IEM-5500-03
SINCROFASORES
Prof. Félix Cabral Rodríguez | Jeifry Batista Hernández
Facultad de Ingeniería y Arquitectura ¨Escuela de Ingeniería Electromecánica¨
¨ Sincrofasores ¨ Lab. Análisis de Sistemas de Potencia, IEM-5500-03
Prof.: Félix Cabral
Sustentantes: Jeifry Batista - EJ9126
23 de febrero de 2015
Universidad Autónoma de Santo Domingo, Santo Domingo
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Sincrofasores
Contenido Introducción .......................................................................................................................................2 1.
Fasor...........................................................................................................................................3
2.
Origen de los fasores ..................................................................................................................3
3.
Sincrofasores ..............................................................................................................................4
4.
Muestreo y procesamiento de la señal ......................................................................................6
5.
Obtención de la fase y de la amplitud de una señal ...................................................................6
6.
Aplicaciones de los Sincrofasores ...............................................................................................7 6.1 Monitoreo en tiempo real de variables de estado ...................................................................8 6.2 Transductor de fase y registro dinámico ..................................................................................8 6.3 Sistemas de protección especial basada en Out-of-Step ..........................................................8 6.4 Estimación de estado ...............................................................................................................9 6.5 Análisis en subestaciones .........................................................................................................9 6.6 Análisis en sistemas de potencia ............................................................................................10 6.7 Control en sistemas de área amplia .......................................................................................11
Conclusión........................................................................................................................................12 Bibliografía .......................................................................................................................................13
Jeifry Batista Hernández
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Introducción
Sincrofasores
Introducción La presente investigación se refiere al tema de los Sincrofasores que no es más que una medición de fasores que están sincronizados con la hora UTC que tienen como referencia una onda coseno. La característica principal de los sincrofasores es que ha podido reducir los problemas de un sistema de potencia monitoreando y controlando en tiempo real, otorgándoles a los operadores de este una mayor información al momento de tomar una decisión. Además de que pueden resolver una gran variedad de problemas de protección, automatización y control del sistema de potencia y además gracias a estos podemos detectar situaciones de riesgo de inestabilidad y tomar decisiones rápidas. Las causas de la implementación de esta tecnología son debido al crecimiento de la demanda en el sector eléctrico que han llevado a los límites de capacidad los sistemas y que permiten la reducción de los cálculos necesarios para determinar el estado del sistema. Este documento lo que pretende brindar sobre el concepto de sincrofasor y cuáles son sus características de funcionamiento, sus ventajas y además de cuáles son sus aplicaciones en el ámbito eléctrico.
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Fasor
Sincrofasores
1. Fasor La representación de señales sinusoidales como fasores es usada comúnmente en el análisis de sistemas de potencia de corriente alterna. Una sinusoide ( ) = cos( + ) se puede representar como un fasor = + = =
√ 2
√ 2 (cos + ) en que depende de la definición de la escala de tiempos u origen
de tiempos t =0.
Entonces un fasor es un número complejo que representa a una sinusoide, con parte real X r y parte imaginaria X i. Esto aplica a las señales eléctricas sinusoidales como las tensiones y corrientes. Dado que los vectores también pueden representarse mediante números complejos los vectores que representan señales sinusoidales eléctricas son llamados fasores.
� (valor eficaz) y √
El fasor visto como vector tiene entonces módulo
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ángulo o argumento respecto de la referencia de ángulos (t =0).
Es importante indicar que el fasor está definido para la velocidad angular w, por lo que la evaluación con otros fasores (o de varios fasores) debe ser realizada con la misma escala de tiempos y la misma frecuencia. 2. Origen de los fasores En 1893, el alemán Charles Steinmetz, introdujo formalmente el término fasor para representar un problema complejo de corriente alterna como un problema simple de álgebra. Para ello, representa la onda sinusoidal como un número complejo cuya magnitud es la misma que la onda original, mientras que el ángulo es la fase de la onda en un instante de tiempo, particularmente t = 0 s. Normalmente esta variable está asociada a una frecuencia única y al considerar que los parámetros del sistema permanecen constante durante el estudio, la dependencia del tiempo se puede eliminar:
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Sincrofasores
Sincrofasores
∅ → √ ∅ ( )=
(
+
)
=
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\
Una aplicación directa de fasores a sistemas eléctricos de potencia es para estudios de flujos y de cortocircuito, por otro lado, para análisis transientes se deben resolver las ecuaciones diferenciales en el dominio del tiempo.
3. Sincrofasores Los sincrofasores, en términos generales, son mediciones de fasores que están sincronizadas con la hora UTC (Universal Time Coordinated) y que crean una onda coseno de frecuencia nominal (50 ó 60 Hz) como referencia. Dicha sincronización debe ser precisa ya que un desfase de tan solo 1 μs provocará un
error en el ángulo de fase de 0,0216° para un sistema a 60 Hz ó de 0,018° para un sistema a 50 Hz. Para la definición de fasores en tiempo real es necesario obtener el ángulo de fase de manera sincronizada, esto se logra comparando la señal con una función coseno que presenta la frecuencia nominal del sistema y que sigue el estándar UTC (Coordinated Universal Time). Bajo esta explicación, la fase será el desplazamiento que tiene la señal muestreada frente a la función coseno elaborada internamente dentro de cada unidad de medida fasorial. En el pasado no era posible monitorear, en tiempo real, los ángulos relativos de fase de todas las tensiones e intensidades de la red, debido a la falta de capacidad de procesamiento y a las grandes dificultades propias de la recolección, coordinación y sincronización de los datos de la red, esto ha cambiado totalmente gracias a las nuevas tecnologías en comunicación, medición, procesamiento electrónico de datos y sincronización a través de satélites que en unión con los sincrofasores, brindan un nuevo escenario donde se facilita la implementación de un importante número de aplicaciones que permiten aumentar la eficacia de la red, herramientas que facilitan el conocimiento del estado del sistema de potencia y su operación confiable cerca a los límites eléctricos y físicos. Las nuevas tecnologías en medición fasorial sincronizada (sincrofasores) se Jeifry Batista Hernández
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presentan como una importante herramienta de evaluación para los operadores del sistema al medir el estado del sistema eléctrico en tiempo real, de manera que el controlador tenga información suficiente para decidir las acciones propicias a efectuar sobre el Sistema Interconectado cuando se presenten violaciones de los límites de operación y oscilaciones que puedan ser perjudiciales para la estabilidad del sistema. Con los nuevos avances en procesamiento de señales y equipo, los sincrofasores pueden ser usados para resolver una gran variedad de problemas de protección, automatización y control del sistema de potencia. Estos proveen una nueva forma de analizar disturbios grandes y pequeños en un sistema de potencia siendo aprovechados en aplicaciones de estimación de estado, control y protección; esquemas que han sido estudiados durante años, aunque su implementación en sistemas reales es reducida actualmente. El monitoreo del sistema en tiempo real permite detectar situaciones de riesgo de inestabilidad y tomar decisiones rápidas que limiten las regiones afectadas y eviten el colapso generalizado de las tensiones del sistema. Para ello, una de las variables a considerar es la separación angular entre nodos separados, lo cual es una medida de estrés o esfuerzo exagerado del sistema de transmisión en condiciones normales de operación. Los sincrofasores han sido usados principalmente para validaciones del modelo del sistema de potencia, análisis posterior a eventos, visualización en tiempo real y otras actividades similares. No obstante, los sincrofasores tienen un potencial más allá del monitoreo y la visualización, los sincrofasores contribuirán a la operación de sistemas de potencia de manera confiable y económica aprovechando las estructuras de control en tiempo real y los esquemas de protección aplicados en sistemas de supervisión y control de área amplia (WAMS / WACS), incluyendo entre sus funciones: Detección y corrección de estabilidad de voltaje Detección de inestabilidad de pequeña señal Control de Islas Control de fuentes de generación intermitentes e interconexión de red • • • •
Además de determinar el estado del sistema con menos datos que en los métodos tradicionales, los sincrofasores mejoran ampliamente la confiabilidad de dichos datos y los resultados obtenidos, al establecer una referencia de tiempo única para todas las medidas del sistema, logrando compilar los datos específicos Jeifry Batista Hernández
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Muestreo y procesamiento de la señal
de un solo estado del sistema eléctrico para la estimación de variables, reduciendo la incertidumbre ocasionada por los retardos en las vías de comunicación y transferencia de los datos medidos entre las subestaciones y los centros de control para la estimación de estado con métodos convencionales.
4. Muestreo y procesamiento de la señal
Para que se obtenga un sincrofasor es necesario medir analógicamente la señal de voltaje o corriente, filtrándole las frecuencias altas. Posteriormente, al momento de convertir la señal de análoga a digital, se utiliza la frecuencia de muestreo, fs, dependiente de una señal externa con referencia de tiempo absoluta. Luego de realizar la conversión A/D, se calibran los datos para compensar los errores del hardware al momento de la adquisición de los mismos. Finalmente, se dispone de datos calibrados a una frecuencia de muestreo alta (por ej. 8.000 muestras por segundo) y que son adecuadas para aplicaciones de oscilografía, análisis de armónicos y medidas sincrofasoriales. La figura siguiente muestra este proceso.
5. Obtención de la fase y de la amplitud de una señal
Para obtener la fase y la amplitud de una señal se puede utilizar el método de la correlación, éste consiste en multiplicar la forma de onda, v(t), por un fasor unitario y sincronizado:
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Aplicaciones de los Sincrofasores
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→ − ( )=
( ) cos(
)
+
( )= ( )
Que expresándolo en términos de exponenciales:
+ − + − − + − + + (
( )=
=
)
( )
( )
[(
+
(
)
2
)
)]
2
+
[(
)
)]
Filtrando el término de alta frecuencia mediante un filtro pasa bajos, se ), la que presenta una amplitud logra obtener la componente de interés ( igual a la mitad de la original, por lo que luego de un adecuado escalamiento se obtiene el fasor:
0
( )=
√ 2
( )
L
((
0)
+ )
De las partes real e imaginaria de este proceso, que se encuentran calculadas por separado, se obtienen la magnitud y la fase de manera tradicional. El sistema digital de la Figura ilustra el equivalente al proceso descrito.
6. Aplicaciones de los Sincrofasores
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Aplicaciones de los Sincrofasores
Algunas aplicaciones académicas que tienen los sincrofasores son:
6.1 Monitoreo en tiempo real de variables de estado
Con los medidores fasoriales se puede obtener el ángulo de fase del voltaje de secuencia positiva (PSV: Positive-Sequence Voltage), variable de estado más importante de la red debido a que éstas están relacionadas a los márgenes de estabilidad transientes, flujos de potencia por las líneas y seguridad en el voltaje. 6.2 Transductor de fase y registro dinámico
El registro de variables de estados, en puntos estratégicos de la red, otorga información valiosa antes y después de contingencias que puedan afectar al sistema eléctrico, además facilita la toma de decisiones por parte de los operadores para responder a estos eventos. 6.3 Sistemas de protección especial basada en Out-of-Step
Cuando una parte del sistema empieza a perder el sincronismo con respecto a otra, los esquemas de protección detectan inestabilidad, pudiendo aislar sectores, realizar desprendimiento de cargas y de generadores. Frente a esta pérdida de sincronismo, se han propuesto dos aplicaciones: Medir el fasor de PSV en barras estratégicas del sistema. Frente a una contingencia, el ángulo de fase entre los puntos se calcula en tiempo real, y mediante un algoritmo de predicción se determina las condiciones de •
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Aplicaciones de los Sincrofasores
estabilidad o inestabilidad. En la medida en que un sistema de dos máquinas pueda representar la red, se puede realizar una medición simultánea del ángulo de fase entre las reactancias transitorias de las máquinas. Frente a una contingencia, se calcula el nuevo ángulo entre las máquinas y con el algoritmo de áreas iguales, implementado en tiempo real, se puede determinar si el nuevo punto de operación es estable.
6.4 Estimación de estado
Teniendo un programa de estimación de estado se puede proveer en tiempo real un valor estadístico de las variables de estado del sistema. Con este sistema se podría detectar y corregir errores en las mediciones. Hay que considerar que este estimador de estado es una aplicación estacionaria y que es un proceso del orden de pocos minutos, debido a la resolución de ecuaciones no lineales del sistema. Pasado un tiempo, algunas empresas como SEL han introducido estos equipos de medida fasoriales en relés de protección como una opción estándar. Por lo que al día de hoy estos equipos proveen soluciones que podrían ser muy costosas y complicadas de implementar mediante aproximaciones tradicionales.
6.5 Análisis en subestaciones •
Verificación de la fase del voltaje y corriente
Generalmente, los equipos de medida presentan una fase como referencia y a partir de ésta obtienen las medidas de las otras fases. Sin embargo, utilizando un relé que incluya sincrofasores, se pueden obtener las magnitudes y fase de los voltajes y corrientes referenciados a un tiempo absoluto. •
Refinamiento de la medición en tiempo real del voltaje
Utilizando una configuración adecuada se pueden obtener diversas medidas de un mismo punto. Como cada una de éstas puede presentar un error aleatorio, debido a los instrumentos de medida, se puede obtener un promedio de las mediciones, reduciendo el error. •
Verificación SCADA y de respaldo
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Aplicaciones de los Sincrofasores
Las medidas fasoriales presentan una mejora con respecto a sistemas SCADA tradicionales, esto debido principalmente a que la tasa de muestreo es mayor, por lo que la visualización del sistema o de los puntos de interés resulta ser más exacta. •
Análisis de canales de comunicación
En ciertas oportunidades los canales de comunicación entre subestaciones presentan asimetrías distintas a las especificadas, adhiriendo errores a las medidas y causando diferencias importantes entre los datos obtenidos por los distintos equipos. Utilizando una fuente común de sincronización, este error se logra evitar ya que no depende de aproximaciones o estimaciones de la asimetría existente en el canal de comunicación. 6.6 Análisis en sistemas de potencia •
Monitoreo de la frecuencia en sistemas de área amplia
Utilizar estos equipos de medida en distintos puntos del sistema, desde la transmisión hasta la distribución, permite analizar en tiempo real posibles contingencias del sistema, correlacionando los datos. •
Mejora de la estimación de estado
Monitoreando en distintos puntos el voltaje y conociendo las admitancias del sistema, se puede calcular las corrientes, y teniendo esto se pueden obtener los flujos de potencia activa, reactiva, pérdidas, etc. Sin embargo estos cálculos en un sistema SCADA tradicional pueden presentar errores en la estimación de estado, debido a que los datos medidos no presentan un alineamiento absoluto con respecto al tiempo y no siempre están presentes todas las medidas. El proceso se puede realizar de manera más rápida y confiable, incluyendo al sistema SCADA, equipos de medida fasoriales. •
Almacenamiento de perturbaciones en sistemas de área amplia
El almacenamiento preciso de las variables relevantes de un sistema de potencia, permite a las autoridades respectivas analizar y explicar los eventos producidos por una contingencia.
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6.7 Control en sistemas de área amplia •
Control de generación distribuida
Un requisito importante en la generación distribuida (GD) es el no operar en isla, ya que si lo hace se pueden producir problemas tanto para el generador como para las cargas conectadas. Con esto, un esquema que detecte cuando un generador está operando en isla y desconectarlo en un tiempo adecuado del sistema es necesario. En la actualidad existen varios esquemas de detección de operaciones en isla, por ejemplo, los basados en frecuencia y voltaje. Con mediciones sincronizadas estos esquemas se pueden aplicar directamente. •
Asistencia sincronizada de partidas en negro
Se llama partida en negro cuando un generador empieza a operar sin utilizar energía de la red. Se pueden usar sincrofasores para proveer un sistema de visualización similar a un SCADA tradicional, además se pueden utilizar como visualizador para conectar este sistema que está volviendo a operar con otro que ya está en operación. •
Protección basada en sincrofasores
Se pueden implementar esquemas automáticos de desprendimiento de carga (Automatic Generation-Shedding Scheme, AGSS) basados en la intercambio de información sincronizada de los relés de protección.
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Conclusión
Sincrofasores
Conclusión Como resultado de la investigación presentada, es posible concluir que las nuevas tecnologías de medición fasorial son una importante herramienta de evaluación para los operadores del sistema, además de que nos ayuda a facilitar una información rápida de cómo es que se encuentra el sistema ya que permite reducir los cálculos. Los Sincrofasores van a revolucionar la eficiencia de estos sistemas, ya que al estar sincronizados con el tiempo les brindan a los operadores el estado de todo el sistema, los que los ayuda a tomar mejores decisiones cuando surge cualquier tipo de problema. Como ya vimos los Sincrofasores nos ayudan a saber rápidamente los valores de voltajes y corriente en cualquier punto de la red, el monitoreo de la frecuencia y puede mejorar la protección cuando se pierde el sincronismo entre dos partes para poder aislar ese punto de la red.
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Bibliografía
Sincrofasores
Bibliografía Aguirre, A. (2012, agosto 3). slideshare. Recuperado el septiembre 11, 2014, de http://es.slideshare.net Andrés, M. V. (2011, febrero 24). Universitat de València. Recuperado el septiembre 1, 2014, de http://www.uv.es Banner Engineering Corp. (2013, Diciembre 13). Banner . Recuperado el septiembre 6, 2014, de http://www.bannerengineering.com Córdoba, M. (2003, marzo). Universidad de Belgrano. Recuperado el septiembre 8, 2014, de http://www.ub.edu.ar/ Eguia, P. (s.f.). Medida de sincrofasores y su aplicación a la localización de faltas en redes de transporte. Obtenido de http://www.ehu.es/p200content/eu/contenidos/informacion/proyectos_aulas_empresa/es_proyecto/adjuntos/2Si ncrofasoresZIV.pdf FERNÁNDEZ, A. E. (2012, Mayo). SINCROFASORES Y SU APLICACIÓN EN CONTROL DE ÁREA AMPLIA EN SISTEMAS DE POTENCIA. Obtenido de http://bdigital.uao.edu.co/bitstream/10614/3145/1/TEL01011.pdf Fibremex. (2014, abril 16). Fibremex . Recuperado el septiembre 9, 2014, de fibremex.com Franco,
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Obtenido
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Bibliografía
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Gutierrez Alvarez, D. (2014, agosto 27). Wikipedia. Recuperado el septiembre 9, 2014, de http://www.wikipedia.com Laboratories, S. E. (s.f.). Schweitzer Engineering Laboratories. https://www.selinc.com/synchrophasors/faq/?LangType=1034#9681
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