I. INTRODUCCIÓN Una solución de sistema de supervisión y adquisición de datos (SCADA) se utiliza principalmente para proporcionar información RT sobre el funcionamiento de los sistemas de energía eléctr ica [1]. La mayoría de los sistemas de potencia necesitan recopilar datos en una ubicación central, desde una gama de dispositivos electrónicos inteligentes (IED) multifuncionales ubicados en el campo para realizar un análisis exhaustivo de los equipos para tomar una decisión [2], [3]. L a interfaz hombre-máquina (HMI) de un sistema SCADA se basa en algunos puntos remotos medidos para ser monitoreados y eventualmente controlados, en los que se e spera que las comunicaciones sean operadas por un operador humano. El propósito principal de una interacción de SCADA es [4]: - Adquisición de datos de tensiones y corrientes de CA, potencias, frecuencia, factor de potencia (PF) para medición, control de límites, escalado y supervisión de indicación. - Informa el estado de los puntos de contacto del relé y controla el interruptor automático ENCENDIDO / APAGADO. - Manejo de alarmas en caso de violación de límites, facilidades de reconocimiento y supervisión de control. - Informar las instalaciones de la disponibilidad de almacenamiento de datos actual e histórica. - Recopilación de informes de fallas y eventos para e l análisis de fallas. - Cambio / comprobación de la configuración de unidades remotas inteligentes (RTU) de forma remota y con facilidad. - Diagramas MIMIC para una visión general del estado del sistema de potencia.
Por lo tanto, la investigación para interactuar con los sistemas SCADA debido al escenario de cambio rápido en los sistemas de potencia RT, el m odelado dinámico multinivel de los elementos del sistema de potencia aparece como una solución moderna. Este nuevo contexto presenta desafíos importantes que involucran el rápido prototipado y la validación de los controladores del sistema de potencia, el acoplamiento con modelos externos o definidos por el usuario y el uso de algoritmos avanzados capaces de analizar la gama completa de fenómenos transitorios en energía eléctrica sistemas. Tales desarrollos están diseñados para mejorar las pruebas de simulación y las plataformas de laboratorio para pruebas HiL más exigentes [5], [6]. Es necesario configurar un laboratorio de sistema de potencia que integre el uso de los sistemas SCADA [7] - [10]. El diseño hace hincapié en un simulador de entrenamiento de operadore s y potentes interfaces gráficas capaces de manejar grandes cantidades de datos que apoyan la toma de decisiones de forma más precisa con flexibilidad, escalabilidad, realismo y herramientas de simulación rápida [11] - [13]. Esta investigación se centra en una plataforma de acoplamiento de hardware / software entre un sistema SCADA desarrollado con Power-Factory para la simulación de estabilidad a gran escala (RMS) que se ejecuta en e n una arquitectura de prueba RT. La principal contribución del trabajo permite al usuario interactuar con los modelos de sistemas de energía existentes previamente
definidos en PowerFactory en tiempo real. Sin embargo, la principal ventaja del estudio hace que sea adecuado para simular grandes sistemas que dependen de la licencia, por lo que es posible trabajar con un número ilimitado de nodos. Como esta aplicación interactúa con amplificadores de precisión en una configuración HiL de potencia, se deben cumplir restr icciones de tiempo difíciles en el orden de m ilisegundos; por lo tanto, se incluye un hardware dedicado robusto con un sistema integrado y una matriz de compuerta programable de campo (FPGA) para reproducir señales analógicas de voltaje y corriente. Esta arquitectura permite mejorar e l rendimiento de un análisis y monitoreo de simulación de transitorios a largo plazo, como una alternativa para lograr una simulación re alista. El documento describe la metodología de simulación integrada en la Secc ión II. Luego, la arquitectura del sistema y el marco de programación se presentan en la Sección III. La Sección IV se centra en el proceso de validación de la plataforma con un estudio de caso tradicional (9 nodos) y un modelo de sistema eléctrico colombiano reducido. La Se cción V ilustra que los resultados están utilizando el estudio de caso colombiano y dos aplicaciones de retransmisión de protección diferentes: cuando el efecto de alimentación se t iene en cuenta en la coordinación de protección y la emulación de prueba de extremo a extremo. Finalmente, se presentan nuevos trabajos y conclusiones.
II. DISEÑO DE SIMULACIÓN INTEGRADA La Fig. 1 ilustra el diseño general de este marco y presenta seis módulos diferentes para integrar el hardware y el software. El equipo requerido y las herramientas de software se presentan: - Una computadora con DigSilent PowerFactory, MatrikonOPC Server for Simulation y NI LabVIEW. - Un sistema integrado RT y FPGA - NI cRIO 9082. - Un amplificador de potencia NF 4510 la señal actual. - Una carga de precisión NF AS-513 para controlar la corriente amplificada. - Un amplificador de voltaje básico 10V / 120V. - Un relé de protección para gestionar el disparo / cierre, registro de eventos, monitoreo de voltaje y corriente.
A. Co-simulación del sistema de potencia Los diferentes mecanismos que existen para interconectar el modelo de sistema de potencia y e l motor de simulación de PowerFactory con otros m odelos, simuladores o aplicaciones se muestran en la Fig. 2 [6]. Estas interfaces abren diferentes formas de co-simulación, simulación RT para configuraciones de prueba HiL del controlador o automatización y control de simulación. La interfaz de cliente de OLE for Process Communication (OPC) es adecuada para la implementación de un sistema SCADA porque la transferencia de datos se sincroniza automáticamente con la simulación RMS. El intercambio de datos OPC tiene que llevarse a c abo a través de un comando explícito Digillent Programming Language (DPL) cargado para construir puntos de datos, que los clientes pueden comunicar (entradas, salidas y datos de mediciones externas). Algunas funcionalidades interesantes de diferentes aplicaciones en las que se podría aplicar e l acoplamiento de PowerFactory por OPC
Figure 2. Overview of the Coupling Interfaces Provided by PowerFactory
El servidor se ilustra en la Fig. 3. Estas aplicaciones permiten un intercambio bidireccional de datos mediante el uso de etiquetas OPC. El tipo de datos que pueden importarse o exportarse se enumeran de la siguiente manera [14]: - Importar - Actualización de datos operacionales en el modelo PowerFactory. - Acciones de operación (por ejemplo, e stado del interruptor, posición de tap). - Importación de una instantánea de red medida para la estimación de estado - Exportar - Actualización de SCADA con resultados de c álculo.
- Mediciones DAT externas (por ejemplo, voltaje, corriente, potencias, frecuencia, factor de potencia).
B. Modelo de servidor / cliente OPC es un estándar con un conjunto de especificaciones para garantizar el intercambio de datos de seguridad y confiabilidad para aplicaciones de automatización e industria. Estas especificaciones definen la interfaz entre el cliente / servidor que permite el acceso a los datos en RT. La transferencia de datos incluye diferentes valores r elacionados con el tiempo y una cierta cantidad de información, que se define mediante la capa de Acceso a datos de OPC (DA). Esta capa se basa en la tecnología de Microsoft Windows utilizando el modelo de o bjetos componentes distribuidos (COM / DCOM) para el intercambio de datos entre c omponentes de software [15].
La especificación describe los objetos OPC-COM y sus interfaces implementadas por el servidor OPC que determina una relación con múltiples clientes; por lo t anto, esta función de comunicación entre el software DigSilent PowerFactory y los clientes OPC de National Instruments en LabVIEW se establece a través del Servidor de Simulación MatrikonOPC gratuito, como se muestra en la Fig.4. El servidor OPC debe configurarse para transferir datos bidireccionalmente en función de una prueba HiL. Posteriormente, la configuración para MatrikonOPC Simulation Server que se utiliza desde puntos de datos organizados en grupos llamados etiquetas OPC para los clientes asociados podría intercambiar datos para leer y escribir.
La implementación de PowerFactory se realiza a través de una configuración de Cliente OPC, que se establece en un modelo en línea para el intercambio de información a la frecuencia de simulación estipulada. De hecho, desde PowerFactory OPC se establece un enlace de comunicación a los Objetos de Datos Externos, y al programar el DPL se asigna un formato de identificación de etiqueta OPC a cada variable de entrada / salida [6]. Las etiquetas de salida OPC se refieren a mediciones de voltaje, corriente, potencia activa, potencia reactiva, factor de potencia, estado del interruptor, frecuencia e indicación de tiempo para cada elemento de interés del sistema de potencia; en paralelo, las etiquetas de entrada se asignan a los interruptores de señalización en respuesta a eventos de falla. NI LabVIEW permite una integración robusta con los sistemas OPC DA a través de un plug-in llamado OPC Client I / O Server que está asociado con el servicio Shared Variable Engine (SVE). Esta característica permite vincular las etiquetas OPC de un servidor OPC a variables compartidas; por lo tanto, el SVE actúa como un intermediario entre la aplicación del servidor OPC que proporciona una manera fácil de leer y escribir "Datos de variables compartidas vinculadas" en las etiquetas OPC, como se muestra en la Fig.5.
III. ARQUITECTURA DEL SISTEMA Y ESTRATEGIA DE PROGRAMACIÓN El hecho de establecer una técnica de simulación HiL entre los componentes de hardware y software, es necesario reconocer los principales agentes en este diseño: la simulación del sistema de potencia analizada, un algoritmo que toma decisiones de control e n función de los eventos que ocurrieron y el sistema integrado que ge nera las señales de medición en RT. Desde e l procesamiento de cada uno de estos actore s y dado que todos estos eventos suceden a velocidades de velocidad diferentes, una metodología de programación distribuida y paralela tiene como objetivo garantizar el rendimiento de RT del sistema de monitoreo.
El algoritmo se optimiza separando el sistema en subsistemas independientes, y cada subsistema tiene sus recursos de hardware dedicados. Como resultado, se mejora el alto rendimiento de todo el sistema debido a que la tarea se desarrolla en una arquitectura paralela de software de computación y hardware distribuido [16]. Los principales agentes de esta plataforma se m uestran en la Fig.6. Se realiza un cálculo completo del flujo de carga durante cada paso de tiempo, también se puede programar la simulación dinámica tal como eventos de falla. El simulador del sistema de potencia envía y recibe datos en el siguiente paso; luego, el primer subsistema consiste en el sistema de energía SCADA, que se desarrolló teniendo en cuenta una programación informática paralela en NI LabVIEW. A través de la comunicación de cliente-servidor OPC, el sistema SCADA tiene que actualizar el diagrama MIMIC y almacena el valor de las mediciones actuales de acuerdo con el sistema simulado. La interfaz de intercambio de datos es el segundo agente de la plataforma. Organiza y sincroniza paquetes de información entre PowerFactory y el sistema integrado NI LabVIEW. La estructura del subsistema paralelo tiene que comunicarse utilizando el enlace de protocolo de control de transmisión (TCP) de interproceso de alta velocidad con el sistema integrado distribuido a cargo para reproducir en RT las medidas de interés DAT externas. Esta integración de hardware / software es una forma versátil de trabajar con equipos de protección; los dispositivos pueden ser relés, IED, unidades de fusión, unidades de medida fasorial (PMU), y así sucesivamente.
La principal característica del hardware RT e s la concurrencia del proceso (ver Fig.8). El FPGA permite definir el hardware para que asista a los procesos en ciclos de tiempo dete rministas, de modo que el paralelismo entre las diferentes tareas, como la adquisición de datos o la generación de señales, puede ser manejado por hardware. El acoplamiento entre agentes se re aliza mediante estrategias como eventos de usuario, máquinas de estados, OPC y enlace TCP. El prototipo final de la plataforma de simulación de RT implementada para integrar los modelos de PowerFactory y las técnicas HiL se muestra en la Fig.7.
A. El proceso de validación: IEEE 9-Bus System Debido a su naturaleza y topología, el sistema de 9 nodos es adecuado para evaluar el rendimiento de un sistema de potencia que utiliza pruebas HiL. Permite muchos estudios dinámicos y transitorios entre sus elementos. Se establece una simulación de dominio de tiempo para un modelo en estado estacionario RMS en condiciones equilibradas del sistema de potencia [17]. Se realiza un flujo de carga para asegurar la convergencia del sistema, y este proceso determina las
condiciones iniciales de las variables; luego, los eventos relacionados con diferentes fallas en el sistema de potencia podrían programarse para integrar el análisis del sistema de potencia para estudiar variables seleccionadas de interés. Finalmente, la simulación se ejecuta y el usuario puede acceder a los resultados. La c omunicación OPC se establece con el sistema SCADA, que tiene la tarea de actualizar la interfaz del panel frontal con los valores actuales de simulación. La potencia activa, la potencia reactiva y la variación de frecuencia se trazan en cada paso de simulación; el estado del interruptor, el voltaje y la corriente se muestran en cada bus, la simulación del sello de tiempo también se presenta. Al mismo tiempo, la met odología HiL se incluye a partir de la generación y adquisición de señales RT. El sistema SCADA está conectado a través de TCP con el sistema incrustado CompactRIO (CRIO) 9082, que proporciona todas las medidas externas. La aplicación típica se relacionó con el uso del objetivo FPGA para reproducir variables de voltaje y corriente; sin embargo, los parámetros de entrada de estas señales analógicas senoidales provienen del intercambio de datos (tensión RMS, corriente RMS y frecuencia). Además, las entradas digitales se conectaron desde e l relé al cRIO 9082 para definir el disparo, y las señales de cierre y las salidas digitales comunican si el interruptor del sistema de alimentación la simulación es abierta o cerrada. El c aso se evalúa con un evento de falla trifásica e n la línea 5-7, el propósito es analizar el comportamiento de generación de energía en el generador número uno del sistema, y basado en la prueba HiL reproducir el estado de apertura / cierre del relé de protección. La Fig. 9 resume los re sultados de PowerFactory y LabVIEW RT y la consistencia de los archivos COMTRADE adquiridos con un relevo en las pruebas de HiL.
