Special Protection Schemes - CIGRE³n forzada TR5 500/220 kV de S/E Charrúa por operación protección diferencial 87T (1) .- ... Integración de Generación Distribuida y Energía

Special Protection SchemesProtección de Redes Eléctricas

Soluciones para aumentar la capacidad y seguridad de los sistemas eléctricos

Tecnologías para la optimización y reducción de impactos de las redes eléctricas de AT.CIGRE - Comité ChilenoSantiago - Junio de 2011

Alfredo De La Quintana GramuntGerente de DesarrolloCONECTA Ingeniería S.A.

Contenidos I


.- Sistemas Eléctricos de Potencia

.- Definición de un SPS

.- Desarrollo de los SPS

.- Criterios de Diseño de los SPS

.- Procesos de diseño e implementación de un SPS

.- Casos prácticos

.- Beneficios otorgados por la implementación de SPS

Sistemas Eléctricos de Potencia

Steam turbo-generators,Long Island railways, c.1907

Fiske Street Station steam turbineChicago, c.1907

Transmission switcheson wooden towers, 1906

http://americanhistory.si.edu/csr/powering/images/gallry18.htm



Blackout Marzo 2010 - CHILE


.- Desconexión forzada TR5 500/220 kV de S/E Charrúa por operación protección diferencial 87T (1)

.- Toda la transferencia (app. 1150 MVA) intenta pasar por TR6 500/220 kV

.- Desconexión forzada TR6 por operación de protección de sobrecorriente (2).

.- SIC queda operando en dos subsistemas.

.- Reducción de frecuencia y tensión en subsistema Norte (Taltal hasta Charrúa) con operación de los EDAC´s y operación de protección de bajo y sobre voltaje en diversas SS/EE.

.- Aumento de frecuencia en el subsistema Sur (Charrúa hasta Chiloé) con desconexión de centrales y posterior reducción de frecuencia y tensiones por falta de generación provocando la operación de EDAC´s y operación de protección de bajo y sobre voltaje en diversas SS/EE.

Fuente: Estudio para análisis de falla EAF 097/2010 "Apagón Total en el SIC”. CDEC-SIC

(1)Atribuida al desprendimiento de un puente de desconexión de los circuitos secundarios de control en una de sus

fases.

(2)Ajustada en 1120 [A], equivalentes a 970 MVA.

Propuesta de Solución:

Sistema para desconexión coordinada de carga y generación. Fuente: Estudio para plan de defensa contra contingencias extremas en el SIC, Informe Final , Mayo 2009, Consorcio Estudios Eléctricos y Electronet

Blackouts


Ubicación Fecha MW/Mill. afectados Desarrollo

US-Noreste 10-11/Sept/1965 20.000/30M 13 mins

New York 13/Julio/1977 6.000/9M 1 hora

Francia 1978 29.000/ 26 min.

Japón 1987 8.200/ 20 min.

US-Oeste Enero/17/1994 7.500/ 1 min.

US-Oeste Diciembre/14/1994 9.300/

US-Oeste Julio/2/1996 11.700/ 36 seg.

US-Oeste Julio/3/1996 1.200/ > 1 min.

US-Oeste Agosto/10/1996 30.500/ > 6 min.

Brasil Sur Marzo/11/1999 25.000/97 30 seg.

US-Noreste Agosto/14/2003 62.000/50 > 1 hora

Londres Agosto/28/2003 724/0,476 8 seg.

Dinamarca&Suecia Septiembre/23/2003 /4.85 7min.

Italia Septiembre/28/2003 27.700/57 27min.

Java-Bali Agosto/18/2005 /100

Brasil-Paraguay Noviembre/10-11/2009 /87

Chile Marzo/2010 4.100/12 < 1 min.

Blackouts


Fte: Mitigating Cascading Outages on Power Systems: Research Approaches and Emerging Methods EPRI Technical Update, December 2005

Blackouts


Fte: Mitigating Cascading Outages on Power Systems: Research Approaches and Emerging Methods EPRI Technical Update, December 2005

Sistemas Eléctricos de Potencia


Superconductividad

Visualización y Control de Redes Eléctricas

Smart grid, Confiabilidad de la Transmisión

Integración de Generación Distribuida y Energía Renovable

Almacenamiento de Energía y Electrónica de Potencia

Definición de un SPS I


.- Los sistemas eléctricos fueron naturalmente desarrollados como entidadesautosuficientes, en donde la generación es igual al consumo.

.- Los eventuales perturbaciones son de simple trámite

.- Los sistemas de potencia han crecido y se han complejizado para podersatisfacer la gran demanda de energía.

.- Los parámetros que permiten establecer una operación normal de un sistemaeléctrico son: Inestabilidad de frecuencia, de voltaje e inestabilidad angular.

Definición de un SPS II


.- Soluciones básicas; relés de baja frecuencia, relés de bajo voltaje.

.- En general, el ámbito de acción de las perturbaciones es global y no local. Lossistemas de protección deben conocer el comportamiento global del sistema y susacciones estabilizadoras deben también ser globales.

.- [IEEE - CIGRE]. Un SPS es un sistema de protección diseñado para detectar unacondición particular de un sistema eléctrico que se sabe puede causar un stressinusual e indeseado en dicho sistema y para tomar algún tipo de acciónpredeterminada para contrarrestar la condición observada, de alguna maneracontrolada. En algunos casos un SPS es diseñado para detectar una condición delsistema que se sabe causante de inestabilidades, sobrecarga, colapso de voltaje,etc. La acción de control puede ser la apertura de una o mas líneas, desconexión oreducción de generación, desprendimiento de carga o cualquier medida quealivie el problema.

.- [North American Electric Reliability Corporation, NERC.] Un SPS es un sistemadiseñado para detectar condiciones anormales del SEP y tomar accionescorrectivas preplanificadas (además de aislar el o los elementos en falla) parapermitir que el SEP se desempeñe aceptablemente.

Definición de un SPS III


Source: Vahid Madani, PG&E, presentation at NSF/EPRI Cascading Failure Workshop.

SPS

Definición de un SPS IV


SPS: Caso particular (WAP&C, Wide Area Protection & Control) de los sistemasde monitoreo de área extendida (WAS, Wide Area Systems).

Los sistemas de monitoreo de área extendida permiten administrarglobalmente la estabilidad y seguridad de un SEP complementándose con elsistema tradicional de protección basado en medidas y acciones locales.

.- Wide Area Monitoring

Incremento de la continuidad, precisión, velocidad => Mayorobservabilidad de fenómenos.

.- Wide Area Protection

Un SPS básico capaz de ejecutar una única acción estabilizante.

.- Wide Area Control

Detección de inestabilidad => acción estabilizante => verificación dela acción => nueva acción estabilizante => SEP estable.

.- Wide Area Optimisation

Operación rentable.

Minimización de pérdidas (EMS)

Operación cerca de los límites

Desarrollo de los SPS


.- Inicio aplicaciones SPS: A partir de la década de los 90´s (111 al 1995)

.- Situación actual: ≈200-400 aplicaciones SPS operativas en el mundo (análisis solo

info publicada). Actualmente en proceso una encuesta a utilities (USA)

TIPS

.- Incremento sostenido del tamaño, complejidad y sofisticación de los SPS

.- Soluciones SPS son dedicadas para un particular sistema eléctrico.

.-Sistemas SPS conocidos han sido diseñados, implementados y puestos en marcha

en su totalidad o en gran parte por las propias utilities.

.- Un SPS debe estar “armado” todo el tiempo y no solo en los períodos en que el

sistema esta en una condición de stress.

.- “…El costo de un falso disparo es generalmente mucho mas bajo que el costo de

falla de una operación de un SPS cuando esta es requerida…” Esto implica que,

aun frente al riesgo de una mala operación, la instalación de un SPS es

económicamente beneficiosa y rentable [Marek Zima, 2002]

Criterios de Diseño de los SPS


Confiabilidad

Operación ocurrirá cuando se requiera.

Disponibilidad

Operación ocurrirá siempre => redundancia

Seguridad

No habrá operación si ella no es requerida

Selectividad

La estabilidad del SEP se obtendrá con la mínima cantidad de

acciones.

Robustez

La operación será confiable, segura y selectiva en todo el rango

de operación del SEP.

Impacto en la operación

Intervención nula o mínima, ≠ SCADA/EMS.

Proceso de diseño e implementación de un SPS


.- Desarrollo de Especificaciones del SPS

.- Diseño Lógico del SPS

.- Integración del Hardware y Software

.- Instalación, comisionamiento, pruebas, puesta en marcha

.- Operación y mantenimiento

.- Revisión del SPS y modificaciones

Procesos de diseño e implementación de un SPS I


DESARROLLO DE ESPECIFICACIONES DEL SPS

=> Especialistas familiarizados con la red + especialistas de control y automatización.

1.- Determinacion de la contingencia a administrar

Perturbación – Condición – Condición ($) – Candidatos

2.- Estudio del problema generado por la contingencia

Estrategias de solución => Selección de más factibles => análisis económico => solución óptima.

3.- Identificación de Tecnologías

Especificación de desempeño del SPS => Especificación del SPS

Resultados esperados.- SPS: Tecnología empleada y funciones.- Ubicación del SPS en el sistema eléctrico.- Criterios que justifican la utilización de un SPS.- Requerimientos de desempeño solicitado al SPS


DISEÑO LOGICO DEL SPS

=> Búsqueda y definición de las reglas de operación.

Regla superior:

IF {armado ∩ activado} THEN {acciones} ó IF {A ∩ B} THEN {C }

=> Condiciones

.- Condición de armado, A

.- Condición de activación, B

.- Acciones a ejecutar, C

Armado: carga, generación, flujo, voltaje, mix.

Activación: Eventos (apertura, frecuencia, velocidad gen.)

Acciones: topológicos, desprendimiento de carga/generación,

Resultados esperados.- Eventos y condiciones para las cuales el SPS debe operar

.- Eventos y condiciones para las cuales el SPS no debe operar

.- Consecuencias resultantes de una falla del SPS

Procesos de diseño e implementación de un SPS II


INTEGRACION DEL HARDWARE Y SOFTWARE=> HW y SW capaz de soportar las especificaciones + lógica de diseño.

Componentes principales del SPS

Unidad de Computación + I/O:PES, RTU, PLC, PMU, ASIC + I/O, Cx, drivers, sw de config.

Programa principal:Flujo, Bloques, OS, Bases de Datos, I/O, Cx, auto-diagnóstico, debug.

Sensores:=> establecer la condición del SEP.

Equipos de Comunicación:Condición => Unidad de Computación => Equipos de Actuación

Fuentes de Energía:Segura, de corriente continua, auto-monitoreo de estado.

Dispositivos de Monitoreo:Registros de eventos, logs, alarmas, históricos. Local y Remoto.

Procesos de diseño e implementación de un SPS III


INSTALACION, COMISIONAMIENTO, PRUEBAS, PUESTA EN MARCHA

INSTALACION

Fabricación de Celdas

Pruebas FAT Celdas

Pruebas FAT Sistema SPS

Instalación y Montaje de Celdas

COMISIONAMIENTO

Documentación equipos y celdas

Definición y documentación de Instrumentación de pruebas

Documentación del programa principal

PRUEBAS PREVIAS

Sistemas de condición, evaluación y acción operacionales.

Interfaces de Operación operacionales.

Sistema manual de habilitación/inhabilitación operacional.

PRUEBAS FINALES Y PUESTA EN MARCHA

Pruebas SAT sistema SPS

Marcha blanca

Procesos de diseño e implementación de un SPS IV


OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Manuales y procedimientos de Operación de equipos y celdas disponibles

Manuales y procedimientos de Mantenimiento de equipos y celdas disponibles

Procedimientos principales de operación:

.- Cuando y como se arma/desarma el SPS.

.- Cuando el SPS toma una acción de control.

.- Como debe responder el operador ante una operación del SPS.

Programa de mantenimiento básico:

.- Pruebas funcionales periódicas

.- Mantenimiento preventivo periódico

.- Procedimientos de reparación ante fallas, set de pruebas luego de la reparación.

Consideraciones al desarrollo de un programa de mantenimiento:

.- ¿Frecuencia de salida de servicio del SPS sin comprometer la operación del SEP?

.- ¿Acciones/cambios a ejecutar en el SEP de manera de poder probar el SPS?

.- ¿Tiempo que toma probar el esquema SPS?

.- ¿Riesgo de una operación errada/inadvertida causada durante las pruebas?

Procesos de diseño e implementación de un SPS V


REVISION DEL SPS E INCORPORACION DE MODIFICACIONESExistencia de procedimientos de verificación y modificación del SPS.

Se requiere un proceso de revisión:

periódico,

cuando existan cambios mayores en las prácticas operativas

cuando existan cambios significativos en el SEP.

La revision debería incluir:

La idoneidad del esquema SPS comparando condiciones que motivaron la

necesidad original del SPS con las condiciones actuales y esperadas.

Las consecuencias que resultarían de una falla en el esquema SPS.

Si la revisión determina que el SPS ya no es necesario:

el esquema debería ser deshabilitado o retirado.

Si la revisión determina que se requieren modificaciones:

se requiere una evaluación completa del diseño del esquema.

Procesos de diseño e implementación de un SPS VI

Casos prácticos


Existen 9 aplicaciones de SPS en Chile. Un 20% fue desarrollado por las propias

compañías utilizando recursos propios. El 80% restante fue desarrollado por

CONECTA.

USUARIOS DE SPS: usuarios de SPS´s/CONECTA + [propios]

ENDESA: 2

TRANSELEC: 2 + [1]

ELECTRICA GUACOLDA: 2 + [1]

HIDROELECTRICA LA HIGUERA: 1

Principales motivaciones:

Evitar racionamiento en zonas deficitarias del SEP debido a congestiones

Maximizar el despacho de energía mas económica

Proteger corredores de transmisión al liberar la congestión en los mismos

Estabilizar el SEP ante contingencias


Casos prácticos en Chile


Casos prácticos en Chile



TRANSELEC – INYECCION REACTIVOS 1997

Problema:Regulación de Voltaje por pérdida de líneas de transmisión.Inestabilidad Dinámica.

Solución:SPS - Banco de Condensadores Discretos

Beneficios:Evitar cortes globales de energía (blackouts)Incrementar disponibilidad del sistema eléctrico


ENDESA – EDAG TALTAL2005

Problema:Pérdidas de Generación por desprendimientos bruscos de carga.

Solución:SPS – EDAG Continuo y Discreto

Beneficios:Maximizar disponibilidad de unidades de Generación.Evitar racionamientos.


Celdas de LíneaCeldas de

Carga

Problema:Déficit de Energía

Solución:SPS-EDAC múltiples cargas

Beneficios:Despachar Generación EconómicaPermitir crecimiento Industria

ENDESA - EDAC QUILLOTA-LOS VILOS-PAN DE AZUCAR2008


ELECTRICA GUACOLDA - EDAC MAITENCILLO / CARDONES2009

Problema:Retardo puesta en marcha nueva línea de Transmisión

Solución:SPS-EDAC

Beneficios:Permitir crecimiento industria


ELECTRICA GUACOLDA – EDAG/ERAG MAITENCILLO / PAN DE AZUCAR2009 / 2010

Problema:Evacuar generación de nuevas máquinas

Solución:SPS-EDAG Continuo y Discreto

Beneficios:Despachar Generación EconómicaPermitir crecimiento Industria


TINGUIRIRICA ENERGIA – EDAG/ERAG HIGUERA / CONFLUENCIA2010

Problema:Descalce Transmisión y Generación

Solución:SPS-EDAG discreto y continuo

Beneficios:Evitar racionamientosDespachar Generación económica


TRANSELEC - EDAC/EDAG POLPAICO NAVIA2010

Problema:Superación límite de transferencia por línea de transmisión

Solución:SPS-EDAC/EDAG Continuo y Discreto + Topología

Beneficios:Evitar racionamientosPermitir crecimiento Industrias

Beneficios otorgados por la implementación de un SPS


BENEFICIOS

Seguridad

• Operación segura del sistema eléctrico ante descalces de obras de generación y transmisión.

• Monitoreo de la red en tiempo real.

• Flexibilidad de operación, evitando un parque generador con mayor probabilidad de falla.

• Incremento de la estabilidad del sistema eléctrico en su totalidad, aislando zonas críticas.

Disponibilidad

• Desprendimientos de carga controlados, evitando colapsos totales del SEP.

• Minimización de la energía no suministrada, evitando una interrupción generalizada del servicio.

Beneficios económicos

• Posibilidad de acceso a generación mas económica disponible en puntos remotos de la red.

• Uso de la capacidad máxima teórica de las líneas sin pérdida de seguridad.

• Evita utilizar centrales cuya operación es más ineficiente.

• Aumento de la productividad de las industrias al evitar interrupciones generalizadas en caso de falla.

• Aislamiento de zonas con problemas, reduciendo pérdidas por cortes totales de energía.


Mas información?Alfredo De La Quintana [email protected]@conecta.clwww.conecta.cl

mailto:[email protected]

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