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

raleon@xm.com.co jegomez@xm.com.com

Jorge Wilson Gonzalez – Gabriel Jaime Lopez – Marisol Osorio Grupo de Investigación en T&D y Grupo Automática + Diseño

Universidad Pontificia Bolivariana Medellín, Colombia

jorgew.gonzalez@upb.edu.co gabriel.lopez@upb.edu.co marisol.osorio@upb.edu.co

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

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

El proyecto SIRENA es desarrollado

gracias a la inversión en I+D realizada por XM, buscando

obtener un sistema interconectado más seguro y confiable.

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.

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:

• El tamaño y la complejidad de los sistemas de potencia dificulta su control de parte de un operador humano.

• Existen casi infinitas combinaciones de escenarios de operación y contingencias, lo cual hace impráctico el utilizar mecanismos de protección previamente simulados.

• 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. 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

atención de la demanda) y no elementos de la red en particular. La Figura 1 presenta el diagrama esquemático de un ESPIS.

ESPIS

ComunicacionesSistema de Potencia

Elementos de Medida - CT

Elementos de Medida - PT

Elementos de Medida - PMU

Elementos de Control - Brkr

Elementos de Control - Cont

Lógica de Detección

Lógica de Actuación

G

Figura 1. Diagrama Esquemático de un ESPIS

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].

IV. EL PROYECTO SIRENA

Desarrollo Regulatorio ESPIS y WAMS/WACS

Investigación y Desarrollo Tecnológico

ESPIS con tecnologías convencionales

Apropiación tecnológica PMU y WAMS

Desarrollo prototipo WAMS

Integración WAMS a Centro de Control

Desarrollo WACS

2008 2013

Estado Actual

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.

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

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]

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.

G

GG

GPMU

IDD

R

R

PMU

IDD

PMU

IDD

PMU

IDD

PMU

IDD

PMU

IDDPMU

IDD

PMU

IDD

PMU

IDD

PMU

IDD

Súper PDC

EMS/WACS

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

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

R

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.

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.

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

y se ejecutan acciones de protección y control globales del Sistema.

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.

Local – SubestaciónActuación rápida (< 2 sec)

Local – EquipoActuación muy rápida (< 200 ms)

RELÉSRELÉSRELÉS

PMUIDD

PMUIDD

Distribuida – Subárea/Región/ZonaActuación lenta (< 10 sec)

Distribuida – Sistema InterconectadoActuación lenta (> 10 sec)

RELÉS RELÉS

PMUIDD

PMUIDD

PMUIDD

PMUIDD

SCADA/EMS/NA

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.

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 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

acuerdo a la trama de datos establecida por la norma, se utiliza un ancho de banda de 4,4 kbps.

Figura 8. Localización de PMU en el Prototipo WAMS

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.

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

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.

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.

REFERENCIAS

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[16] http://www.openpdc.com

[17] http://www.psymetrix.com

[18] http://www.osisoft.com