Desafíos de las redes eléctricas modernas

Simulación en Tiempo Real para afrontar los desafíos de las redes eléctricas modernas

Ing. Eduardo Gómez Luna, PhD Ingeniero Electricista de la Universidad de Valle con un Doctorado en Ingeniería de la misma Universidad, sus campos de trabajo y desarrollo están alineados con: Transformadores de Potencia, Electrónica de potencia, Sistemas de Potencia, Matemáticas aplicadas, Generación distribuida, Microredes y simulación en tiempo real. Actualmente es miembro activo de la IEEE. Director del Grupo de GITICAP y líder del Departamento de Investigación y Desarrollo de la empresa PTI S.A.

Simulación en Tiempo Real para afrontar los desafíos de las redes eléctricas modernas EDUARDO GÓMEZ LUNA, Ph.D Líder del Departamento de Investigación, Desarrollo e innovación (I+D+i) Director Grupo de Investigación GITICAP Potencia y Tecnologías Incorporadas S.A

CONTENIDO

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Introducciรณn Conceptos de Simulaciรณn en Tiempo Real - STR Simulaciรณn off-line vs tiempo real Como aplicar STR para el anรกlisis de los SEP Casos Prรกcticos Beneficios de usar STR Preguntas y Respuestas

4

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) 1. INTRODUCCIÓN

¿Cómo nos estamos preparando para afrontar los desafíos de las redes eléctricas modernas?

La Infraestructura Eléctrica esta cambiando

TRANSFORMACIÓN DE LA REDES ELÉCTRICAS

7

La Infraestructura ElĂŠctrica esta cambiando

La Infraestructura Eléctrica esta cambiando

Cómo se mueve la balanza?

LAB- STR para los DER

SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

SEÑALES ELÉCTRICAS

¿CÓMO SE ABREN LAS PUERTAS A LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA EN COLOMBIA CON SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL?

La operación de redes eléctricas basadas en energías no firmes, flujos bidireccionales, vehículos eléctricos y telecomunicaciones, requiere de sistemas complejos de control y de protección; por lo tanto, la integración y funcionamiento de estos sistemas con la red eléctrica antes de su implementación sólo puede ser validada con simulación en tiempo real (STR).

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) 2. CONCEPTOS DE SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL

SimulaciĂłn en tiempo real

AdquisiciĂłn de datos en TR. Monitoreo de datos en tiempo real

Procesamiento de computo en TR. TecnologĂ­a de procesamiento avanzado para STR

14

¿En análisis computacional a qué se atribuye el concepto de “simulación tiempo real”?

Procesamiento de computo en TR. Tecnología de procesamiento de datos en tiempo real

= Reloj de simulación 1 seg

Reloj fenómeno real 1 seg 15

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) 3. SIMULACIÓN OFF-LINE vs SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL

¿A qué se atribuye el concepto de simulación en tiempo real?

Simulaciones tradicionales

1 seg de simulación NO corresponde a 1 seg real

del fenómeno real del fenómeno real 17

¿A qué se atribuye el concepto de tiempo real?

El verdadero “tiempo real”

1 seg de simulación SI corresponde a 1 seg real

del fenómeno real

18

Evolución Tecnológica Simulación basado en FPGA Software – Hardware Actualidad T e c n o l o g í a

Digital Custom Simulators Simuladores Digitales – Supercomputadores Simuladores Híbridos (Analogo-Digital)

Simuladores Análogos

1960

1970

1980 1990 Tiempo de evolución

2000

Actualidad

Simulaciรณn off-line vs simulaciรณn en tiempo real

20

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) 4. CÓMO APLICAR STR PARA EL ANÁLISIS DE LOS SEP

Aplicaciรณn de los conceptos de STR en los SEP Model in the Loop

MIL Rapid Control Prototyping

RCP Tipos de STR aplicados a los SEP

Hardware in the loop

HIL Power Hardware In the Loop

PHIL 22

Simulación MIL - Model in the Loop PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Simulado

Simulado

23

Simulación RCP - Rapid Control Prototyping PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Real

Simulado

24

Simulación HIL - Hardware in the loop PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Simulada

Real

25

Simulación PHIL - Power Hardware In the Loop PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Parcialmente simulado, real

Real o simulado

Control board

26

Modelo en V usando STR Simulaci贸n off-line

Implementaci贸n de la red en Software para RT

Implementaci贸n en campo

Integraci贸n equipo real (RCP-HIL-PHIL)

STR (MIL)

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) 5. CASOS PRÁCTICOS

Casos Prรกcticos Hardware Ejecuta el procesamiento en tiempo real

Software Gestiona la capacidad de procesamiento

Aplicaciones

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) APLICACIÓN EN SISTEMAS DE PROTECCIÓN Y CONTROL

Pruebas MIL/HIL usando STR

Modelado de la red eléctrica

Fallas Simuladas y aplicación de escenarios

Equipos Reales

Pruebas MIL/HIL usando STR

P R U E B A S FAT

✓ Se realizan pruebas con señales de corriente EMT ✓ Se ejecutan pruebas en Lazo cerrado ✓ Se prueban esquemas completos de protección, control y automatización STR clave para las pruebas en Lazo Cerrado

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) APLICACIÓN PARA VALIDACIÓN DE SCADA

1

V

+ I

Imeas

Imeas

MM5

MM7

Vmeas

Flt4

f i stateA stateB stateC Vmeas

Vmeas

Vmeas

+

MM2 BUS_E03 Vmeas

Imeas

Imeas

Imeas

y u?A u

MM3 +

+

3-phase PI

3-phase PI

3-phase PI

+

+

Ain1

3-phase PI

y[1..32]

Vmeas

2

I BUS_E02

A/D

Imeas

Imeas

Imeas

Imeas

Vmeas

Vmeas

Vmeas

Vmeas

Med3b

MM8 Imeas

Vmeas

+

Imeas

Med2b

Imeas

V

Vmeas

MM1

+

+

+

+

+

+

+

+

Termocartagenta 2

+

+

+

MM15 Med1b

SM

1

POW2

Mamonal

THERMAL CTRL

Vmeas

2

A P D

Imeas

Vmeas

Termocartagenta 1

EXTERNAL CTRL

SM

Imeas

+

EXTERNAL CTRL THERMAL CTRL

+

+

Modelo de la Planta Alcalis

Med4b

Maniobra

MM4 +

Brk2 Flt3

MM6

Flt1 + Flt2

MM17

Simulaciรณn en el Dominio del Tiempo

Validación de sistemas Scada

Planta

Señales Eléctricas

Monitoreo y gestión

Fasores

Validación de sistemas Scada PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

Planta

TERMOCARTAGENA

MAMONAL

MEMBRICAL

+

+

+

+

TERMOCARTAGENA_2

+

7SL87

+

+

7SJ55

3 -p h a s e PI

SPAA 322C1

SEL321

ABB RAZOA 7SL87

+

I

I

+ I

+

I I

+ +

I

+ +

+ +

+ I

I

v(t)

v(t)

v(t)

+

+

+

I

+

+

+

Iprobe3

+

Iprobe5

+

I

I

M-3310

M-3310 T2

1

1

2

T1

2

+

+

I

+

+

v(t)

v(t)

I

Iprobe28

Iprobe29

+

+

I

v(t)

I

v(t)

M-3425

M-3425

+

SM2

I

EXTERNAL CTRL HYDRO CTRL

SM f

SM f SM1

EXTERNAL CTRL HYDRO CTRL

+ +

I

RMX-913

7VK61

v(t)

I

3 -p h a s e PI

3 -p h a s e PI

7SJ531

7VK61

LINEA_623

+ + 3 -p h a s e PI

LINEA_626

7SJ531

I

LINEA_627

I

LINEA_624

+

+

I

SEÑALES ELÉCTRICAS

Monitoreo y gestión

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR) APLICACIÓN EN MICROREDES

Análisis de Microredes Tomado de: Centro de investigación IREQ, Canadá. (http://www.hydroquebec.com/innovation/en/institut-recherche.html) ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

CREG 030 – 038 2018

Cargas Generación distribuida Almacenamiento de energía Conexión/Aislamiento de la red Control inteligente

IEEE 1547.4 – 2011 38

Simulación en Tiempo Real y su Aplicación en Microredes Flujo de potencia bidireccional

• La potencia y el flujo de corriente proviene de varias fuentes

Cambio en la topología de la red

Consecuencias de la integración de Microredes en los sistemas eléctricos

• Operación en modo aislado o conectado a la red • Aportes o no de máquinas sincrónicas • Referencia del sistema a tierra

Contribuciones al corto de la generación distribuida

CREG 030 – 038 2018 IEEE 1547.4 – 2011

• Los aportes de cortocircuito son menores a las máquinas rotativas • Cambios en la estrategias convencionales de protección • Uso de inversores de potencia 39

¿Cuáles son los problemas en los esquemas de protección para MR? Referencias

Cambios en los niveles de corto circuito Falsos disparos

Protecciones cegadas

Standards, 2%

Patents, 2%

Technical Reports, 2%

Phd Thesis and books, 1%

Other Journals; 32%

Conference and symposium proceedings; 32%

Prohibición en la re-conexión automática Elsevier Journals; 31%

Re-conexión no sincronizada De un total mayor a 120 referencias

40

Desafíos en MR

“Incremento de consumo de energía a través de energías renovables”.

“Solar, eólica, hidráulica, mareomotriz, biomasa, geotérmica”

Calidad de potencia

Estabilidad Protección y control Gestión de energía

41

Nuevos desafíos Calidad de potencia en MR Calidad de potencia

Calidad de voltaje

Continuidad de suministro

Calidad comercial

• Desbalance de voltaje • Distorsión armónica de la onda de voltaje • Tipo de interrupción • Duración de la interrupción • Transacción comercial entre una compañía eléctrica y el cliente

Fuente: S. A. Hosseini, H. A. Abyaneh, S. H. H. Sadeghi, F. Razavi, and A. Nasiri, “An overview of microgrid protection methods and the factors involved,” Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016.

42

Nuevos desafíos Estabilidad en MR Estabilidad

Estado estable

Estado dinámico

Estado transitorio

• Cálculo del limite máximo de carga de las unidades DG • Incremento gradual de la carga • Fluctuaciones repentinas de la carga • Oscilaciones en el tiempo

• Prohibición de reconexiones

Fuente: L. Kumpulainen and K. Kauhaniemi, “Analysis of the impact of distributed generation on automatic reclosing,” Power Syst. Conf. …, pp. 1–6, 2004.

43

Nuevos desafíosy control en MR Protección Protección y control

Protección

• Bi-direccionalidad en los flujos de potencia • Cambios en la topología operacional de la MR • Niveles de corto circuito dinámicos

Control

• Control para balance de potencia • Métodos para detección de operación aislada de MR • Control de frecuencia en modo aislado.

Fuente: L. Kumpulainen and K. Kauhaniemi, “Analysis of the impact of distributed generation on automatic reclosing,” Power Syst. Conf. …, pp. 1–6, 2004.

44

Nuevos desafíos Gestión de la energía en MR Gestión de energía

Toma de decisiones

• Uso de generadores disponibles • Condiciones de clima • Costos de potencia eléctrica • Costo de combustible

Fuente: L. Kumpulainen and K. Kauhaniemi, “Analysis of the impact of distributed generation on automatic reclosing,” Power Syst. Conf. pp. 1–6, 2004.

45

Desarrollo de nuevas metodologías y técnicas • Inversores compensadores • Filtros híbridos Calidad de potencia • Estrategias de control

• Compensadores de distribución estática (DSTATCOM) Estabilidad

• Protecciones adaptativas Protección • Arquitecturas de control jerárquicas y control

Gestión de energía

• Software de gestión de energía

Herramientas de validación y pruebas sofisticadas

Fuente: L. Kumpulainen and K. Kauhaniemi, “Analysis of the impact of distributed generation on automatic reclosing,” Power Syst. Conf. pp. 1–6, 2004.

46

Hardware In the Loop - Microredes

Alcances de la STR ✓ Se pueden validar modelos de controladores para sistemas de generación, transmisión y distribución.

✓ Se prueba el desempeño de arquitecturas de Automatización en las redes eléctricas.

STR

✓ Se realizan pruebas en Lazo Cerrado de soluciones de control, protección, automatización y desarrollo tecnológico con las redes eléctricas.

✓ Se diseña y desarrollan pruebas FAT para control, protección y SCADAs en Tiempo Real.

Beneficios de la STR ✓ Mayor exactitud entre los análisis previos y la puesta en marcha.

✓

Mayor eficiencia cuando se ejecuten las pruebas en campo, disminuyendo tiempos y costos operativos.

✓

Diseñar y probar nuevas estrategias que en campo no serían posible validar.

✓

Probar de manera integrada el control, la protección y las comunicaciones en las redes eléctricas antes de su implementación.

✓

STR

✓

Reducir costos, tiempo y riesgo para las pruebas de comisionamiento.

Simular eficientemente sistemas con frecuentes cambios topológicos.

Beneficios de usar la STR Cuánto cuesta corregir los errores?

Cuándo son introducidos los errores?

Verificar el diseño en la etapa más temprana Menor trabajo y costos de validación Diseño Prototipado e Integración Pruebas de implementación sistema

Entrega

Diseño

Prototipado e Integración Pruebas de implementación sistema

Entrega

• 1. Conceptos de simulación en tiempo real (STR)

MUCHAS GRACIAS !!!!!!

EDUARDO GÓMEZ LUNA, Ph.D Líder del Departamento de Investigación, Desarrollo e innovación (I+D+i) Director Grupo de Investigación GITICAP Potencia y Tecnologías Incorporadas S.A eduardo.gomez@pti-sa.com.co