Simulador de entrenamiento y certificación, para operadores de centro de control

Transcripción

1 Simulador de entrenamiento y certificación, para operadores de centro de control PhD. Gomez Targarona J. C., IPSEP Univ. Nac. Rio Cuarto, jcgomez@ing.unrc.edu.ar Ing Vaschetti J.C. GECaP, FRC Univ. Tec. Nac, jvaschetti@scdt.frc.utn.edu.ar Ing. Ibarlucea C. GECaP, FRC Univ. Tec. Nac., cibarlucea@electrica.frc.utn.edu.ar Ing. Coyos C. GECaP, FRC Univ. Tec. Nac., ccoyos@electrica.frc.utn.edu.ar Ing. Dean J., CCR EPEC, jdean@epec.com.ar Ing. Modesti M. LABSEN, FRC Univ. Tec. Nac, mmodesti@scdt.frc.utn.edu.ar Resumen -- El presente trabajo muestra la implementación de un Simulador en Tiempo Real, cuyo objetivo principal es el desarrollo de un controlador para la grilla de potencia basado en técnicas de Inteligencia Artificial, utilizando un esquema tipo HIL (Hardware in the Loop). Como segundo objetivo y en base a un convenio Universidad - Empresa, desarrollar un Entrenador para Operadores de Centros de Control que haga uso de la plataforma seleccionada. Sobre la base de un caso de biblioteca, WSCC-9 barras (Western System Coordinated Council), se presentan los resultados obtenidos, y como avance del convenio se presenta un modelo reducido de la red Provincial de Energía, que permite simular en tiempo real el comportamiento de la misma. Se presenta también la interfase gráfica del tipo HMI (Human Machine Interface), la que se comunica en tiempo real con el modelo bajo simulación. El nivel de detalle obtenido, permite estudiar fenómenos de estabilidad angular, asociados a despejes de fallas fuera de tiempo. También puede simular fallas monofásicas y trifásicas, posibilitando además certificar y entrenar operadores de Centrales y de Subestaciones. Palabras claves Simulador, sistema eléctrico de potencia, controlador, certificación, entrenamiento, procesamiento paralelo. 1. INTRODUCCIÓN Debido a la extrema alinealidad de los sistemas eléctricos de potencia, a las diferentes perturbaciones a la que están sometidos, a las distintas jerarquías, tanto temporales como espaciales de los controles que actúan sobre los mismos, a la dimensión del espacio de estado que los representa, a su formulación continua y discreta; parece una selección natural encarar el control del sistema mediante técnicas de Inteligencia Artificial [1]. Dado que la programación de estos controladores, es altamente lógico-formal, el ensayo de los mismos se hace frente a una simulación en tiempo real con estructura del tipo HIL, es imprescindible poder evaluar el efecto temporal del controlador en la evolución de la dinámica del sistema; naturalmente se desprende del simulador un entrenador para operadores [2]. Una parte importante del entrenador, lo constituyen la interfase gráfica y su intercomunicación con el proceso. Primero se trata el esquema de simulación propuesto, evaluando a continuación las posibilidades de la herramienta de simulación, presentando luego la interfase gráfica, mostrando el caso de biblioteca WSCC-9, y por último se presenta el sistema reducido de la red provincial para el entrenamiento de operadores [3]. Como premisas de diseño se fijan: Flexibilidad de la herramienta para permitir su interconexión con distintos paquetes. Soportar modelos de componentes en la gama de los sistemas de potencia. Permitir el desarrollo de dispositivos ad-hoc en caso de ser necesario. Soportar el desarrollo de controladores basados en Inteligencia Artificial. Permitir la utilización de esquemas paralelos distribuidos, con el objeto de simular modelos complejos. Escalabilidad para ser ejecutado en máquinas de diferentes tamaños. Amplia utilización en el ámbito universitario que permita su extensión a las cátedras. 2. ESTRUCTURA HIL (HARDWARE IN THE LOOP) La estructura que se presenta en la Fig. 1, tiene por objeto ensayar en tiempo real el dispositivo bajo desarrollo, en este caso el controlador. El modelo de la red que se ha desarrollado mediante la Estación de Modelado, es transferido al Computador 1

2 RTOS de ejecución en tiempo real. El modelo del controlador se encuentra alojado en el computador DDC (Direct Digital Control). Mediante esta vinculación, es posible analizar el comportamiento del controlador ante eventos que suceden en el modelo de la red, pudiendo de esta forma evaluar el desempeño del mismo. Las capas y los paquetes que se encuentran detallados en los distintos bloques, cumplen las siguientes funciones: Estación de Modelado: sobre la plataforma Windows se ejecuta la herramienta de modelado MATLAB-SIMULINK, la que permite construir el modelo de red a simular [4]. El paquete RT-LAB, procesa y distribuye el modelo para su ejecución en forma distribuida. Computador RTOS: si los requerimientos de simulación no son exigentes, el modelo se ejecuta sobre plataforma xpctarget. En caso de necesitarse procesamiento paralelo, la opción es QNX con RT-LAB Engine [2],[5]. MATLAB, se puede utilizar (OLE for Process Control). El procesamiento distribuido del modelo a simular, se logra mediante el paquete RT-LAB, el cual permite desdoblar al proceso en módulos de ejecución individual. La comunicación entre procesadores se efectúa mediante el bus FireWire IEEE1394, conectando los servidores en un esquema Daisy Chain. Siendo QNX el Sistema Operativo en Tiempo Real (RTOS) mediante el cual se gestionan los servidores, existiendo la posibilidad de utilizar Linux. 3. HERRAMIENTA DE MODELADO MODELO DINÁMICO Para modelación y simulación, se optó por un paquete de propósito general de amplia difusión en los ámbitos universitarios, que permitiese tratar diferentes aspectos de la operación y control de los sistemas eléctricos de potencia. Soportando además interconexión con otros paquetes (acceso a Base de Datos), y que de ser necesario permitiese ampliar la librería de modelos. Computador DDC: el controlador se programa mediante la herramienta MATLAB, si es necesario mayor flexibilidad, se puede recurrir al lenguaje C++. La Fig. 2, presenta el Simulador para entrenamiento de operadores, basado en las herramientas anteriores, con el agregado de la interfase gráfica HMI InTouch, el vínculo de comunicaciones es DDE (Dynamic Data Exchange) [6]. Con las nuevas versiones de Por medio el toolbox SimPowerSystems, se cuenta con modelos de: transformadores OLTC, centrales generadoras, líneas de transmisión de corta, media y larga distancia, instrumentos de medición, dispositivos interruptores, diferentes modelos de carga, resolución de flujo de potencia, etc. [4]. Cuenta además, con distintos toolboxes para implementar controladores basados en: inteligencia artificial, lógica difusa, redes 2

3 neuronales, algoritmos genéticos, paquetes de control clásico y un potente lenguaje de programación, que permite hacer uso de una amplia librería de objetos, permitiendo la interconexión y extensión. La modelación en este paquete es del tipo trifilar, esto no representa un problema, pues con la interfase gráfica es posible una presentación unifilar. La comunicación del Haciendo uso de la interfase CAD Simulink, es posible implementar un modelo en forma rápida. El paquete de ejecución RTW (Realime Workshop), permite ejecutar el modelo en diferentes tiempos: tiempo real, tiempo de máquina, acelerado y en forma fasorial, lo que permite acomodar la simulación a los recursos disponibles. En la Fig. 3, se puede apreciar el modelo WSCC9 (Western Systems Coordinated Council 9 barras). Este modelo, presenta: nueve barras, tres centrales generadoras del tipo hidráulicas, seis líneas de transmisión de media distancia, tres centros de carga, tres transformadores step-up (que vinculan las centrales a la red de alta tensión), instrumentos de medición para potencia activa y reactiva, medición de tensiones y corrientes, interruptores que permiten modelar contingencias y variar cargas. modelo con las diferentes pantallas gráficas es por medio de canales DDE (Dynamic Data Exchange). La generación se encuentra modelada utilizando una máquina sincrónica del tipo polos salientes, representada en su parte eléctrica por un espacio de estado de orden seis, utilizando la transformación d-q. Para la parte mecánica, se utiliza la ecuación de excursión (Swing equation). El sistema de excitación es del tipo DC1A del IEEE, por su parte el gobierno primario de la máquina se consigue mediante un modelo no lineal de una turbina hidráulica, un controlador del tipo PID y un servomotor. Los lazos de realimentación de potencia y velocidad, conforman un control del tipo Speed-Drop [7]. 4. HMI INTERFASE GRAFICA 3

4 La representación gráfica del monitoreo y control, exige una serie de requisitos que llevan a la utilización de un HMI profesional, El gráfico unifilar y la interface HMI del sistema WSCC9 puede apreciarse en la Fig. 4. Esta pantalla pertenece al operador del Centro de como lo es InTouch, que pueden resumirse en los siguientes puntos [6], [8], [9]: Deben poder lograrse imágenes de mímicos complejos y dinámicos, como lo son para la operación de centrales y subestaciones, no es el caso del centro de control propiamente dicho. Manejar un sistema de monitoreo y de alarmas, basado en reportes y logs soportados en base de datos. Potente comunicación con el sistema SCADA y el modelo dinámico. Poseer un lenguaje que permita manejar decisiones lógicas, basadas en los valores de las variables. Presentar un manejo flexible de ventanas, tanto en tipo como en jerarquía. Permitir representación multi-estación jerarquizada de un proceso. Control, en la que si bien los íconos son sencillos, tienen características dinámicas. Por ejemplo para indicar el tipo y sentido de los flujos, los valores, el manejo y estado de los interruptores, la posibilidad de apertura de ventanas auxiliares para reconocer alarmas y/o ampliar información sobre el evento y/o estado de los dispositivos. 5. MODELO REDUCIDO DE LA RED PROVINCIAL En la Fig. 5, si bien no es posible, por cuestiones de espacio, apreciar un nivel de detalle, la misma representa un modelo de simulación de la zona sur de la provincia de Córdoba, formulado conjuntamente con la Empresa Provincial de Energía de Córdoba (EPEC). El centro de generación seleccionado es Villa María (parte superior izquierda). El aporte desde La Pampa, está representado en la parte superior derecha, el anillo se cierra en la parte inferior desde Canals a Laboulaye. 4

5 Siendo Las Ferias, central ubicada en Río Cuarto, el aporte desde San Luis y zona norte. planteado, no representando mayor problema su sustitución. El modelo ha sido convalidado por corridas de flujo, verificándose perfiles de tensiones, ángulos y valores de flujo. Asimismo, ha sido sometido a maniobras de operación, comprobándose el comportamiento dinámico. Actualmente se está en la etapa de estudio y formulación de la interfase gráfica, basada en el sistema SCADA que posee la empresa de energía, con el objeto de enfrentar al operador con la imagen lo más real posible. También se están verificando las maniobras de operación, dispositivos de accionamiento, monitoreo, y sistema de alarmas para incluirlos en la modelización. 6. CONCLUSIONES Se cree haber logrado el nivel de modularidad, flexibilidad y escalabilidad pretendidos, con herramientas de propósito general y de amplia difusión en las Universidades. Existen alternativas de reemplazo a los paquetes utilizados, que armonizan en el esquema Es posible aún, resignando la simulación de algunos fenómenos como el colapso en tensión, reemplazar el núcleo del simulador por un programa de flujo bajo Matlab y mantener el esquema de entrenamiento propuesto. Se tiene flexibilidad, a la hora de simular los fenómenos sobre los tiempos de simulación, los que pueden ser en tiempo real, en tiempo de máquina, en forma acelerada y en forma fasorial. Aunque, en esta última se pierdan detalles sobre la evolución temporal de las señales, esta pérdida no es de suma importancia a la hora del entrenamiento de operadores, si lo es en estudios de estabilidad. El nivel de detalle en cuanto a la simulación es tal, que permite estudiar fenómenos de estabilidad angular, asociados a despejes de fallas fuera de tiempo. También es posible simular fallas del tipo monofásicas, desde ya las trifásicas, también es posible certificar y 5

6 entrenar operadores de Centrales y de Subestaciones. Actualmente el proyecto se encuentra en su fase de consolidación, desarrollándose la interfase gráfica específica y el modelado de los eventos diarios de la operación. 7. REFERENCIAS [1] K.Warwick, A.O. Ekwue and R. Aggarwal (Eds.), "Artificial Intelligence Techniques in Power Systems", The Institution of Engineering and Technology, [2] OPAL-RT Technologies, RT-LAB Professional, Product Documentation, [3] P. W. Sauer and M. A. Pai, "Power System Dynamics and Stability", Englewood Cliffs, NJ, USA: Prentice-Hall, [4] The MathWorks, MATLAB and Simulink Product family, Product Documentation, [5] QNX Software Systems, QNX Neutrino RTOS Operating System, Product Documentation, [6] Wonderware Automation Software, Supervisory HMI, In Touch software, Product Documentation, [7] P. Kundur, "Power System Stability and Control", Electric Power Research Institute, McGraw-Hill, [8] ABB Group, The Network Manager OTS, Simulated Reality, A Simulator to put network operators in control, ABB Library [9] EPRI Electric Power Research Institute, Linux PACE/OTS , EPRI Documentation, [10] Sigari P., Rafian-Naini M., Sluis K. J.; Portable and Affordable Operator Training Simulators ; IEEE Computer Applications in Power,