Special Protection Schemes Protección de Redes Eléctricas

Special Protection Schemes
Protección de Redes Eléctricas
Tecnologías para la optimización y reducción de impactos de las
redes eléctricas de AT.
CIGRE - Comité Chileno
Santiago - Junio de 2011
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
Alfredo De La Quintana Gramunt
Gerente de Desarrollo
CONECTA 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
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
Sistemas Eléctricos de Potencia
Steam turbo-generators,
Long Island railways, c.1907
Fiske Street Station steam turbine
Chicago, c.1907
Transmission switches
on wooden towers, 1906
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
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
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
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
< 1 min.
Blackouts
Fte: Mitigating Cascading Outages on Power Systems: Research Approaches and Emerging Methods EPRI Technical Update, December 2005
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
Blackouts
Fte: Mitigating Cascading Outages on Power Systems: Research Approaches and Emerging Methods EPRI Technical Update, December 2005
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
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
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
Definición de un SPS I
.- Los sistemas eléctricos fueron naturalmente desarrollados como entidades
autosuficientes, 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 poder
satisfacer la gran demanda de energía.
.- Los parámetros que permiten establecer una operación normal de un sistema
eléctrico son: Inestabilidad de frecuencia, de voltaje e inestabilidad angular.
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
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. Los
sistemas de protección deben conocer el comportamiento global del sistema y sus
acciones estabilizadoras deben también ser globales.
.- [IEEE - CIGRE]. Un SPS es un sistema de protección diseñado para detectar una
condición particular de un sistema eléctrico que se sabe puede causar un stress
inusual e indeseado en dicho sistema y para tomar algún tipo de acción
predeterminada para contrarrestar la condición observada, de alguna manera
controlada. En algunos casos un SPS es diseñado para detectar una condición del
sistema 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 o
reducción de generación, desprendimiento de carga o cualquier medida que
alivie el problema.
.- [North American Electric Reliability Corporation, NERC.] Un SPS es un sistema
diseñado para detectar condiciones anormales del SEP y tomar acciones
correctivas preplanificadas (además de aislar el o los elementos en falla) para
permitir que el SEP se desempeñe aceptablemente.
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seguridad de los sistemas eléctricos
Definición de un SPS III
SPS
Source: Vahid Madani, PG&E, presentation at NSF/EPRI Cascading Failure Workshop.
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
Definición de un SPS IV
SPS: Caso particular (WAP&C, Wide Area Protection & Control) de los sistemas
de monitoreo de área extendida (WAS, Wide Area Systems).
Los sistemas de monitoreo de área extendida permiten administrar
globalmente la estabilidad y seguridad de un SEP complementándose con el
sistema tradicional de protección basado en medidas y acciones locales.
.- Wide Area Monitoring
Incremento de la continuidad, precisión, velocidad => Mayor
observabilidad de fenómenos.
.- Wide Area Protection
Un SPS básico capaz de ejecutar una única acción estabilizante.
.- Wide Area Control
Detección de inestabilidad => acción estabilizante => verificación de
la acción => nueva acción estabilizante => SEP estable.
.- Wide Area Optimisation
Operación rentable.
Minimización de pérdidas (EMS)
Operación cerca de los límites
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
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]
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
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.
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seguridad de los sistemas eléctricos
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
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seguridad de los sistemas eléctricos
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
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seguridad de los sistemas eléctricos
Procesos de diseño e implementación de un SPS II
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:
Activación:
Acciones:
carga, generación, flujo, voltaje, mix.
Eventos (apertura, frecuencia, velocidad gen.)
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
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seguridad de los sistemas eléctricos
Procesos de diseño e implementación de un SPS III
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.
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seguridad de los sistemas eléctricos
Procesos de diseño e implementación de un SPS IV
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
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seguridad de los sistemas eléctricos
Procesos de diseño e implementación de un SPS V
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?
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Procesos de diseño e implementación de un SPS VI
REVISION DEL SPS E INCORPORACION DE MODIFICACIONES
Existencia 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.
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seguridad de los sistemas eléctricos
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
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
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seguridad de los sistemas eléctricos
Casos prácticos en Chile
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
Casos prácticos en Chile
Soluciones para aumentar la capacidad y
seguridad de los sistemas eléctricos
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
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seguridad de los sistemas eléctricos
ENDESA – EDAG TALTAL
2005
Problema:
Pérdidas de Generación
por desprendimientos
bruscos de carga.
Solución:
SPS – EDAG Continuo y
Discreto
Beneficios:
Maximizar
disponibilidad de
unidades de
Generación.
Evitar racionamientos.
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seguridad de los sistemas eléctricos
ENDESA - EDAC QUILLOTA-LOS VILOS-PAN DE AZUCAR
2008
Celdas de
Carga
Problema:
Déficit de Energía
Solución:
SPS-EDAC múltiples cargas
Beneficios:
Despachar Generación Económica
Permitir crecimiento Industria
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seguridad de los sistemas eléctricos
Celdas de
Línea
ELECTRICA GUACOLDA - EDAC
MAITENCILLO / CARDONES
2009
Problema:
Retardo puesta en
marcha nueva línea de
Transmisión
Solución:
SPS-EDAC
Beneficios:
Permitir crecimiento
industria
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seguridad de los sistemas eléctricos
ELECTRICA GUACOLDA – EDAG/ERAG
MAITENCILLO / PAN DE AZUCAR
2009 / 2010
Problema:
Evacuar generación de nuevas
máquinas
Solución:
SPS-EDAG Continuo y Discreto
Beneficios:
Despachar Generación Económica
Permitir crecimiento Industria
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seguridad de los sistemas eléctricos
TINGUIRIRICA ENERGIA – EDAG/ERAG
HIGUERA / CONFLUENCIA
2010
Problema:
Descalce Transmisión y
Generación
Solución:
SPS-EDAG discreto y continuo
Beneficios:
Evitar racionamientos
Despachar Generación económica
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seguridad de los sistemas eléctricos
TRANSELEC - EDAC/EDAG
POLPAICO NAVIA
2010
Problema:
Superación límite de
transferencia por línea de
transmisión
Solución:
SPS-EDAC/EDAG Continuo y
Discreto + Topología
Beneficios:
Evitar racionamientos
Permitir crecimiento
Industrias
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seguridad de los sistemas eléctricos
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.
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