PAPER. Instituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Río Cuarto

Transcripción

1 Ttle Nuevo enfoque de la gestón de la red de dstrbucón de energía eléctrca Regstraton Nº: (Abstract) Insttuto de Proteccones de Sstemas Eléctrcos de Potenca Facultad de Ingenería Unversdad Naconal de Río Cuarto Authors of the paper Name Country e-mal Juan Carlos Amatt Argentna Claudo Rener Argentna German Zamanllo Argentna Edgardo Florena Argentna Key words Gestón de la red, Automatzacón de la Dstrbucón, Redes Eléctrcas Intelgentes La transformacón de la red de dstrbucón de energía eléctrca en una red eléctrca ntelgente (Smart Grds), caracterzada por un alto grado de automatsmo y la nclusón de los recursos energétcos dstrbudos, mplca un cambo en el enfoque de la gestón de la red de dstrbucón de energía eléctrca. La gestón de la rede es la herramenta fundamental para aumentar la efcenca y la fabldad. En un prncpo la gestón de la red de dstrbucón (Dstrbuton Management System) se desarrolló tenendo como base las aplcacones utlzadas en los sstemas eléctrcos de potenca (Energy Management System). No obstante las redes de dstrbucón tenen característcas partculares muy dferentes a los sstemas eléctrcos de potenca, hacendo dfícl la aplcacón de modelos como los de estmacón de estado que consttuyen la herramenta básca para el control del sstema eléctrco de potenca. En el trabajo se analza la gestón de la red de dstrbucón de energía eléctrca en sus comenzos, con los modelos de estmacón de estado aplcables; en estos casos se debe encontrar el estado eléctrco del sstema con una baja redundanca. Se establece un cambo de perspectva, dervado de la utlzacón de las tecnologías avanzadas de las comuncacones que permtan lograr los objetvos de la gestón de la red. Se presenta una metodología aplcable a la gestón de las redes de dstrbucón de energía eléctrca, que permta lograr los objetvos de aumento de la efcenca y fabldad de la red; utlzando las nuevas potencaldades de los sstemas de medda y equpamento de automatzacón. Se presenta como resultados la aplcacón de esta metodología con análss tendentes a verfcar el comportamento cuando amentan la complejdad del sstema, vara la redundanca y la nfluenca de los estados de carga de la red. 1 / 6

2 1 INTRODUCCIÓN El sstema eléctrco está atravesando por un proceso de cambo muy sgnfcatvo tendente a aumentar la efcenca y la fabldad del sstema. La falta de combustbles tradconales, sumado a la necesdad de dsmnur la emsones de CO 2, son los prncpales factores para la utlzacón de las energías renovables y en partcular de los recursos energétcos dstrbudos (Dstrbuted Electrcal Resources DER). La ntegracón de los DER al sstema eléctrco provoca un cambo sgnfcatvo en la estructura de funconamento de las redes de dstrbucón de energía eléctrca, pasando de una red pasva a una red con múltples fuentes de sumnstro de potenca, hacendo mucho más complejo su funconamento y control operatvo. Con esta nueva realdad es necesaro dotar a la red eléctrca tradconal de equpamento que aumente las posbldades de control. Los prncpales recursos corresponden con equpamento electrónco de últma generacón, sstemas de comuncacón y herramentas de gestón o manejo de la red. Los cambos de las redes eléctrcas que surgen como consecuenca de la aplcacón de las nuevas tecnologías, normalmente se las denomna como redes eléctrcas ntelgente (Smart Grd), donde la transformacón es dervada de la utlzacón de nuevas tecnologas y la posbldad de ntegracón de los DER. La automatzacón de la dstrbucón o gestón de la red de dstrbucón de energía eléctrca se nca en la década de los años noventa donde, en los países muy ndustralzados, surge la necesdad de aumentar la efcenca y la fabldad de los sstemas eléctrcos. En sus comenzos la gestón de la red eléctrca tenía como objetvo la utlzacón de herramentas nformátcas que permteran la ejecucón de funcones o aplcacones en tempo real para aumentar la efcenca y la fabldad. Los sstemas de control y adquscón de datos SCADA fueron el prmer escalón haca la operacón moderna del sstema. En los centros de control de dstrbucón el operador de la red puede vsualzar la nformacón, de meddas eléctrcas de los componentes de la red, el estado de los equpos y operar remotamente los elementos de manobra de las estacones de transformacón. La mplantacón de un sstema de gestón de la red eléctrca (Dstrbuton Management System DMS), tene un sgnfcado mucho mayor que la utlzacón de un sstema SCADA. En el DMS se procesa la nformacón de la red (meddas y estado de los componentes de manobra), para 2 / 6 determnar el estado eléctrco del sstema, defndo por las tensones complejas en los nodos de la red y luego poder ejecutar las aplcacones defndas para la efcenca y la fabldad de la red. Los DMS se pueden pensar como una extensón de los Sstemas de Gestón de la Red de Transporte o EMS (Energy Managemt Systems), que surgeron en la década de los años sesenta como una necesdad de las empresas eléctrcas de tener herramentas de manejo de la redes modernas, que permteran hacer frente al crecente aumento en la complejdad de los Sstemas Eléctrcos de Potenca. Se debe tener presente que para la época en cuestón los sstemas de comuncacón que se utlzaban en los sstemas eléctrcos de potenca eran los sstemas por onda portadora o (Power Lne Carrer), con sus nconvenentes y lmtacones. Los sstemas de comuncacón evoluconaron notablemente en las últmas décadas, permtendo la utlzacón de dstntas alternatvas en las redes de dstrbucón de energía eléctrca, en la actualdad se pueden utlzar sstemas por onda portadora, fbra óptca, sstemas nalámbrcos (UHF,VHF), Ethernet y las últmas tecnologías como Wmax, W-f etc., que permten obtener la nformacón necesara para la gestón de la red y además posbltar funconaldades como los sstemas avanzados de medcón (Advance Meterng Infraestructure AMI) o medcón ntelgente que pueden tener mucha potencaldad, entre ellas la de nteractuar con los clentes para realzar un manejo ndrecto de la carga. La gestón moderna de las redes eléctrcas mplca un cambo en el enfoque tradconal de los prmeros sstemas de DMS, los cuales estaban nsprados en los modelos aplcables a los sstemas eléctrcos de potenca (EMS). La posbldad de utlzar sstemas de comuncacón modernos que permtan dsponer de mucha nformacón de meddas del sstema; consttuye una potencaldad que debe ser aprovechada para lograr la gestón de la red eléctrca. 2 ANTECEDENTES La gestón de la red eléctrca se basa en la determnacón del estado eléctrco del sstema, defndo por las tensones complejas en los nodos, en modulo y ángulo. La metodología tradconal aplcada en los sstemas eléctrcos de potenca es la estmacón de estado, donde se aplca un modelo de estmador que procesa las meddas de las varables eléctrcas del sstema para obtener las tensones complejas. Los estmadores de estado utlzan las técncas estadístcas y un conjunto de meddas

3 redundante, que permten resolver el problema de estmacón de estado para obtener el valor de las tensones en los nodos. La solucón se basa en un conjunto de meddas redundantes, lo que determna que por cada tensón compleja que se tene como ncógnta, se tenen varas meddas de varables eléctrcas que tenen dependenca con ella. Por ejemplo, la tensón compleja en el nodo V se puede relaconar con las meddas de potencas nyectadas en el nodo (P,Q ) y las meddas de potencas de flujo P k,q k, entre el nodo y el nodo k, y con la medda del módulo de la tensón del nodo ( ). Por lo tanto en este caso para estmar la tensón compleja del nodo dsponemos de cnco meddas de varables eléctrcas que están relaconadas con la tensón compleja del nodo. La redundanca de las meddas es la relacón entre ncógntas a determnar y meddas dsponbles. Para los sstemas eléctrcos de potenca la redundanca en la estmacón de estado es alta. En los sstemas de dstrbucón de energía eléctrca normalmente la redundanca es baja, por lo tanto es más dfícl aplcar modelos de estmadores de estado utlzados en los sstemas eléctrcos de potenca. El estmador de estado muy aplcado en los sstemas eléctrcos de potenca es el de mínmos cuadrados ponderados (Wegh Least Square WLS), por sus ventajas de no tener la necesdad de la defncón estadístca de las varables de estado y su error, necesaras para otros estmadores como Bayes o Fsher. Para la estmacón del estado de la red se parte de la ecuacón de medda, que relacona las meddas con las varables de estado, defnda por: =h + (1) Dónde: = Matrz de las dervadas parcales de las funcones de medda respecto de las varables de estado. = Matrz de los pesos de las meddas o matrz de ponderacón de las meddas. Para alcanzar una solucón para los valores estmados de las varables de estado es necesaro tener un conjunto de meddas redundante y especfcar los errores de las meddas, que permtan establecer los valores de los pesos. Una vez obtendas como resultado del estmador las varables de estado, se defne el estado eléctrco del sstema y cualquer otra varable de funconamento del sstema puede ser calculada. Es necesaro remarcar que el valor de las tensones complejas en los nodos es un valor estmado que mnmza el error, entre los valores reales y los calculados por el estmador, por lo tanto el mejor estmador es el que mnmza el error [1]. Esta técnca ha sdo amplamente aplcada en los sstemas eléctrcos de potenca, partcularmente para las redes de transporte de energía, donde la redundanca de las meddas es elevada. Para poder aplcar la metodología de estmacón de estado en dstrbucón, surgen algunos problemas que los podemos resumr en los sguentes puntos: Baja redundanca de las meddas dsponbles. Muchos nodos o varables de estado a determnar en la red de dstrbucón. Complejdad de las ecuacones de medda para la red de dstrbucón, debdo a que la resstenca de las líneas no se pueden elmnar. Problemas de falta de convergenca en los algortmos de estmacón tradconales. h representa las funcones que relaconan las varables de estado con las meddas y es el error en las meddas. Para obtener el estmador WLS es necesaro aplcar el crtero de mnmzar el error o resduo ponderado defndo por la funcón objetvo: mn J( x ) m = mn = 1 2 w ( z h ( x )) El resultado del estmador de estado WLS se defne por la expresón: (2) = (3) 3 / 6 Por lo tanto se han desarrollado algunas alternatvas o técncas para poder lograr la estmacón de estado en los sstemas de dstrbucón. La gestón de los sstemas eléctrcos permte el manejo efcente del sstema y el aumento de la fabldad, debdo a que es posble realzar el control del sstema eléctrco en tempo real, aplcando funcones específcas para: Control de la operacón del sstema Control de la efcenca. Control de la Caldad de potenca. Control de la fabldad.

4 Las funcones enumeradas pueden luego dvdrse en subfuncones que pueden abarcar todos los aspectos del manejo de la red, que permtan alcanzar los objetvos planteados. permtrá lograr ventajas sgnfcatvas comparadas con las redes eléctrcas antguas. En algunos casos las empresas de energía eléctrca que en los noventa ncaron proyectos de automatzacón de su red, agregando componentes: 3 LA RED ELECTRICA INTELIGENTE La red eléctrca ntelgente (Smart Grd) se puede defnr de las sguentes maneras La red que permte utlzar los recursos energétcos dstrbudos y mnmzar el mpacto sobre la naturaleza. La red que permte determnar las sobrecargas y canalzar la potenca por otros camnos reducendo las posbldades de fallas y saldas de servco. La red que permte la comuncacón entre los consumdores y las empresas para poder optmzar la utlzacón de la energía en base a señales de precos y requstos medoambentales La rede que opera en forma automátca, que ntegra a todas las fuentes de energía dsponble para almentar las cargas de los clentes fnales, con la mínma ntervencón humana [2]. En todas estas defncones está presente la habldad o capacdad de la red, ncluda en su ntelgenca, para poder cumplr la funcón de sumnstro de potenca bajo las condcones más dversas, optmzando los recursos dsponbles y mnmzando el mpacto sobe el medo ambente. S tenemos en cuenta las propuestas de la década de los noventa sobre automatzacón de la dstrbucón o automatzacón de la red eléctrca, podemos pensar que estas defncones de la red ntelgente actualzan la tendenca de transformacón de la red eléctrca orgnal. Numerosos países han ncado proyectos plotos tendentes a expermentar la transformacón de las redes eléctrcas tradconales en redes eléctrcas ntelgente. Podemos nombrar algunos de los proyectos en desarrollo en España [3]: Proyecto Smart Cty Malaga. Proyecto Open Meter Castellón Proyecto INTEGRIS Proyecto Cent GAD En estos proyectos el objetvo es desarrollar y aplcar los cambos que supone el concepto de red eléctrca ntelgente, mplementando sstemas de comuncacón de últma generacón, ntegracón de DER, ntegracón de autos eléctrcos, meddores ntelgentes, manejo de carga entre otras. Consttuyen un mportante punto de partda para estudar esta nueva red eléctrca, que en aparenca 4 / 6 a) Equpamento de manobras de campo. b) Equpos electróncos ntelgentes (Intellgent Electronc Devces IED). c) Equpos de comuncacón. d) Centros de control con potencaldades nformátcas de últma generacón. e) Software de aplcacón para la gestón de la red. Uno de los casos paradgmátcos sobre automatzacón de la dstrbucón es la experenca de Hdro-Quebec s [4]. En la Hoja de ruta y vsón de la automatzacón de la dstrbucón, establecen un plan para el desarrollo del sstema, con un objetvo orentado haca las nuevas necesdades del negoco eléctrco: aumento de la efcenca, fabldad, recursos energétcos dstrbudos, caldad de potenca y satsfaccón de los clentes[5y6]. 4 ESTIMACION DEL ESTADO DE LA RED La estmacón del estado de la red es encontrar las tensones complejas en los nodos, que defnen el estado eléctrco del sstema. El estado eléctrco del sstema desde el punto de vsta del análss, corresponde con la condcón deal defnda por la expresón: + =0 (4) Donde las son las potencas generadas nyectadas a la red y las son las potenca consumdas de la red. Esta condcón mplca un estado de equlbro de régmen permanente donde no se producen cambos en las varables del sstema, por lo tanto la frecuenca y la tensón son constantes. Las expresones de potenca: n 2 P = ( V Yk cos ( φk ) V Vk Yk cos ( δ δk φk )) (5) Q = k = 1 k n 2 ( V Yk sen ( φk ) V Vk Yk sen ( δ δ k φk )) (6) k k = 1 Como se puede observar son funcón de las tensones complejas. De esta manera conocendo todas las potencas consumdas y todas las potencas nyectadas se puede obtener el estado eléctrco del sstema para el caso de régmen permanente; en la solucón se aplcan los algortmos de flujo de carga.

5 Para gestonar la red es necesaro obtener el estado eléctrco del sstema, utlzando las meddas de las varables eléctrcas del sstema adqurdas, por ejemplo, con el sstema SCADA. Debdo a que las meddas tenen errores atrbubles a los equpos de meddas (transformadores y transductores), a los sstemas de comuncacón, a la falta de sncronsmo de los equpos de medda, es necesaro utlzar un estmador de estado para poder encontrar de este conjunto de meddas el estado eléctrco del sstema. Este es el enfoque clásco para soluconar el problema de gestón de la red eléctrca, utlzando el estado eléctrco del sstema para poder ejecutar todas las funcones de gestón de la red enumeradas precedentemente. Durante muchos años se pensó en aplcar las msmas solucones de la estmacón de estado en el sstema eléctrco de potenca. Los cambos sgnfcatvos en la red de dstrbucón se ncan durante la década de los 90; donde las empresas eléctrcas muestran mayor nterés en la dstrbucón de energía, debdo a la mplementacón de las normas de caldad de potenca en los mercados eléctrcos abertos compettvos. El problema de la estmacón de estado en redes de dstrbucón no ha tendo la mportanca de la estmacón de estado en el sstema de transporte. Se han desarrollado propuestas de estmacón de estado aplcables a la red de dstrbucón, tenendo en cuenta las dferencas notables entre el sstema de dstrbucón y el sstema de potenca, buscando alternatvas de aumentar el conjunto de meddas y por consguente la redundanca, utlzando las denomnadas meddas vrtuales y seudo-meddas. En estos casos se aplcan modelos de carga para obtener en nodos que no se dsponen de meddas valores pronostcados que permtan elmnar el problema de observabldad. Tambén se pueden utlzar un sstema de estmacón de estado por etapas, para partr de un conjunto de nformacón con redundanca sufcente para llegar a una solucón. En muchos casos las propuestas de solucón se enfocan exclusvamente en el problema matemátco, dejando de lado la aplcabldad práctca y la búsqueda de un resultado que permta lograr la gestón de la red de dstrbucón. 5 ESTIMACION DE LA RED ENFOCADA A LA GESTION En la estmacón de la red enfocada a la gestón, se establece como objetvo determnar las funconaldades o aplcacones de gestón a mplementar y por lo tanto la nformacón o datos 5 / 6 que necestan en su aplcacón. Como ejemplo la mplementacón de una funcón del control de tensón en un ramal de dstrbucón radal, con estmar la tensón en el nodo fuente y en el nodo extremo, permtría establecer los valores máxmos y mínmos de la varacón de tensón del dstrbudor, como funcón de la carga. De esta manera es posble dsmnur la cantdad de ncógnta en los nodos ntermedos que para esta aplcacón no se necestan. Tambén es mportante aprovechar la potencaldad de los cambos en las redes de dstrbucón orgnadas por la aplcacón de técncas de automatzacón de la dstrbucón o automatzacón avanzada de la dstrbucón, que mplcan la utlzacón de sstemas de comuncacón de últma generacón y por lo tanto el aumento de datos que pueden ser utlzados en los centros de control. Tenendo como base los cuestonamentos planteados se formuló una alternatva de estmacón de estado para redes de dstrbucón donde se aplca este nuevo enfoque de realzar la estmacón de las tensones complejas que se necestan para ejecutar las aplcacones de gestón mplementadas. Para mostrar la técnca propuesta tomamos como referenca el equvalente de sstema de la fgura 1, donde se muestran los nodos con las medcones dsponbles. En este caso los valores de mpedanca de la línea se han tomados guales a 0.46+j0.39 Ω/km, que son típcos para líneas de meda tensón, con cable de aleacón de alumno de 70 mm y una confguracón coplanar, con una separacón entre los conductores de 0,9 m, las capacdades a terra se desprecan. Vj Sj Zj V MV Fgura 1: Equvalente de sstema de la red de dstrbucón La formulacón propuesta se detalla en los sguentes pasos: 1) Determnar los nodos donde se debe estmar la tensón compleja. 2) Aplcar el estmador de nodo para obtener las tensones complejas estmadas prelmnares. V S S1 Sk Ml Ik Mk Sp Zk Vk Mlk Pk

6 3) Ajustar las tensones estmadas con un flujo de carga por barrdos (backward-forward sweep). 4) Repetr la estmacón de la tensón compleja en el nodo. 5) Repetr el desde el paso 3 hasta lograr la convergenca. 6 RESULTADOS La metodología planteada de estmacón de estado en redes eléctrcas fue mplementada en Matlab y en un programa denomnado ESD en Vsual Basc, este últmo tuvo como objetvo ser una herramenta ddáctca para utlzarse en los cursos de grado y posgrado. Se han realzado numerosas pruebas con el objetvo de comparar el comportamento del estmador de estado. Las pruebas realzadas abarcaron las sguentes temátcas: 1) Complejdad de los sstemas, análss de los resultados con el aumento y dsmnucón de la cantdad de nodos. 2) Cantdad de meddas dsponbles en los nodos o redundanca. 3) Varacón de los errores de las meddas. 4) Varacón de los errores con el estado de carga del sstema. En la fgura 2 se puede aprecar un ejemplo de los resultados de la estmacón para un sstema típco de 33 nodos. vector aleatoro de meddas con errores; pudéndose varar el error máxmo de las meddas con una dstrbucón de probabldad para el error normal. Fgura 3: Ejemplo de convergenca de los módulos de las tensones para el sstema mostrado. 7 CONCLUSIONES El método propuesto representa una alternatva para poder obtener un estmado de las tensones complejas en redes eléctrcas de dstrbucón, donde la redundanca es baja y las característcas de los componentes de la red, no permten aplcar las smplfcacones aplcables a los Sstemas Eléctrcos de Potenca. La ventaja de esta alternatva es de obtener un estmado de los nodos necesaros, con las meddas dsponbles en el nodo, y luego corregr la tensón compleja con los flujos de carga. Fgura 2: Resultados del error en la estmacón del módulo de la tensón en % En la fgura 3 se muestra la convergenca de los módulos de las tensones durante las teracones para obtener el estmado. El programa con los datos del sstema resuelve un flujo de carga que permte resolver el estado eléctrco del sstema, luego en funcón de la redundanca establecda, genera un 6 / 6 8 REFERENCIAS [1] I. Roytelman, S.M. Shahdehpour. State estmaton for electrc power dstrbuton systems n quas real-tme condtons. IEEE Transacton on Power Delvery, Vol 8, N 4, octubre de [2] F Goodman Techncal and System requerements for Advance Dstrbuton Automaton ; EPRI Report, [3] Redes Eléctrcas Intelgentes Mejor aprovechamento y mayor efcenca en la dstrbucón de la energía eléctrca; Conferenca, Madrd [4] J. Smard, V. Lavode and D. Chartrand Hydro-Québec s vson of the dstrbuton automaton, IEEE ISBN [5] R. Greer; W. Allen; J. Schenegg y A. Dulmange; Dstrbuton Automaton Systema wth Advance Feactures IEEE, [6] R. W. Ulsk; The role of Advance Automaton Dstrbuton n the Smard Grd, IEEE 2010.