligente Alternativa para un ...extranet.frsf.utn.edu.ar/application/uploads/3SNUEYE/archivos/... · Sistema de protecciones para un esquema de Generación

Sistema de protecciones para

un esquema de Generación

Distribuida

Universidad Tecnológica Regional Santa Fe

Autor: Ing. Luis Alberto Krapf

Escuela de Ingeniería Eléctrica

Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura – UNR

EVOLUCIÓN

DE LAS

REDES

Aislada

Interconectada

Mallada

Ing. Luis Alberto Krapf Slide 2

Introducción

El efecto invernadero provocado por el uso de

combustibles fósiles y la crisis energética

promovió el empleo de generación de valores

pequeños en distintos puntos de la red.

Desde estamentos oficiales en distintos países se

favoreció autogeneración y posterior conexión a la

red.

El desarrollo de energías alternativas provocó la

inserción de módulos menores en la red.

Ventajas la diversificación de la matriz energética.


Análisis del funcionamiento con I>

101

102

103

104

105

10-2

10-1

100

101

102

103

I [A]

t [s

eg]

PROTECCIÓN DE MAXIMA CORRIENTE

AAA

B

Aparición de falla entre

B y C

Aparición de falla entre

A y B

Fuente

E s Z s Z LAB Z LBC

A B C

R A


Impacto de la generación

distribuida Es Equivalente del sistema

Eg Generación en la barra A

EsZs ZLAB ZLBC

A B C

RA

EgZg

I''K

L

gs

gs

gs

gs

g

g

s

s

k

ZZZ

ZZ

ZZ

ZZ

Z

E

Z

E

I

''

L

gs

gs

sk

ZZZ

ZZ

EI

''

Tomando a = Zg/ZS y b = ZL/ZS

Lskkk

ZZ

EIcon

baba

babaII

'''' 1

desarrollo de Kauhaniemi y Kumpulainen

Resulta

Con Es~Eg


Relación de corrientes

00.5

1

1.52

0

0.5

1

1.5

21

1.5

2

2.5

3

3.5

Zg/Zs

Relación de corrientes

Zl/Zs

I"K/I´k


Caso 1

EsZs ZLAB ZLBC

A B C

RA

EgZg

I''K

4 unidades de

1 MVA

Pcc = 80MVA (del sistema)

ZS = 0,5+j2,17

Cada gen. Zg = 3+j20,9

ZAB = 2,1 + j2,2

ZBC = 3,0 + j4,0

Falla en Sin aporte 1 Gen. 2 Gen. 3 Gen. 4 Gen.

Barra A* 8555 9455 10354 11273 12135

Barra B 3747 3905 4046 4173 4281

Barra C 1840 1876 1907 1934 1956

A* Barra ficticia muy próxima a A

Ing. Luis Alberto Krapf Slide7

Caso 2

Protección de máxima corriente

en RA1 y RA2

Al aparecer una falla F, la

corriente por RA2 depende de la

relación de impedancias

pudiendo ser mayor en cualquiera

de los dos sentidos.

Si la protección de I> fuese

direccional deberíamos analizar

las reservas ante falla

Es Zs

A B 1 C 1

R A1

E g

Z g

B 2 C 2 R A2

F Alimentador 1

Alimentador 2


Caso 3

Protección de distancia en RA

Es Zs

A

B C R A

E g

Z g

A B CDistancia

Tie

mpo

Eg fuera de servicio

A B CDistancia

Tie

mpo Zona de riesgo

Eg en de servicio

Se deberían disponer de al

menos 2 regulaciones

posibles


Inconvenientes con GD

Recierre en una línea que conecta a la sub-red con GD. En el caso de recierre trifásico, por la posibilidad de fallas en el equipamiento por pérdida de sincronismo.

En el caso de operar en isla la porción de la red con GD, se puede perder la calidad de servicio.

Para evitar los inconvenientes mencionados se debe:

Desconectar la GD en el caso de anormalidades en la tensión o la frecuencia.

Si una o dos fases de la red se desconecta la GD debe ser inmediatamente desconectada.

Si se aplica el recierre trifásico la GD debe ser desconectada previamente al cierre del interruptor.


Soluciones

- funcionamiento en isla, implementación de un sistema

ROCOF (Rate of Change of Frecuency)

- disponer el ajuste de los relés apto para cada situación

en base a la red presente

- sistema inteligente de control de protecciones, que

asegure el cambio de ajuste para cada situación de la

red.


GD: REQUERIMIENTOS de PROTECCIONES

para una INTERCONEXIÓN

• Requisitos establecidos para cada generador

• Función de la potencia de cada generador y de la

tensión de conexión

• Función del tipo del generador (Sincrónico, Inducción,

Inverters)

• Si la energía es para consumo propio o para venta

• Dependen del transformador de conexión

• Requisitos mínimos se establecen en la norma IEEE

1547 para tensión y frecuencia

• Trabajo en isla

• Sistema de protección para el aporte a la falla y

condiciones de transitorio provocadas por la GD


GD – Interconexión Ajuste sobre

y sub tensión


GD – Interconexión

Sobre y sub frecuencia


DG Interconexión

Sobre y Sub Frecuencia - Ajuste

• Carga local excede la generación se requiere un

programa de deslastre para evitar la caída de la

frecuencia y el colapso del sistema.

• Dependiendo del punto de conexión al SEP la operación

puede requerir que el generador permanezca conectado

actuando el load shedding.


Disparo por frecuencia

47,2

47,6

48

48,4

48,8

49,2

49,6

0,1 1 10 100

Fre

cu

en

cia

(H

z)

Tiempo (seg)

El disparo por frecuencia puede ser permitido sin ningún requisito

adicional. Puede programarse con load shedding.


Protecciones requeridas

Interconexión

Dispositivo Funcion

27 Sub tensión

59 Sobre tensión

81o Sobre frecuencia

81u Sub frecuencia

Protecciones típicas para pequeñas interconexiones PV (<25 kw)

Fuente IEEE Standart 1547-2003


Protecciones requeridas

Interconexión

Protecciones típicas para generadores a inducción pequeña (<100 kw)

Dispositivo Función

27 Sub tensión

59 Sobre tensión

59GI/59GT Relé de sobretensión de tierra Inst. y temporizado

59I Sobre tensión Instantáneo

81o Sobre frecuencia

81u Sub frecuencia



Protecciones Interconexión

Syncro check


Parámetros de sincronización

Unidad

(kVA)

Diferencia

Frecuencia

(f ; Hz)

Tensión

(V ; %)

Angulo

( ; o)

0-500 0,3 10 20

500 - 15000 0,2 5 15

>1500 - 10000 0,1 3 10


Sistema inteligente

• mantener dinámicamente un modelo del SP, en el cual

se refleje el estado de sus componentes;

• detectar fallas;

• aislar fallas;

• respaldar componentes que presenten falla interna

(protecciones e interruptores).

Requerimiento temporal

Capacidad de adquirir datos - Filtrado

Requisito de fácil integración


Característica de los SIC

Relé 1 Relé n

Relé 1 Relé p

Relé 1 Relé k

Relé 1 Relé l

SSI 1

SSI 2

SSI j

SSI mSISTEMA de

DISTRIBUCION

SCI

Relé: unidad IED “Intelligent

Electronic Device”

Se aumenta de esta manera la

confiabilidad del sistema

SIC poseen información del

sistema

Elabora:

• Ordenes de bloqueo

• Cambio de seteo

• Reposición del servicio

• Disparo


Arquitectura del SIC

Capa Inferior Posee la

representación lógica del SD

Capa Media responsable de

ejecutar acciones dispuestas

por ella misma o por la capa

superior.

Capa Superior Deliberativa

agentes de análisis y

reposición.

Aparenta ser un sistema

centralizado pero opera como

distribuido utilizando el sistema

multiagente.

Deliberativa

Capa

Coordinación (híbrida)

Capa Comunicación y

Reactiva

Capa

Entrada

Eventos

Eventos Planes

Control

Control

DISTRIBUCION

SISTEMA de

Entrada Control


Sistema Multiagente

Sist. multiagente compuesto unidades autónomas

Características del agente

Capacidad para alcanzar objetivos locales

No tiene capacidad para alcanzar objetivos globales

por sí solo

No hay control del sistema global

Los datos están descentralizados

Sist. Computación asincrónica


Principio de Funcionamiento

Agentes de capa inferior tienen visión mínima,

resuelven en función de su entorno.

Reglas de la forma

Situación Acción

Esta acción puede ser bloqueada por un nivel superior

Capas superiores tienen visión más completa del

sistema.

Capa superior encargado de detección y aislación de

fallas, reposición y respaldo.


Guía de agentes

Agentes independientes de otros

tratan de alcanzar sus propios

objetivos, interaccionan para

alcanzar objetivo global.

Agente de protección maneja

reglas, lógica de relés y

características de operación

Agente de generación representan

a los generadores e inyectores de

potencia

Manejador de eventos Es el

encargado de comunicación entre

sistemas de análisis y entorno.

SISTEMA DE DISTRIBUCION

Generador

Ag. Detección

Agente

Protección

y Aislación

de Fallas Manejador de

Eventos

Reposición

Agente de

Agente

Agente

Back-up

El ME mantiene repositorio de

datos dinámicos sobre el entorno,

eventos y acciones


Guía de agentes

Agente Detección y aislación de

fallas: Analiza eventos

provenientes de capa inferior,

busca solución con mínimo

impacto.

Agente de reposición: Restaura

el sistema a una configuración

subóptima.

Agente de Back up: Monitorea

el sistema y en caso de falla

debe adoptar la mejor solución

posible.

SISTEMA DE DISTRIBUCION

Generador

Ag. Detección

Agente

Protección

y Aislación

de Fallas Manejador de

Eventos

Reposición

Agente de

Agente

Agente

Back-up


Características del sistema

Condición del

sistema 1

Condición del

sistema n

Condición del

sistema 2

Caso de

uso 1

Grupo de

seteos 1

Caso de

uso k

Grupo de

seteos k


Característica del problema

Ataque:

tareas independientes

Agentes: relés Agentes: relés Agentes: relés Agentes: relés

Distribuidos geográficamente

Datos del SEP

Naturaleza dinámica


Sistema multi-agentes

Requerimientos hacia la Arquitectura

Descomposición de tareas y obtención o

funcionalidad requeridas.

Las funcionalidades deben ser lo más simples

posibles de manera de tratar con un único aspecto

o comportamiento esperado del sistema.

Al definir una funcionalidad también es importante

definir la información que requiere y la información

que produce.


Documentación - Descriptores

• Nombre: Detector de estado de la red.

• Descripción: Presencia de generadores, su localización y su tipo.

• Acciones: -.

• Percepción: Estado de protecciones.

• Acceso a Datos: Lectura del estado de protecciones, topología de red.

• Interacciones: Provee la región generada a las funcionalidades elección de una regulación de protección seteada previamente


Sistema multi-agentes

Interacción de Funcionalidades e identificación de Agentes.


Conclusiones

La GD es una realidad en la República Argentina

Se presentan inconvenientes derivados de la variación de la

configuración del SP

Pueden producir sobrealcances o subalcances, como así

también la posibilidad de que ante una inversión del sentido

de la corriente el relé de sobrecorriente puede producir

falsos disparos.

Es necesario disponer de medición direccional y de distintas

regulaciones para adecuarlas a la configuración del SP

Se propone trabajar un sistema multiagentes que en forma

automática puede seleccionar el layer adecuado de trabajo.


Experiencia

Este sistema de protecciones con distintos seteos fue

realizado en la red de media tensión de una planta de la

zona norte de Rosario, en la cual se contemplaba tres

situaciones:

- Alimentación desde la Empresa Provincial de la

Energía de Santa Fe,

- Alimentación propio total o parcial,

- Elemento o equipo en prueba.


Normas de GD DG Interconnection Industry Standards

IEEE 1547‐2003 IEEE Standard for Interconnecting

Distributed Resources with Electric Power Systems

Mayores detalles son provistas por IEEE 1547.2

(Application Guide for IEEE 1547)

Los requerimientos varían de acuerdo a los parámetros

de la generación

UL 1741 Inverters, Converters, Controllers and

Interconnection System Equipment for Use with

Distributed Energy Resources

Esta norma es una extensión de la original escrita

inversores de generación PV


NORMAS Adicionales

IEEE C37.90, IEEE Standard for Relay Systems

Associated with Electric Power Apparatus

• IEEE C37.95, IEEE Guide for Protective Relaying of

Utility‐ Customer Interconnections

• IEEE Std. 519‐1992, IEEE Recommended Practices

and Requirements for Harmonic Control in Electrical

Power Systems

• IEEE 1453‐2004, IEEE Recommended Practice for

Measurement and Limits of Voltage Fluctuations and

Associated Light Flicker on AC Power Systems.

• IEEE C2‐2007, National Electrical Safety Code

• NFPA 70, National Electric Code


MUCHAS GRACIAS

Ing Luis Alberto KRAPF

Mail [email protected]

mailto:[email protected]

ANÁLISIS FUTURO

Escuela de Ingeniería Eléctrica - Facultad de CS. Exactas, Ingeniería y Agrimensura

- UNR

Indice de Contingencia

Inter. actúancorrectamente

Falla

por relésDetección

PermanenteFallaFalla

Transitoria

Recierre Apertura

incorrectaOperación

ActúaRespaldo

correctamenteInter. no actúan

RespaldoActúa

AnálisisSistema Sistema

AnálisisAnálisisSistema

k=1

k=2

Gra

do de contingencia


- UNR

Identifying High Risk N-k Contingencies for Online Security Assesment Chen - MCCalley - IEEE Transaction on Power System May 2005

Eventos consecuentes

Falla en línea 1

Desconexión línea 1

Sistema debilitado

Línea 2 sale por sobrecarga

Posible salida de línea 3 por

sobrecarga

Línea 5

Línea 4

Línea 2

Línea 1

Línea 6

Línea 3

Carga A

Carga C

Carga B

SET C

SET A

SET B

Estación

Transformadora

Carga A

Estación

Transformadora SET ALínea 2

Línea 4

Línea 5

SET C

Carga B

Línea 3

Línea 6

Carga C

SET B


- UNR

Catastrophic Failures in Power Systems: Causes, Analyses, and

Countermeasures - De la Re et al - Proc. of the IEEE may 2005

Reposición

Análisis del sistema después de la falla y estudio de reposición:

Algoritmo a emplear tiene en cuenta:

• Capacidad de lineas

• Estado (servicio/fuera de servicio)


- UNR

Falla en protecciones

SISTEMA CONVENCIONAL

Falla en protección Informe al Centro de Control

Aparición de falla en el SEP Actuación reservas

SISTEMA INTELIGENTE DE PROTECCIONES

Informe al Centro de Control

Falla en protección Bloqueo de la protección

Función adoptada por el ADyAF y el AB

Señal de disparo a interruptor y a reservas con 300ms de retardo

EIE – FCEIA


Información deficiente

Cálculo de factores de certeza (J. C. Tan, P. A. Crossley, P. G. McLaren, I. Hall, J. Farrell, and Phillip Gale)

Determinación del lugar mas probable y orden de disparo

En función de la indicación de los relés en la RF

EIE – FCEIA


En líneas radiales o simples la determinación se hace en función de la indicación de la dirección. Supongamos falla en el tramo BC.

Si un relé falla, por ej. Rbc, el SSI y el SC conoce esta información y ejecuta las siguientes acciones:

Bloquea accionamiento de Rbc

Relé Rba indica dirección opuesta y el SIP observa falla posible en barra o en línea y decide por probabilidad de falla que la zona mas probable es la línea ordenando la apertura del interruptor asociado al Rbc

A B C D

Rab RcdRbcRba Rcb RdcGen.

equiv.

Gen.

equiv.

EIE – FCEIA

Reposición del servicio

Salida de servicio de una línea por falla: reposición en forma automática mediante agentes:

Agente de línea (AL): controla todas las líneas

teniendo en cuenta su carga actual y la máxima

permitida.

Agente de generación (AG): Verifica el excedente de potencia a suministrar por generadores y transformadores.

Agente de restauración (AR): es el encargado de

gerenciar la restauración.

EIE – FCEIA

AL AG AR

SIP

Características de los agentes de

reposición

AL se comunica un número limitado de veces con sus vecinos

ALs y AGs informan al AR sus posibilidades

AR es el único con capacidad de iniciar la restauración.

Estrategia:

Si existe más de una forma de restauración el AL seleccionará la de

mayor potencia disponible

Si la potencia es insuficiente el AL negociará con ALs vecinos para

obtener mayor potencia

Si la potencia disponible es insuficiente el AR determinará el deslastre

correspondiente.

EIE – FCEIA

Conclusiones

• Se reduce el tiempo de actuación en los relés

de back up.

• Respuesta ante incompletitud de datos.

• Reemplazo de una protección por falla propia o

de sistema asociado.

• Capacidad de acción ante situaciones

inesperadas.

EIE – FCEIA

CVs disertantes

Presentación de Marcos “El primer seminario se titula “Smart Grid” y está a cargo del Ing. Electricista Luis Krapf y del Ing. Electricista Jorge Saenz, Breve currículum de los expositores El Ing. Luis Krapf es egresado de Escuela de Ingeniería Eléctrica, de la Facultad de Ciencias Exactas e Ingeniería de la Universidad Nacional de Rosario. A partir del 11 de diciembre de 2011 fue designado Secretario de Energía de la Provincia de Santa Fe. En la Universidad Nacional de Rosario es Profesor Titular Ordinario y Director del Laboratorio de Ensayos y Diseños Eléctricos de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura. También dirige Proyectos de investigación de Sistemas Eléctricos de Potencia, siendo su área de especialización la de Sistemas de Potencia de Alta Tensión, con papers y presentaciones en congresos en el área. Ha ejercido cargos de Secretario de Extensión Universitaria y de Vicedecano en la Fac. de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura de la Un. Nac. De Rosario. También fue Director de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de dicha Facultad. Ha realizado trabajos como Asesor/Proyectista de Sistemas Eléctricos de Potencia e Instalaciones Industriales. Y también fue Jefe de Estudios y Proyectos - Protecciones y Mediciones. Y Jefe de Mantenimiento de Protecciones y Mediciones en la empresa Agua y Energía Eléctrica. El Ing. Jorge Saenz tiene sus primeros antecedentes profesionales en la industria siderúrgica y

luego en Agua y Energía Eléctrica (AYE) y en CAMMESA para realizar el seguimiento, control de

la ingeniería, instalación y puesta en marcha del Sistema de Medición Comercial del Mercado

Eléctrico Mayorista (SMEC). Al retirarse de CAMMESA en 2012, pasa actuar como asesor en la

Subsecretaría de Energías Renovables, de la Secretaría de Energía de la Prov. de Santa Fe.

Sus antecedentes docentes datan desde 1971 en el ámbito secundario (Inst. Politécnico de

Rosario) y en la Universidad, UTN Fac. Reg. Concepción del Uruguay y Fac. Reg. Rosario, siendo

actualmente Profesor titular por concurso, de la Cátedra Instrumentos y Mediciones Eléctricas.

Se destaca también su especialización en España en relación a las Redes Eléctricas Inteligentes,

con presentación de papers en diversos Congresos.”

Documents

Sistema de protecciones inteligente Alternativa para un ...extranet.frsf.utn.edu.ar/application/uploads/3SNUEYE/archivos/... · Sistema de protecciones para un esquema de Generación