Sistema de protecciones para
un esquema de Generación
Distribuida
Universidad Tecnológica Regional Santa Fe
Autor: Ing. Luis Alberto Krapf
Escuela de Ingeniería Eléctrica
Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura – UNR
EVOLUCIÓN
DE LAS
REDES
Aislada
Interconectada
Mallada
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 2
Introducción
El efecto invernadero provocado por el uso de
combustibles fósiles y la crisis energética
promovió el empleo de generación de valores
pequeños en distintos puntos de la red.
Desde estamentos oficiales en distintos países se
favoreció autogeneración y posterior conexión a la
red.
El desarrollo de energías alternativas provocó la
inserción de módulos menores en la red.
Ventajas la diversificación de la matriz energética.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 3
Análisis del funcionamiento con I>
101
102
103
104
105
10-2
10-1
100
101
102
103
I [A]
t [s
eg]
PROTECCIÓN DE MAXIMA CORRIENTE
AAA
B
Aparición de falla entre
B y C
Aparición de falla entre
A y B
Fuente
E s Z s Z LAB Z LBC
A B C
R A
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 4
Impacto de la generación
distribuida Es Equivalente del sistema
Eg Generación en la barra A
EsZs ZLAB ZLBC
A B C
RA
EgZg
I''K
L
gs
gs
gs
gs
g
g
s
s
k
ZZZ
ZZ
ZZ
ZZ
Z
E
Z
E
I
''
L
gs
gs
sk
ZZZ
ZZ
EI
''
Tomando a = Zg/ZS y b = ZL/ZS
Lskkk
ZZ
EIcon
baba
babaII
'''' 1
desarrollo de Kauhaniemi y Kumpulainen
Resulta
Con Es~Eg
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 5
Relación de corrientes
00.5
1
1.52
0
0.5
1
1.5
21
1.5
2
2.5
3
3.5
Zg/Zs
Relación de corrientes
Zl/Zs
I"K/I´k
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 6
Caso 1
EsZs ZLAB ZLBC
A B C
RA
EgZg
I''K
4 unidades de
1 MVA
Pcc = 80MVA (del sistema)
ZS = 0,5+j2,17
Cada gen. Zg = 3+j20,9
ZAB = 2,1 + j2,2
ZBC = 3,0 + j4,0
Falla en Sin aporte 1 Gen. 2 Gen. 3 Gen. 4 Gen.
Barra A* 8555 9455 10354 11273 12135
Barra B 3747 3905 4046 4173 4281
Barra C 1840 1876 1907 1934 1956
A* Barra ficticia muy próxima a A
Ing. Luis Alberto Krapf Slide7
Caso 2
Protección de máxima corriente
en RA1 y RA2
Al aparecer una falla F, la
corriente por RA2 depende de la
relación de impedancias
pudiendo ser mayor en cualquiera
de los dos sentidos.
Si la protección de I> fuese
direccional deberíamos analizar
las reservas ante falla
Es Zs
A B 1 C 1
R A1
E g
Z g
B 2 C 2 R A2
F Alimentador 1
Alimentador 2
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 8
Caso 3
Protección de distancia en RA
Es Zs
A
B C R A
E g
Z g
A B CDistancia
Tie
mpo
Eg fuera de servicio
A B CDistancia
Tie
mpo Zona de riesgo
Eg en de servicio
Se deberían disponer de al
menos 2 regulaciones
posibles
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 9
Inconvenientes con GD
Recierre en una línea que conecta a la sub-red con GD. En el caso de recierre trifásico, por la posibilidad de fallas en el equipamiento por pérdida de sincronismo.
En el caso de operar en isla la porción de la red con GD, se puede perder la calidad de servicio.
Para evitar los inconvenientes mencionados se debe:
Desconectar la GD en el caso de anormalidades en la tensión o la frecuencia.
Si una o dos fases de la red se desconecta la GD debe ser inmediatamente desconectada.
Si se aplica el recierre trifásico la GD debe ser desconectada previamente al cierre del interruptor.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 10
Soluciones
- funcionamiento en isla, implementación de un sistema
ROCOF (Rate of Change of Frecuency)
- disponer el ajuste de los relés apto para cada situación
en base a la red presente
- sistema inteligente de control de protecciones, que
asegure el cambio de ajuste para cada situación de la
red.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 11
GD: REQUERIMIENTOS de PROTECCIONES
para una INTERCONEXIÓN
• Requisitos establecidos para cada generador
• Función de la potencia de cada generador y de la
tensión de conexión
• Función del tipo del generador (Sincrónico, Inducción,
Inverters)
• Si la energía es para consumo propio o para venta
• Dependen del transformador de conexión
• Requisitos mínimos se establecen en la norma IEEE
1547 para tensión y frecuencia
• Trabajo en isla
• Sistema de protección para el aporte a la falla y
condiciones de transitorio provocadas por la GD
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 12
GD – Interconexión Ajuste sobre
y sub tensión
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 13
GD – Interconexión
Sobre y sub frecuencia
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 14
DG Interconexión
Sobre y Sub Frecuencia - Ajuste
• Carga local excede la generación se requiere un
programa de deslastre para evitar la caída de la
frecuencia y el colapso del sistema.
• Dependiendo del punto de conexión al SEP la operación
puede requerir que el generador permanezca conectado
actuando el load shedding.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 15
Disparo por frecuencia
47,2
47,6
48
48,4
48,8
49,2
49,6
0,1 1 10 100
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Tiempo (seg)
El disparo por frecuencia puede ser permitido sin ningún requisito
adicional. Puede programarse con load shedding.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 16
Protecciones requeridas
Interconexión
Dispositivo Funcion
27 Sub tensión
59 Sobre tensión
81o Sobre frecuencia
81u Sub frecuencia
Protecciones típicas para pequeñas interconexiones PV (<25 kw)
Fuente IEEE Standart 1547-2003
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 17
Protecciones requeridas
Interconexión
Protecciones típicas para generadores a inducción pequeña (<100 kw)
Dispositivo Función
27 Sub tensión
59 Sobre tensión
59GI/59GT Relé de sobretensión de tierra Inst. y temporizado
59I Sobre tensión Instantáneo
81o Sobre frecuencia
81u Sub frecuencia
Fuente IEEE Standart 1547-2003
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 18
Protecciones Interconexión
Syncro check
Fuente IEEE Standart 1547-2003
Parámetros de sincronización
Unidad
(kVA)
Diferencia
Frecuencia
(f ; Hz)
Tensión
(V ; %)
Angulo
( ; o)
0-500 0,3 10 20
500 - 15000 0,2 5 15
>1500 - 10000 0,1 3 10
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 19
Sistema inteligente
• mantener dinámicamente un modelo del SP, en el cual
se refleje el estado de sus componentes;
• detectar fallas;
• aislar fallas;
• respaldar componentes que presenten falla interna
(protecciones e interruptores).
Requerimiento temporal
Capacidad de adquirir datos - Filtrado
Requisito de fácil integración
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 20
Característica de los SIC
Relé 1 Relé n
Relé 1 Relé p
Relé 1 Relé k
Relé 1 Relé l
SSI 1
SSI 2
SSI j
SSI mSISTEMA de
DISTRIBUCION
SCI
Relé: unidad IED “Intelligent
Electronic Device”
Se aumenta de esta manera la
confiabilidad del sistema
SIC poseen información del
sistema
Elabora:
• Ordenes de bloqueo
• Cambio de seteo
• Reposición del servicio
• Disparo
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 21
Arquitectura del SIC
Capa Inferior Posee la
representación lógica del SD
Capa Media responsable de
ejecutar acciones dispuestas
por ella misma o por la capa
superior.
Capa Superior Deliberativa
agentes de análisis y
reposición.
Aparenta ser un sistema
centralizado pero opera como
distribuido utilizando el sistema
multiagente.
Deliberativa
Capa
Coordinación (híbrida)
Capa Comunicación y
Reactiva
Capa
Entrada
Eventos
Eventos Planes
Control
Control
DISTRIBUCION
SISTEMA de
Entrada Control
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 22
Sistema Multiagente
Sist. multiagente compuesto unidades autónomas
Características del agente
Capacidad para alcanzar objetivos locales
No tiene capacidad para alcanzar objetivos globales
por sí solo
No hay control del sistema global
Los datos están descentralizados
Sist. Computación asincrónica
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 23
Principio de Funcionamiento
Agentes de capa inferior tienen visión mínima,
resuelven en función de su entorno.
Reglas de la forma
Situación Acción
Esta acción puede ser bloqueada por un nivel superior
Capas superiores tienen visión más completa del
sistema.
Capa superior encargado de detección y aislación de
fallas, reposición y respaldo.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 24
Guía de agentes
Agentes independientes de otros
tratan de alcanzar sus propios
objetivos, interaccionan para
alcanzar objetivo global.
Agente de protección maneja
reglas, lógica de relés y
características de operación
Agente de generación representan
a los generadores e inyectores de
potencia
Manejador de eventos Es el
encargado de comunicación entre
sistemas de análisis y entorno.
SISTEMA DE DISTRIBUCION
Generador
Ag. Detección
Agente
Protección
y Aislación
de Fallas Manejador de
Eventos
Reposición
Agente de
Agente
Agente
Back-up
El ME mantiene repositorio de
datos dinámicos sobre el entorno,
eventos y acciones
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 25
Guía de agentes
Agente Detección y aislación de
fallas: Analiza eventos
provenientes de capa inferior,
busca solución con mínimo
impacto.
Agente de reposición: Restaura
el sistema a una configuración
subóptima.
Agente de Back up: Monitorea
el sistema y en caso de falla
debe adoptar la mejor solución
posible.
SISTEMA DE DISTRIBUCION
Generador
Ag. Detección
Agente
Protección
y Aislación
de Fallas Manejador de
Eventos
Reposición
Agente de
Agente
Agente
Back-up
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 26
Características del sistema
Condición del
sistema 1
Condición del
sistema n
Condición del
sistema 2
Caso de
uso 1
Grupo de
seteos 1
Caso de
uso k
Grupo de
seteos k
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 27
Característica del problema
Ataque:
tareas independientes
Agentes: relés Agentes: relés Agentes: relés Agentes: relés
Distribuidos geográficamente
Datos del SEP
Naturaleza dinámica
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 28
Sistema multi-agentes
Requerimientos hacia la Arquitectura
Descomposición de tareas y obtención o
funcionalidad requeridas.
Las funcionalidades deben ser lo más simples
posibles de manera de tratar con un único aspecto
o comportamiento esperado del sistema.
Al definir una funcionalidad también es importante
definir la información que requiere y la información
que produce.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 29
Documentación - Descriptores
• Nombre: Detector de estado de la red.
• Descripción: Presencia de generadores, su localización y su tipo.
• Acciones: -.
• Percepción: Estado de protecciones.
• Acceso a Datos: Lectura del estado de protecciones, topología de red.
• Interacciones: Provee la región generada a las funcionalidades elección de una regulación de protección seteada previamente
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 30
Sistema multi-agentes
Interacción de Funcionalidades e identificación de Agentes.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 31
Conclusiones
La GD es una realidad en la República Argentina
Se presentan inconvenientes derivados de la variación de la
configuración del SP
Pueden producir sobrealcances o subalcances, como así
también la posibilidad de que ante una inversión del sentido
de la corriente el relé de sobrecorriente puede producir
falsos disparos.
Es necesario disponer de medición direccional y de distintas
regulaciones para adecuarlas a la configuración del SP
Se propone trabajar un sistema multiagentes que en forma
automática puede seleccionar el layer adecuado de trabajo.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 32
Experiencia
Este sistema de protecciones con distintos seteos fue
realizado en la red de media tensión de una planta de la
zona norte de Rosario, en la cual se contemplaba tres
situaciones:
- Alimentación desde la Empresa Provincial de la
Energía de Santa Fe,
- Alimentación propio total o parcial,
- Elemento o equipo en prueba.
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 33
Normas de GD DG Interconnection Industry Standards
IEEE 1547‐2003 IEEE Standard for Interconnecting
Distributed Resources with Electric Power Systems
Mayores detalles son provistas por IEEE 1547.2
(Application Guide for IEEE 1547)
Los requerimientos varían de acuerdo a los parámetros
de la generación
UL 1741 Inverters, Converters, Controllers and
Interconnection System Equipment for Use with
Distributed Energy Resources
Esta norma es una extensión de la original escrita
inversores de generación PV
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 34
NORMAS Adicionales
IEEE C37.90, IEEE Standard for Relay Systems
Associated with Electric Power Apparatus
• IEEE C37.95, IEEE Guide for Protective Relaying of
Utility‐ Customer Interconnections
• IEEE Std. 519‐1992, IEEE Recommended Practices
and Requirements for Harmonic Control in Electrical
Power Systems
• IEEE 1453‐2004, IEEE Recommended Practice for
Measurement and Limits of Voltage Fluctuations and
Associated Light Flicker on AC Power Systems.
• IEEE C2‐2007, National Electrical Safety Code
• NFPA 70, National Electric Code
Ing. Luis Alberto Krapf Slide 35
ANÁLISIS FUTURO
Escuela de Ingeniería Eléctrica - Facultad de CS. Exactas, Ingeniería y Agrimensura
- UNR
Indice de Contingencia
Inter. actúancorrectamente
Falla
por relésDetección
PermanenteFallaFalla
Transitoria
Recierre Apertura
incorrectaOperación
ActúaRespaldo
correctamenteInter. no actúan
RespaldoActúa
AnálisisSistema Sistema
AnálisisAnálisisSistema
k=1
k=2
Gra
do de contingencia
Escuela de Ingeniería Eléctrica - Facultad de CS. Exactas, Ingeniería y Agrimensura
- UNR
Identifying High Risk N-k Contingencies for Online Security Assesment Chen - MCCalley - IEEE Transaction on Power System May 2005
Eventos consecuentes
Falla en línea 1
Desconexión línea 1
Sistema debilitado
Línea 2 sale por sobrecarga
Posible salida de línea 3 por
sobrecarga
Línea 5
Línea 4
Línea 2
Línea 1
Línea 6
Línea 3
Carga A
Carga C
Carga B
SET C
SET A
SET B
Estación
Transformadora
Carga A
Estación
Transformadora SET ALínea 2
Línea 4
Línea 5
SET C
Carga B
Línea 3
Línea 6
Carga C
SET B
Escuela de Ingeniería Eléctrica - Facultad de CS. Exactas, Ingeniería y Agrimensura
- UNR
Catastrophic Failures in Power Systems: Causes, Analyses, and
Countermeasures - De la Re et al - Proc. of the IEEE may 2005
Reposición
Análisis del sistema después de la falla y estudio de reposición:
Algoritmo a emplear tiene en cuenta:
• Capacidad de lineas
• Estado (servicio/fuera de servicio)
Escuela de Ingeniería Eléctrica - Facultad de CS. Exactas, Ingeniería y Agrimensura
- UNR
Falla en protecciones
SISTEMA CONVENCIONAL
Falla en protección Informe al Centro de Control
Aparición de falla en el SEP Actuación reservas
SISTEMA INTELIGENTE DE PROTECCIONES
Informe al Centro de Control
Falla en protección Bloqueo de la protección
Función adoptada por el ADyAF y el AB
Señal de disparo a interruptor y a reservas con 300ms de retardo
EIE – FCEIA
Falla en protecciones
Información deficiente
Cálculo de factores de certeza (J. C. Tan, P. A. Crossley, P. G. McLaren, I. Hall, J. Farrell, and Phillip Gale)
Determinación del lugar mas probable y orden de disparo
En función de la indicación de los relés en la RF
EIE – FCEIA
Falla en protecciones
En líneas radiales o simples la determinación se hace en función de la indicación de la dirección. Supongamos falla en el tramo BC.
Si un relé falla, por ej. Rbc, el SSI y el SC conoce esta información y ejecuta las siguientes acciones:
Bloquea accionamiento de Rbc
Relé Rba indica dirección opuesta y el SIP observa falla posible en barra o en línea y decide por probabilidad de falla que la zona mas probable es la línea ordenando la apertura del interruptor asociado al Rbc
A B C D
Rab RcdRbcRba Rcb RdcGen.
equiv.
Gen.
equiv.
EIE – FCEIA
Reposición del servicio
Salida de servicio de una línea por falla: reposición en forma automática mediante agentes:
Agente de línea (AL): controla todas las líneas
teniendo en cuenta su carga actual y la máxima
permitida.
Agente de generación (AG): Verifica el excedente de potencia a suministrar por generadores y transformadores.
Agente de restauración (AR): es el encargado de
gerenciar la restauración.
EIE – FCEIA
AL AG AR
SIP
Características de los agentes de
reposición
AL se comunica un número limitado de veces con sus vecinos
ALs y AGs informan al AR sus posibilidades
AR es el único con capacidad de iniciar la restauración.
Estrategia:
Si existe más de una forma de restauración el AL seleccionará la de
mayor potencia disponible
Si la potencia es insuficiente el AL negociará con ALs vecinos para
obtener mayor potencia
Si la potencia disponible es insuficiente el AR determinará el deslastre
correspondiente.
EIE – FCEIA
Conclusiones
• Se reduce el tiempo de actuación en los relés
de back up.
• Respuesta ante incompletitud de datos.
• Reemplazo de una protección por falla propia o
de sistema asociado.
• Capacidad de acción ante situaciones
inesperadas.
EIE – FCEIA
CVs disertantes
Presentación de Marcos “El primer seminario se titula “Smart Grid” y está a cargo del Ing. Electricista Luis Krapf y del Ing. Electricista Jorge Saenz, Breve currículum de los expositores El Ing. Luis Krapf es egresado de Escuela de Ingeniería Eléctrica, de la Facultad de Ciencias Exactas e Ingeniería de la Universidad Nacional de Rosario. A partir del 11 de diciembre de 2011 fue designado Secretario de Energía de la Provincia de Santa Fe. En la Universidad Nacional de Rosario es Profesor Titular Ordinario y Director del Laboratorio de Ensayos y Diseños Eléctricos de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura. También dirige Proyectos de investigación de Sistemas Eléctricos de Potencia, siendo su área de especialización la de Sistemas de Potencia de Alta Tensión, con papers y presentaciones en congresos en el área. Ha ejercido cargos de Secretario de Extensión Universitaria y de Vicedecano en la Fac. de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura de la Un. Nac. De Rosario. También fue Director de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de dicha Facultad. Ha realizado trabajos como Asesor/Proyectista de Sistemas Eléctricos de Potencia e Instalaciones Industriales. Y también fue Jefe de Estudios y Proyectos - Protecciones y Mediciones. Y Jefe de Mantenimiento de Protecciones y Mediciones en la empresa Agua y Energía Eléctrica. El Ing. Jorge Saenz tiene sus primeros antecedentes profesionales en la industria siderúrgica y
luego en Agua y Energía Eléctrica (AYE) y en CAMMESA para realizar el seguimiento, control de
la ingeniería, instalación y puesta en marcha del Sistema de Medición Comercial del Mercado
Eléctrico Mayorista (SMEC). Al retirarse de CAMMESA en 2012, pasa actuar como asesor en la
Subsecretaría de Energías Renovables, de la Secretaría de Energía de la Prov. de Santa Fe.
Sus antecedentes docentes datan desde 1971 en el ámbito secundario (Inst. Politécnico de
Rosario) y en la Universidad, UTN Fac. Reg. Concepción del Uruguay y Fac. Reg. Rosario, siendo
actualmente Profesor titular por concurso, de la Cátedra Instrumentos y Mediciones Eléctricas.
Se destaca también su especialización en España en relación a las Redes Eléctricas Inteligentes,
con presentación de papers en diversos Congresos.”