Sistema de Respaldo Nacional ante Eventos de Gran Magnitud

Sistema de Respaldo Nacional ante Eventos de Gran
Magnitud – SIRENA
Una aplicación de Redes Inteligentes en el Sistema de Transmisión Nacional de Energía
Ramón León – Jorge Enrique Gomez
Dirección Planeación de la Operación – CND
XM S.A. E.S.P. Compañía de Expertos en Mercados
Medellín, Colombia
[email protected]
[email protected]
Jorge Wilson Gonzalez – Gabriel Jaime Lopez – Marisol Osorio
Grupo de Investigación en T&D y Grupo Automática + Diseño
Universidad Pontificia Bolivariana
Medellín, Colombia
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Abstract (Resumen)—Se presenta el proyecto SIRENA de XM,
que busca en el largo plazo implementar un Esquema de
Protección de la Integridad del Sistema (ESPIS) de nueva
generación, que permita ejercer control y protección del sistema
para prevenir y mitigar la ocurrencia de eventos de gran
magnitud en el Sistema Interconectado Nacional. El proyecto está
enmarcado dentro del esfuerzo de XM en Smart Grids,
involucrando una alta componente en I+D, ubicando al grupo
investigador a la vanguardia de estos esquemas en el mundo. El
artículo discute la necesidad de implementar ESPIS, el diseño
conceptual del WAMS/WACS, el estado actual del proyecto y los
logros alcanzados.
Palabras Claves: Blackouts, WAMS, WACS, Eventos de rara
ocurrencia, ESPIS, PMU, PDC, Planes de Defensa, Smart Grids
I.
INTRODUCCIÓN
El proyecto Sistema de Respaldo Nacional ante eventos de
gran magnitud (SIRENA) nace en julio 2007 luego del colapso
total que sufrió el Sistema Interconectado Nacional (SIN)
Colombiano. El proyecto se propone como una acción de XM
tendiente a implementar sistemas que pudiesen responder ante
El proyecto SIRENA es desarrollado
gracias a la inversión en I+D realizada por XM, buscando
obtener un sistema interconectado más seguro y confiable.
eventos de rara ocurrencia pero de gran impacto en el SIN.
A partir de los blackouts ocurridos en Estados Unidos,
Italia, Grecia y los países Nórdicos alrededor de 2003, los
operadores de sistemas de potencia, fabricantes y universidades
han impulsado diferentes alternativas de última generación que
permitan detectar, prevenir y mitigar los blackouts en los
sistemas interconectados [1]. A este tipo de aplicaciones se les
conoce como Sistemas de Defensa o WAMS/WACS [2] (Wide
Area Measurement/Control Systems), y es éste el objetivo final
del proyecto SIRENA.
Al iniciar el proyecto se encontró que no existía en el
mundo ninguna implementación comercial de WACS, pues el
estado del arte apenas estaba en la propuesta de metodologías y
estrategias a nivel académico. El proyecto se enfrentó entonces
con la decisión de esperar que se ofrecieran soluciones
comerciales o formar parte de la investigación y desarrollo de
estos sistemas. De esta forma, XM decide iniciar un proyecto
de Investigación y Desarrollo que permitiera alcanzar el
objetivo propuesto.
II.
¿COMO SE PROTEGE AL SISTEMA DE POTENCIA ANTE
EVENTOS?
Los operadores de los sistemas de potencia identifican
restricciones para el transporte de energía en la red de
transmisión utilizando unos criterios de seguridad y
confiabilidad previamente definidos en la reglamentación. El
Código de Redes [3] es la base de estos criterios en Colombia.
La práctica usual en la industria ha sido cubrirse ante eventos
“creíbles” con el fin de balancear la seguridad y la economía,
aplicando criterios de estado estacionario y estabilidad
dinámica del sistema, de manera que éste sea capaz de soportar
contingencias preestablecidas sobre la red.
atención de la demanda) y no elementos de la red en particular.
La Figura 1 presenta el diagrama esquemático de un ESPIS.
Elementos de
Medida - CT
G
Elementos de
Medida - PT
Por lo anterior, las contingencias de muy baja probabilidad
de ocurrencia usualmente no son consideradas en los análisis y
los sistemas no están diseñados para soportarlas. Sin embargo,
en los casos en donde puede existir un gran impacto en los
usuarios, es necesario identificar soluciones alternativas costo –
efectivas.
El elemento subyacente a estas prácticas es que no es
posible alcanzar una operación 100% confiable del sistema de
potencia, debido a que:
Lógica de Detección
Elementos de
Medida - PMU
Elementos de
Control - Brkr
Lógica de Actuación
Elementos de
Control - Cont
Comunicaciones
Sistema de
Potencia
ESPIS
• El tamaño y la complejidad de los sistemas de potencia
dificulta su control de parte de un operador humano.
Figura 1. Diagrama Esquemático de un ESPIS
• Existen casi infinitas combinaciones de escenarios de
operación y contingencias, lo cual hace impráctico el
utilizar mecanismos de protección previamente
simulados.
Generalmente se implementan como protección de última
línea ante eventos de baja probabilidad de ocurrencia o ante
condiciones de degradación de la red (mantenimientos
mayores, atentados, etc.). Estos son necesarios debido a que las
protecciones “normales” no están diseñadas para proteger el
sistema, ni se pretende que lo hagan, y a que, adicionalmente,
los humanos son lentos. Por lo tanto, en muchos casos para
protegerse ante eventos debe utilizarse una combinación de
hardware y software [4].
• Aun en el sistema mejor planeado ocurren eventos más
allá de lo creíble y que llevan al sistema al límite de
supervivencia, incluyendo errores humanos.
La solución más efectiva a la problemática descrita ha sido
encontrada en la implementación de Esquemas de Protección
de la Integridad del Sistema de Potencia (ESPIS).
III.
IV.
EL PROYECTO SIRENA
ESQUEMAS DE PROTECCIÓN DE LA INTEGRIDAD DEL
SISTEMA (ESPIS)
Los Esquemas de Protección de la Integridad del Sistema
de Potencia (ESPIS) son un conjunto de elementos de
protección y control que permiten detectar y controlar
condiciones anormales de operación en el Sistema. Estos
esquemas actúan sobre los equipos de la red con el fin de
minimizar la extensión y duración de eventos, así como
colapsos parciales o totales de la demanda atendida. Aunque en
la práctica están compuestos por elementos de protección, se
diferencian conceptualmente de la protección de equipos, en
que su función es proteger el sistema (la continuidad de la
Estado Actual
2013
2008
ESPIS con
tecnologías
convencionales
Apropiación
tecnológica
PMU y WAMS
Desarrollo
prototipo
WAMS
Integración
WAMS a
Centro de
Control
Desarrollo
WACS
Investigación y Desarrollo Tecnológico
Desarrollo Regulatorio ESPIS y WAMS/WACS
Figura 2. Plan de Actividades Proyecto SIRENA
El objetivo del proyecto SIRENA es implementar un
Esquema de Protección de la Integridad del Sistema (ESPIS) de
nueva generación, que permita ejercer control y protección del
sistema para prevenir y mitigar la ocurrencia de eventos de
gran magnitud. Se espera cumplir esta meta en un lapso de 3 a
5 años, involucrando una importante inversión en I+D. La
Figura 2 presenta el plan de actividades del proyecto.
La fase inicial del proyecto buscaba implementar ESPIS
con tecnologías convencionales (Relés de voltaje, corriente,
potencia, distancia, etc.). Sin embargo, la referenciación
internacional con otras empresas del sector y entidades de
investigación, así como los resultados de simulaciones
realizadas en el proyecto, mostraron que existen límites para
estas implementaciones. En particular, se ha encontrado que en
aplicaciones en donde existe un área extensa de influencia, o
dependendencia del despacho de generación o del nivel de
demanda, el uso de los ESPIS convencionales introduce riesgos
equivalentes a los eventos para los cuales están diseñados. Por
lo anterior se decidió adelantar el desarrollo de tecnología
PMU/WAMS en el SIN Colombiano [5]-[9].
El proyecto estableció que los ESPIS convencionales solo
podrían ser usados de manera confiable para cubrir:
• Eventos de frecuencia y en algunos casos los de voltaje,
incluso cubriendo grandes desbalances y aislamientos.
Por ejemplo, EDAC acelerado por df/dt.
• Eventos con alta probabilidad de cascadas con ámbito
local o zonal donde predomina la radialidad. Por ejemplo
en transformadores de conexión o en Sistemas de
Transmisión Regional.
puntos del sistema al mismo instante, permiten visualizar la
exacta diferencia angular entre diferentes puntos de la red.
Desde el inicio del proyecto, se identificó que los esfuerzos
en I+D y en desarrollo regulatorio serían fundamentales para el
cumplimiento del objetivo principal. En este sentido, en marzo
de 2008, XM preparó y presentó a la Comisión de Regulación
de Energía y Gas una propuesta conteniendo los elementos que
deben ser tenidos en cuenta para la reglamentación adecuada de
los ESPIS.
En el área de Investigación y Desarrollo Tecnológico, se
buscó el acompañamiento de la Universidad Pontificia
Bolivariana (UPB) en Colombia y de la Universidad Federal de
Santa Catarina (UFSC) en Brasil, con el fin de lograr una
óptima combinación de transferencia tecnológica y de
desarrollo de las capacidades de I+D en Colombia dentro de
esta rama de la ingeniería [10].
Las siguientes secciones presentarán en detalle cada una de
las actividades del proyecto, haciendo énfasis en los logros
alcanzados en I+D.
V. IDENTIFICACIÓN DE LAS POTENCIALIDADES DE
OBSERVACIÓN Y CONTROL DEL SIN UTILIZANDO PMU
XM y la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB) trabajan
en la actualidad en un proyecto de investigación para la
“Identificación de las potencialidades de observación y control
del SIN utilizando PMU”.
Tabla 1. Desarrollo de la Tecnología PMU en el Mundo [12]
Los WAMS no son un concepto nuevo. El mejor ejemplo
actual de esta tecnología es el sistema SCADA/EMS. Sin
embargo, tiene limitaciones en tiempos de muestreo ( >1s) y
solo permite obtener una estimación del estado del sistema, con
errores algunas veces irremediables.
Las nuevas tecnologías utilizando PMU permiten contar
con una mejor estimación de variables de operación
(Sincronización, ángulo, registros de eventos, etc.),
observabilidad casi completa del sistema de potencia y mejor
visualización de la condición eléctrica del sistema. Se puede
afirmar, que la medida sincronizada de fasores permite tener
una “imagen” instantánea del sistema de potencia, de su
comportamiento en tiempo real y de lo que está pasando en un
lugar deseado. Medidas de fasores tomadas en diferentes
En una primera fase de referenciamiento e identificación
del estado del arte, se lograron determinar las principales
aplicaciones de la tecnología de PMU, su potencial de
desarrollo y su avance alrededor del mundo, tal como se
muestra en la Tabla 1.
Los principales interrogantes definidos para el proyecto son
conocer si es posible identificar comportamientos angulares en
el sistema que permitan tomar decisiones, conocer cuál es la
ubicación óptima de los PMU para lograr una observabilidad
completa del sistema, y determinar cuál es la mejor estrategia
de integración de SCADA y WAMS dentro de un estimador de
estado.
El ángulo del voltaje en sistemas de potencia es un síntoma
muy precoz del comportamiento de la red. El estudio del
ángulo en diversas barras de un sistema permite identificar
situaciones que podrían llegar a ser peligrosas. No obstante
aparece la pregunta: ¿Qué hacer con todos los ángulos del
sistema una vez obtenidos?
La segunda fase del proyecto XM–UPB está caracterizando
el comportamiento angular del sistema en condiciones de estrés
como altas transferencias, contingencias N-1 y contingencias
extremas. Esto ha arrojado interesantes elementos de análisis
que permitirán establecer alarmas operativas y diseñar el
sistema WACS futuro. Por ejemplo, se ha encontrado que la
dispersión angular entre los extremos del sistema no supera los
30–40 grados, y que las contingencias N-1 más críticas
presentan incrementos en la diferencia angular relativamente
moderados.
Al simular contingencias extremas como disparos de
subestaciones o disparos superiores a N-1, se ha encontrado
que solo con observar el comportamiento angular es factible
identificar sub-áreas problema, como se observa en la Figura 3
y la Figura 4. El mecanismo encontrado por el proyecto es
identificar grupos angulares coherentes, medir su velocidad
angular de separación del grupo principal, y según su dirección
(adelanto o atraso), discernir si el problema involucra la
necesidad de disparar generación o carga. En este sentido, el
proyecto I+D XM–UPB está identificando las diferentes
maneras de agrupación de ángulos, la obtención de promedios
por áreas operativas, la identificación de grupos de corte
angular y la determinación de ángulos de referencia. Estos
resultados serán publicados en un futuro artículo.
Dentro del esfuerzo en ubicación óptima se ha encontrado
que los algoritmos de búsqueda exhaustiva no son adecuados
para el tamaño del sistema interconectado y se emplearán otros
algoritmos de optimización. En estimación de estado, se está
trabajando en algoritmos híbridos en sistemas de prueba IEEE.
Figura 3. Ángulos del SIN en condición normal con altas
transferencias a la costa
Figura 4. Ángulos luego de una contingencia extrema
Existen otra serie de aplicaciones fuera de línea en las
cuales pueden usarse las mediciones fasoriales, como son la
validación de modelos simulación, el cálculo de parámetros de
líneas de transmisión y la caracterización de cargas. El
proyecto está trabajando en esta línea en asocio con la UFSC,
Brasil, con un especialista de XM realizando estudios de
doctorado.
VI.
DISEÑO CONCEPTUAL DEL SISTEMA WAMS/WACS
La implementación de WAMS/WACS involucra todos los
conceptos de la medición fasorial: unidades de medición PMU,
sistemas de comunicación y cómputo, concentradores de datos
PDC, monitoreo, supervisión y estimación de estado. Pero por
encima de la combinación de todos estos elementos se tiene la
denominada inteligencia de actuación.
Los WACS no remplazarán a la protección primaria de
equipos, ni a zonas 1 y 2 o reversas. Tienen más efecto sobre
zonas 3 y protecciones de sobrecorriente. El proyecto SIRENA
propone una arquitectura funcional colaborativa y jerárquica
que permita tomar decisiones automáticas con la velocidad
adecuada y la información suficiente [13]. La Figura 5 presenta
el diseño conceptual propuesto para el WAMS/WACS
SIRENA.
En el Centro de Control se centraliza
la Estimación de Estado Distribuida,
los Datos de PMU y se ejecutan
acciones de Protección y Control
globales del Sistema
Los WACS no remplazarán a
la protección primaria de
equipos, ni a zonas 1 y 2 o
reversas. Tienen mas efecto
sobre zonas 3 y sobrecargas.
G
IDD
SCADA/EMS/NA
Distribuida – Sistema Interconectado
Actuación lenta (> 10 sec)
PMU
IDD
PMU
IDD
Distribuida – Subárea/Región/Zona
Actuación lenta (< 10 sec)
PMU
IDD
PMU
IDD
Local – Subestación
Actuación rápida (< 2 sec)
PMU
IDD
PMU
IDD
Súper PDC
G
R
PMU
PMU
PMU
R
La arquitectura jerárquica propuesta implica también una
jerarquía en las decisiones. La Figura 6 muestra la visión del
SIRENA sobre como actuarían temporalmente los diferentes
niveles de decisión. Así, el nivel más reactivo, correspondiente
a los relés de protección actúa de manera rápida, local e
independiente, sin contar con información de otros niveles. Con
esto se garantiza la actuación efectiva ante eventos, cumpliendo
los requisitos de rapidez, selectividad, seguridad y
confiabilidad de los esquemas de protección.
PMU
EMS/WACS
R
y se ejecutan acciones de protección y control globales del
Sistema.
IDD
IDD
IDD
Local – Equipo
Actuación muy rápida (< 200 ms)
PMU
IDD
IDD
En cada S/E se
implementa un grupo
PMU + PDC con un
IDD para Estimación
de Estado, Protección
y Control Local
En cada Región de
Control grupos de PDC
e IDD colaboran para
Estimar Estados y
ejecutar acciones de
Protección y Control
PMU
IDD
PMU
PMU
IDD
IDD
Los Intelligent Decision
Devices (IDD) son elementos
de software que permiten
tomar decisiones distribuidas
utilizando información local o
regional de los PMU y El
Estado de las Subestaciones.
PMU
G
G
RELÉS
RELÉS
RELÉS
RELÉS
RELÉS
PMU
IDD
Figura 5. Diseño Conceptual WAMS/WACS SIRENA
Se introduce el concepto de Intelligent Decision Devices
(IDD), como elementos de software que permiten tomar
decisiones distribuidas utilizando información local o regional
de los PMU y SCADA local. En cada S/E se implementa un
grupo PMUs + PDC integrado con un IDD para protección y
control local, trabajando en conjunto con las salidas de los relés
de protección. En cada Región de Control grupos de PDC e
IDD colaboran para intercambiar información, adquirir datos y
ejecutar acciones de protección y control. Finalmente, en el
Centro de Control se centralizan los datos de PMU/PDC e IDD
Figura 6. Jerarquía en tiempos de actuación WACS SIRENA
Los niveles superiores colaboran entre sí, dependiendo de la
extensión del evento extremo al que se enfrenta el sistema. Por
lo tanto, si se presenta un evento con alcance regional, la
decisión puede ser distribuida y colaborativa entre diferentes
IDD y las acciones resultarán del intercambio de datos e
información entre ellos. En este caso, los tiempos de actuación
serán más lentos, pero consistentes con la magnitud del evento
y de los tiempos de latencia de las comunicaciones
involucradas. Un evento de característica global puede ser
atendido por el centro de control tomando más información
desde todos los IDD del sistema.
VII. PROTOTIPO WAMS DE XM
El sistema inicial de monitoreo de oscilaciones contó con 4
PMU en calidad de préstamo retiradas a final de 2009. Se
implementó dentro de un proyecto paralelo al SIRENA que
buscaba identificar y mitigar las oscilaciones de muy baja
frecuencia que se presentaban en el SIN desde 2008. Como
resultado de ese proyecto se logró que el prototipo WAMS de
SIRENA contara con una aplicación completamente funcional
de Monitoreo de Estabilidad y de Análisis Post-Operativo.
acuerdo a la trama de datos establecida por la norma, se utiliza
un ancho de banda de 4,4 kbps.
Dentro del esfuerzo de apropiación tecnológica, XM
desarrolló su propio equipo PMU con el fin de conocer de
primera mano la tecnología de medición fasorial y la
implementación del estándar IEEE C37.118 de 2005 [14]-[15].
El énfasis se ubicó en sincronización, algoritmos de cálculo de
fasores y comunicaciones. En la Figura 7 se muestra la interfaz
de usuario de la PMU desarrollada por XM.
En junio de 2009 se instaló en la subestación Esmeralda
230 kV el primer prototipo de la PMU-XM como parte de un
sistema inicial para el monitoreo de oscilaciones en el SIN.
Posteriormente se han instalado otros equipos, los cuales hacen
parte actualmente del prototipo WAMS implementado por XM.
Figura 8. Localización de PMU en el Prototipo WAMS
Figura 7. Interfaz de Usuario de la PMU-XM
El sistema prototipo de medición fasorial sincronizada
implementado por XM dentro del proyecto SIRENA contempla
la supervisión de 12 subestaciones del STN, tal y como se
ilustra en la Figura 8. Este cuenta con una combinación de
PMU desarrolladas por XM y otras de dos fabricantes
diferentes con el fin de identificar posibles problemas de
integración.
Las PMU están programadas para transmitir 12
fasores/segundo utilizando un protocolo mixto TCP/UDP y en
16 bits. Lo anterior significa que por cada campo supervisado,
es decir, 3 fasores de voltaje y 3 fasores de corriente, y de
A medida que se incrementa la tasa de muestreo y el
número de fasores, el impacto sobre el ancho de banda
requerido es importante. Por lo tanto, el proyecto ha diseñado
una arquitectura de datos que permita mitigar este impacto.
El diseño e implementación de la arquitectura de
información ha resultado de la colaboración entre XM y la
UFSC. La arquitectura propuesta comprende la integración de
las herramientas OpenPDC, Phasor Point y Osisoft PI, en una
red jerárquica de PDC tal como se muestra en la Figura 9. Con
esto, adicional al beneficio de controlar el ancho de banda
requerido, permite utilizar la información de los sistemas de
medición propios de cada empresa y compartiendo la
información relevante con el operador nacional. En el largo
plazo, se prevé contar con una red WAN que interconecte los
diferentes elementos, la cual será también soporte para las
Smart Grids del sistema colombiano.
La arquitectura propuesta permite incrementar la cantidad
de PMU del sistema WAMS de manera dinámica y manejar
niveles de redundancia y confiabilidad para el sistema
WAMS/WACS. Como puede observarse, esta arquitectura
representa la implementación física del diseño conceptual
presentado en la sección anterior.
2012 – 2013 y la implementación de tecnologías WACS de
control automático ante eventos de gran magnitud. También se
ampliará el grupo de Universidades y Empresas en el proyecto
SIRENA, con el fin de optimizar el esfuerzo en I+D. En esta
línea, el sistema WAMS se extenderá a las redes de Transelca y
EPM, e integrará a la Universidad Tecnológica de Pereira y la
Universidad de los Andes.
Como temas específicos, se profundizará en la
caracterización de los puntos de operación del sistema, y el
comportamiento angular ante eventos extremos, con lo cual se
puedan desarrollar advertencias, alarmas y esquemas de
protección para la operación en tiempo real. Se realizará
también investigación de modelos de estimación de estado
híbrido y distribuido que permitan mejorar la observabilidad
del sistema, el desarrollo de algoritmos de localización óptima
de PMUs para lograr completa observabilidad del sistema.
El proyecto SIRENA investigará metodologías de
detección, previsión y mitigación de apagones en sistemas de
energía eléctrica utilizando medición fasorial como trabajo
doctoral de un Especialista de XM.
Figura 9. Arquitectura de Información Prototipo WAMS
El diseño del prototipo prevé utilizar el software OpenPDC
[16] como concentrador regional y central de datos de PMU,
aprovechando su calidad de Open-Source, lo cual permite
también desarrollar aplicaciones académicas dentro del
esfuerzo de I+D. Se utiliza también el software Phasor Point
[17] como herramienta principal del sistema WAMS del CND
y para el monitoreo de la estabilidad dinámica del SIN. En el
futuro se busca implementar capacidad WACS en colaboración
con Psymetrix, la empresa fabricante. Por último, se utilizará
Osisoft PI [18] como repositorio histórico de datos y para el
diseño de despliegues en el centro de control.
El proyecto ha desarrollado herramientas complementarias
para el sistema WAMS, requeridas para la implementación del
diseño conceptual. Entre ellas están un motor de simulación
AC/DC del sistema de potencia y un estándar de intercambio
de datos de simulación basado en CIM/XML, dado que el
formato actual IEEE no cumple con lo requerido.
VIII. TRABAJO FUTURO
Las fases futuras del proyecto comprenden la integración al
Centro de Control de Nueva Generación que instalará XM en
En 2010 y 2011, se impulsará con la CREG el desarrollo
regulatorio necesario para la implementación de sistemas
WAMS y WACS en el SIN (Propiedad, Responsabilidad,
Remuneración).
IX.
CONCLUSIONES
El proyecto SIRENA ha superado las etapas de asimilación
de la tecnología de PMU y de identificación de su
potencialidad. El proyecto de I+D XM–UPB y el diseño
conceptual del SIRENA han establecido las bases para las
futuras implementaciones de WAMS/WACS. Finalmente, con
la instalación del prototipo WAMS en 12 subestaciones del
STN, con las herramientas de monitoreo de estabilidad y el
diseño e implementación de la arquitectura de información, se
ha desarrollado una plataforma sólida de investigación para las
siguientes fases del proyecto.
Lo logrado hasta hoy, ha puesto al sector eléctrico
colombiano en el grupo de vanguardia que lidera la I+D de esta
nueva tecnología, y ha permitido a XM pertenecer al grupo
élite de operadores de sistemas de potencia que procuran
implementar sistemas WACS para la detección, prevención y
mitigación de apagones.
RECONOCIMIENTOS
El proyecto agradece a los jóvenes investigadores Carolina
Escobar, José David Restrepo, Julián Castaño Marín, Camilo
Villarreal, Jorge Eduardo Cardona por su gran compromiso.
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