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. Soluciones para aumentar la capacidad y 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. Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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. Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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? Soluciones para aumentar la capacidad y seguridad de los sistemas eléctricos 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. Soluciones para aumentar la capacidad y 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 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 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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. Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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 Soluciones para aumentar la capacidad y 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. Soluciones para aumentar la capacidad y seguridad de los sistemas eléctricos Mas información? Alfredo De La Quintana G. adlq@conecta.cl conecta@conecta.cl www.conecta.cl Soluciones para aumentar la capacidad y seguridad de los sistemas eléctricos