MODOS DE CONTROL

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MODOS DE CONTROL
INTRODUCCIÓN
La operación de las plantas actuales exige un conocimiento riguroso del sistema y
los subsistemas de control de las máquinas. Las secuencias de operación deben
conocerse ampliamente por los ingenieros encargados de la operación de las
centrales.
Por lo tanto se revisan las condiciones preliminares que deben cumplirse antes de
poner en operación la máquina con el fin de no arriesgar su operación confiable.
Seguidamente, se revisan las secuencias de arranque y parada de las máquinas,
así como la operación como condensador sincrónico.
Una vez se ha detenido la máquina se tomarán las precauciones a que haya lugar
dependiendo del objetivo de la detención: bloqueos, puestas a tierra y habilitar la
calefacción para prevenir el deterioro de los aislamientos por humedad.
El incremento en el tamaño y la complejidad de los sistemas de potencia ha
ocasionado cambios graduales para los sistemas de monitoreo y control. La
aparición de sistemas de control modernos basados en computadores (Energy
management system EMS) permiten la supervisión completa de toda la red.
Se pretende con este aparte dar una mirada al estado del arte de la tecnología del
control de los sistemas de potencia modernos. Se revisan varios tópicos
relacionados con el asunto, tales como las funciones de supervisión y control, la
adquisición de datos, el monitoreo y el procesamiento de eventos, entre otros.
Debido a la complejidad creciente de los sistemas de potencia, se hace necesario
lograr el mejor compromiso entre los requerimientos de seguridad y economía. Por
lo tanto, la operación de los sistemas se deberá caracterizar, básicamente, por
tres objetivos independientes: calidad, seguridad y economía.
Definitivamente el rol del operador tradicional ha cambiado con el auge de los
sistemas modernos de control, pasando de ser un recolector de datos a un
analista de información con capacidad para simular situaciones nuevas y de
contingencia en la operación de los sistemas.
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SECUENCIA DE ARRANQUE DE LA MÁQUINA
Condiciones preliminares al arranque. Previamente al arranque de una
máquina, se deberán cumplir una serie de condiciones que garantizarán la
operación normal y confiable de los equipos. Una vez se han cumplido las
condiciones para el arranque se energiza un relé maestro que anuncia la
condición cumplida y permite el arranque de la unidad.
Entre las condiciones preliminares se pueden enumerar las siguientes, aunque en
ciertos casos parezcan obvias, no se dejarán de tener en cuenta:
1. Nivel del embalse en condición de operación.
2. Conducción y tubería de presión, llenos.
3. Válvula de guarda de la tubería de presión, abierta.
4. Válvula de admisión, cerrada.
5. Distribuidor de la turbina, cerrado.
6. Niveles de aceite de lubricación, normales.
7. Sistema de refrigeración, en operación normal.
8. Relés maestros de parada eléctrica y mecánica, desbloqueados.
9. Sistema de frenado, desaplicado.
10. Interruptor del generador, abierto.
11. Interruptor de campo, abierto.
12. Interruptor general de servicios auxiliares deberá estar en la posición
conectado, con lo que queda garantizado el suministro de aceite y de agua de
refrigeración.
13. La válvula de la bomba de aceite de regulación, abierta.
14. Sistema de corriente directa, en condiciones normales de operación.
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Secuencia de arranque de la máquina. Antes de iniciar esta secuencia, las
condiciones preliminares al arranque deben haberse cumplido, tal como se ha
descrito anteriormente.
Durante el arranque se energiza un relé vigilante del tiempo de arranque que
permanece excitado y dispara cuando el proceso de puesta en marcha sobrepasa
el tiempo previsto para tal fin.
La secuencia de arranque es la siguiente:
1. Abrir la válvula de by pass de válvula la esférica mediante el conmutador de
mando dispuesto para ello, con el objeto de igualar las presiones del
distribuidor y la tubería de presión.
2. Después de alcanzado el equilibrio de presiones puede abrirse la válvula
esférica.
3. Dar orden de apertura al distribuidor de la unidad, con lo cual se inicia el
giro de la unidad. En la mayoría de los diseños, cuando se alcanza una
determinada velocidad, por ejemplo el 90% de la velocidad nominal, se
conmuta el regulador de velocidad a "control automático”.
4. Cerrar el interruptor de campo, una vez se ha alcanzado una cierta
velocidad, (entre el 80 y el 95%) de la nominal. Se conectará el sistema de
preexcitación y empieza a trabajar el regulador automático de voltaje. Una vez
que el regulador de voltaje ha llevado la máquina a una tensión de 90% de su
valor nominal se encuentra preparada para la sincronización.
Sincronización. La sincronización del generador se realiza por medio de un
conmutador de sincronización y puede realizarse en forma automática o manual.
El conmutador de sincronización se encuentra en posición "automático”; los
criterios de sincronización (interruptor de campo cerrado, disyuntor de máquina
abierto y velocidad 95%) se han cumplido y el dispositivo de sincronización
automática empieza a trabajar dando las órdenes, en forma de impulso para la
corrección de la velocidad y la tensión de la máquina.
Están conectados el voltímetro doble, el frecuencímetro doble y el sincronoscopio
que muestran la situación relativa de la red y de la máquina.
La velocidad de rotación del generador, que es directamente proporcional a la
frecuencia, se adaptará a la frecuencia de la red por medio del pulsador previsto
para ajustar la velocidad, y la tensión de la máquina se ajusta con otro pulsador
dispuesto para tal fin. El generador se acopla a la red cerrando el interruptor de la
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máquina por medio del conmutador de control que permite dar la orden de cierre
en el momento adecuado, esto es cuando el sincronoscopio se estabiliza en la
posición cero, o presenta un giro muy lento. Después de sincronizar la máquina,
se procede a llevarla a la condición de carga requerida.
Modo compensador sincrónico. Una vez se selecciona el modo de control del
generador como compensador sincrónico, se impartirán las siguientes órdenes:
1. Llevar el regulador de carga a la posición 0 MW, lo cual se hace actuando
sobre el regulador de velocidad.
2. El regulador de tensión en la posición 0 MVAr.
3. Llevar el distribuidor a la posición de cierre.
4. Cerrar la válvula esférica.
5. Ajustar el regulador de tensión para obtener la carga reactiva deseada: (i)
para suministrar carga reactiva: sobreexcitar; y (ii) para absorber carga
reactiva: subexcitar.
Regreso al modo generador sincrónico.
sincrónico, se siguen los pasos siguientes:
Para regresar al modo generador
1. Ajustar el regulador de tensión en 0 MVAr.
2. Abrir el by pass de la válvula esférica y después de equilibradas las
presiones de ambos lados, abrir la válvula.
3. Dar orden de apertura al distribuidor.
4. Llevar, con el regulador de carga, al valor en MW requerido.
5. Posicionar el regulador de tensión al valor en MVAr requerido.
SECUENCIA DE PARADA DE LA MÁQUINA
Pueden distinguirse tres tipos de parada: normal, de emergencia por falla eléctrica
y de emergencia por falla mecánica, cada una con características especiales que
la distingue de las otras.
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Parada normal. La secuencia de parada normal del grupo trabajando como
generador puede ser de dos tipos: (i) manual, (ii) automática.
• Secuencia de parada manual. En la secuencia de parada manual los pasos
a seguir son:
1. Ajustar el regulador de carga a 0 MW.
2. Ajustar el regulador de tensión a 0 MVAr.
3. Cerrar el distribuidor.
4. Desconectar el interruptor de máquina.
5. Desconectar la excitación.
6. Cerrar la válvula esférica.
7. Conectar la calefacción del generador.
Este último paso se cumple cuando se tiene prevista una parada relativamente
larga de la máquina, con el objeto de prevenir la penetración de humedad al
devanado del generador.
La máquina continúa girando en el proceso de parada, y a partir del momento en
que llega al 25% de su velocidad nominal, se aplican los frenos del generador.
Una vez parada la máquina deben retirarse los frenos y desconectarse los
servicios auxiliares.
• Secuencia de parada automática. En la secuencia de parada automática,
los pasos a seguir son:
1. Llevar manualmente la carga activa y reactiva de la máquina a CERO.
2. Impartir la orden de paro con el conmutador de mando correspondiente,
localmente o a distancia.
Un relé maestro da la orden a los equipos correspondientes para iniciar el proceso
de parada y al mismo tiempo se excita el relé de vigilancia que supervisa el tiempo
de parada. Después de logrado el paro completo del grupo, se efectuarán las
operaciones siguientes:
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1. Desconexión de los servicios auxiliares.
2. Se desaplican los frenos mecánicos.
3. Cierre de las válvulas de los frenos hidráulicos.
Parada de emergencia por falla eléctrica. Las fallas eléctricas originan la
actuación de un relé maestro de parada. Las protecciones eléctricas que causan
parada son las siguientes: (i) la protección diferencial, (ii) sobrecorriente, (iii)
sobretensión, (iv) asimetría, (v) tierra en el estator, (vi) falla en el circuito de
excitación, entre otras.
Las fallas eléctricas originan primero la apertura del interruptor de la máquina y la
desconexión de la excitación. Al mismo tiempo la turbina recibe una orden de
parada que produce la acción de una válvula de cierre rápido, la válvula esférica y
el mando de parada de la propia turbina.
Cada vez que se presente una falla eléctrica, la máquina se desconecta
automáticamente inclusive en el caso en el que estuviera siendo controlada
manualmente.
El relé maestro de disparo se bloquea (permanece enganchado mecánicamente) e
impide toda reconexión que se intente de la máquina. Después de eliminada la
causa de la falla debe desbloquearse el relé maestro y la válvula de cierre rápido.
Parada de emergencia por fallas mecánicas. Las fallas mecánicas originan la
actuación de otro relé maestro de parada. Los principales defectos mecánicos que
pueden presentarse en la turbina son los siguientes: (i) sobrevelocidad
(embalamiento), (ii) presión insuficiente en el acumulador de aire-aceite, (iii) nivel
de aceite en el acumulador de aceite demasiado alto o demasiado bajo (iv) nivel
en el tanque del aceite de regulación demasiado bajo, (v) temperatura excesiva en
el cojinete guía de la turbina o nivel de aceite demasiado bajo, (vi) circulación de
corriente parásitas a través de los cojinetes, (vii) pérdida de presión en la tubería
principal, (viii) falta de agua de refrigeración, (ix) válvula piloto cerrada con el
distribuidor abierto y a velocidad nominal, y (x) temperatura excesiva en los
cojinetes del generador de empuje, de guía o del aceite de los cojinetes.
Las fallas mecánicas accionan el cierre de la válvula de cierre rápido y con ello el
vaciado de la turbina.
El disparo del interruptor del generador no se produce hasta que el distribuidor de
la turbina esté cerrado.
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La turbina y sus servicios auxiliares se desconectan automáticamente por
excitación del relé de control de desconexión de la turbina.
El relé maestro de disparo mecánico y la válvula de cierre rápido, bloquean el
grupo impidiendo con ello toda reconexión incontrolada de la máquina. Después
de eliminada la causa de la falla deben desbloquearse el relé maestro y la válvula
de cierre rápido, de tal manera que pueda normalizarse la operación de la
máquina.
TENDENCIAS MODERNAS DE CONTROL
El ser humano de esta época siempre ha estado enfrentado a la necesidad de
monitorear o controlar procesos grandes o pequeños. Para el caso más simple,
esto significa que el proceso está implementado con alguna clase de equipos de
medida para monitorear y con alguna clase de equipo actuador [ejecutor] para
controlar.
Con la utilización de estas herramientas los operadores pueden controlar los
procesos de los cuales son responsables. El operador monitorea y controla, es
decir, mide variables y ejecuta maniobras, vigila el comportamiento de las
variables representativas del sistema y con base en los criterios operativos toma
decisiones sobre las acciones a ejecutar.
Figura 1. Sala de control tradicional con tablero mímico
Cuando un proceso tiene varios instrumentos de medida y actuadores,
normalmente se agrupan en un panel de control o tablero mímico. Así, el operador
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puede obtener una imagen del estado de los procesos de una o varias
localizaciones que pueden estar ubicadas en lugares remotos.
El mímico posee instrumentos de medida que muestran el estado de los procesos,
por ejemplo: voltajes, flujos de potencia, y el estado de los interruptores.
El proceso de la potencia eléctrica está sujeto a cambios continuos: plantas y
líneas nuevas, subestaciones, etc. que se agregan permanentemente al sistema.
Cada vez los mímicos se hacen más complejos, e inclusive congestionados y
difíciles de visualizar, con lo cual se impacta la eficiencia del monitoreo y control.
Cuando los computadores en tiempo real llegaron a ser competitivos en precio y
versatilidad, inmediatamente se los integró al nuevo concepto de centro de control.
En este concepto, todas las señales se procesan en el computador y la unidad
visual de despliegue (Visual Display Unit VDU) reemplaza al mímico.
Ésta es la base de los centros de control altamente flexibles que se tienen
actualmente en las diferentes empresas prestadoras de servicios.
El diseño de sistemas de control supervisorio es tan complejo como lo sea el
proceso monitoreado / controlado.
Muy probablemente, el proceso de la potencia eléctrica sea el proceso industrial
más avanzado en la sociedad moderna. Él representa toda la cadena de
producción, transmisión, distribución y consumos de la energía eléctrica.
Figura 2. Cadena del proceso de energía eléctrica
Los sistemas de control actuales incorporan computadores en tiempo real de
diferente complejidad. Normalmente trabajan en un esquema de estructura
jerárquica para cumplir con los diferentes requerimientos funcionales en el mejor
modo posible.
Se debe resaltar que ligado a este desarrollo aparece la demanda de sistemas de
comunicaciones avanzadas, como una consecuencia de la dispersión geográfica
del proceso.
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TECNOLOGÍA ACTUAL
Las empresas prestadoras de servicios de electricidad necesitan herramientas
eficientes y recursos para asegurar una prestación del servicio de energía eléctrica
con calidad y disponibilidad (confiabilidad) de mínimo costo.
Una supervisión centralizada permite una visualización total del estado
instantáneo del proceso.
Los computadores supervisan la operación normal y presentan alarmas al
operador cuando ocurre una desviación del estado normal, por ejemplo: una
operación inesperada de un interruptor o un flujo de potencia que excede el límite
de operación de una línea.
Los grandes centros de control usan herramientas avanzadas de supervisión y
simulación para ayudar a los operadores en la prevención de disturbios. Se
incluyen programas de control de la producción que optimizan económicamente la
operación del sistema.
Control centralizado del sistema de potencia significa que todas las acciones de
control pueden ejecutarse en un lugar determinado.
El papel del operador ha experimentado un gran cambio como resultado de la
introducción de los sistemas de control computarizados. Antes su función era más
como recolector de datos, ahora llega a ser más analítica. El computador lleva a
cabo la recolección y grabación de datos y presenta resultados procesados. El
operador juzga, toma decisiones y ejecuta con la ayuda del sistema
computarizado.
Los requerimientos básicos de los sistemas de control siempre incluyen las
denominadas funciones SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
Se adicionan funciones EMS (Energy Management System), aplicación orientada
a herramientas de cálculo dadas al operador para ayudarle en el futuro.
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Figura 3. Funciones de los sistemas de control supervisorio en interacción
con los procesos del operador
Requerimientos funcionales. Para cumplir con los requerimientos funcionales
deben cumplirse las siguientes características: Jerarquía, Control distribuido y
Confiabilidad.
• Jerarquía. Tiene que ver con el uso de funciones descentralizadas como una
consecuencia natural de la organización de la operación de las empresas
prestadoras del servicio de energía eléctrica.
• Control distribuido. Está motivado en el hecho que el proceso de energía
por si mismo es distribuido por ejemplo disperso geográficamente.
• Confiabilidad. Significa seguridad en la operación. Se garantizará que las
acciones de control son correctas y no presentarán error.
Control del Sistema de Potencia. La operación de los sistemas deberá
caracterizarse por los tres objetivos independientes: Calidad, Seguridad y
Economía.
• Calidad. Normalmente descrita por medio de un perfil de voltaje aceptado y la
frecuencia (ajustada a una banda estrecha y un umbral para el retraso del tiempo)
de potencia eléctrica entregada.
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• Seguridad. Mucho más difícil de describir en términos cuantitativos. Existen
normalmente ciertas reglas que tienen que ver con el balance del sistema de
potencia, operación de la red, etc. para tener cuidado de algunos disturbios
determinados.
• Economía. Consta de dos componentes, la inversión en equipos, sistemas
de control, software, etc. y los costos de operación y mantenimiento de todo el
sistema de potencia.
No existe combinación ideal para esos tres objetivos, la combinación óptima es
única para cada empresa. Por ejemplo la seguridad y la economía son
antagónicas (contradictorias).
Operación de Sistemas de Potencia. Puede dividirse en tres grupos que reflejan
el horizonte de tiempo.
• Planeamiento operativo. En el corto plazo, desde varias horas hasta varios
meses. Comprende el planeamiento de la utilización de los recursos de producción
y el pronóstico de carga así como mantener el personal atento a contingencias
posibles en el sistema (entrenamiento en maniobras).
• Operación instantánea. Comprende el monitoreo de la generación de
potencia, de cargas y voltajes, así como comprobación y reacción a
transgresiones de umbrales, acción del sistema de protección y fallas de equipos.
• Reportes de operación y seguimiento directo a disturbios. Los reportes
se hacen para crear estadísticas usadas como insumos para el planeamiento, así
como para propósitos de contabilidad (energética). El registro de los disturbios
constituye la base para la localización primaria de fallas y para un restablecimiento
rápido.
La operación de un sistema de potencia existirá en uno de los cuatro modos de
control o también denominados estados de control: Normal, Alerta, Emergencia y
Restaurativo (Restablecimiento).
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Figura 4. Estados de control de un sistema
La condición normal deberá mantenerse durante la mayor parte del tiempo y tratar
en cuanto sea posible no permitir que se llegue al estado de emergencia.
La optimización de los costos de operación de un sistema mixto (térmico e
hidráulico) se alcanzará usando los recursos hidráulicos la mayor cantidad de
tiempo cuando se disponga de ellos, manteniendo los térmicos al mínimo.
Existe una gran variedad de restricciones para este problema de optimización,
entre ellas:
1. Distribución de carga y limitaciones de las redes.
2. Programas de mantenimiento.
3. Restricciones de capacidad de potencia.
4. Planes de intercambio de potencia.
5. Disponibilidad de plantas y unidades.
6. Variaciones del precio del combustible y disponibilidad del mismo.
7. Pronósticos de hidrologías.
8. Restricciones legales y ambientales.
9. Capacidad de regulación necesaria, rápida y lenta.
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Figura 5. Plan conceptual de las actividades del operador
PRESENTACIÓN
INFORME
DEL
ESTADO
SISTEMA
DE
CONTROL
ANÁLISIS
ACCIÓN
DIRECTA
ACCIÓN
STAFF DE
OPERACIÓN Y
MANTENIMIENTO
COOPERACIÓN
ENTRE EMPRESAS
Las actividades principales de un centro de control son:
1. Control de producción.
2. Despacho del sistema de transmisión.
3. Administración del mantenimiento.
4. Entrenamiento y simulación de contingencias.
5. Supervisión y control del sistema mismo.
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