Resumen. Palabras clave. Boletín IIE abril-junio-2011 Artículo de investigación

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1 88 On-Line Simulator of Electrical Distribution Networks for Decision Support in Distribution Control Centers (Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo en la toma de decisiones en Centros de Control de Distribución de la CFE) Alfredo Espinosa Reza 1, Agustín Quintero Reyes 1, Raúl García Mendoza 1, Tito Manuel Calleros Torres 1, Jesús Fidel Borjas Díaz 2, Benjamín Sierra Rodríguez 2 y Rafael Torres Abrego 2 Resumen Artículo presentado originalmente en la 12th WSEAS International Conference on Automatic Control, Modelling & Simulation ACMOS 10, WSEAS, Catania, Sicilia, Italia, Mayo 29-31, Se presenta la arquitectura física, lógica y funcional diseñada para integrar el Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución (SED) desarrollado para la CFE y los Centros de Control de Distribución de energía eléctrica en México. El objetivo del Simulador del SED es integrar funciones de ingeniería de distribución (flujo de potencia, corto circuito, reconfiguración óptima, confiabilidad, entre otras) y un sistema experto (Razonamiento Basado en Casos) para apoyar el proceso de análisis de información, la toma de decisiones y la capacitación en los Centros de Control de Distribución Zonales y Regionales de CFE. El Simulador del SED se encuentra instalado, actualizado y en operación en la Zona Tampico y en la División de Distribución Golfo Centro como un producto consolidado y en constante evolución a la par de la dinámica operativa real. Palabras clave Simulador, Sistema Eléctrico del Distribución (SED), Red de distribución eléctrica, Datos en tiempo real, Datos en línea, SCADA, DMS, Restauración óptima de fallas, Sistema de Soporte a Decisiones (DSS). 1 Instituto de Investigaciones Eléctricas 2 Comisión Federal de Electricidad

2 Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo en la toma de decisiones en Introducción Actualmente, los centros de control de distribución cuentan con sistemas SCADA que en caso de fallas, permiten monitorear y operar equipos de seccionamiento remotos mediante telecomandos, o bien, en caso de equipos manuales, operan mediante el envío de cuadrillas directamente al posible punto de falla. La capacidad de respuesta ante fallas o eventos depende directamente del conocimiento y experiencia del Operador en turno, este conocimiento y experiencia es adquirido principalmente en el Centro de Control de Distribución mediante entrenamiento en línea en el trabajo (on the job training), por lo que no cuentan con la oportunidad de experimentar, analizar y comparar resultados de diversas maniobras. Este esquema de operación impide llevar a cabo reconfiguraciones de prueba de las redes de distribución para observar comportamientos, analizar índices de confiabilidad y así apoyar la toma de decisiones. Ante esta situación, el Simulador del SED es una herramienta de ingeniería que permite realizar estudios de comportamiento y de predicción a corto plazo con información actualizada en línea para establecer planes de operación normal y de contingencia, estrategias de restauración óptima soportada por cálculo de índices y funciones objetivo, así como verificación automática de niveles operativos y de seguridad (perfil de voltaje, cargabilidad, minimización de pérdidas, entre otros). Objetivos del SED El Sistema Eléctrico de Distribución (SED) es la parte del Sistema Eléctrico Nacional (SEN) comprendida en un área geográfica determinada, contiene instalaciones en alta, media y baja tensión para suministrar el servicio de energía eléctrica a los clientes de la empresa (Utility) en los diferentes niveles de tensión. Los Centros de Control de Distribución de la CFE están constituidos para operar, supervisar y garantizar el suministro en media y baja tensión del SED, conforme a compromisos establecidos con el cliente y en cumplimiento con los objetivos básicos de seguridad, continuidad, calidad y economía. Las funciones básicas de los Operadores del SED en los Centros de Control de Distribución son: Operar y supervisar el SED que está bajo su responsabilidad, con seguridad, calidad, continuidad y economía, de conformidad con las Reglas del Despacho y Operación del SEN. Analizar solicitudes de libranza y autorizar licencias de equipos. Administrar licencias sobre el equipo que comprende el SED en el ámbito de la Zona. Elaborar reportes e informes de resultados sobre la operación del SED en el ámbito de una Zona. Analizar y coordinar los trabajos para integrar nuevas instalaciones al SED. Mantener actualizados los diagramas unifilares de subestaciones y circuitos. Analizar eventos y disturbios que afectan el suministro de energía y elaborar planes de contingencia. Supervisar el cumplimiento de los compromisos de suministro en circuitos de alta y media tensión. Dar seguimiento a la disponibilidad de la red y de los equipos instalados en el SED (equipo telecontrolado, de seccionamiento, transformadores, etc.). Atender las solicitudes de los clientes en alta tensión (libranza, restablecimiento y características del voltaje). En este contexto, un Operador del SED debe vigilar el cumplimiento de diversos índices para cada objetivo: Seguridad: Confiabilidad, disponibilidad. Continuidad: Tiempo de Interrupción por Usuario (TIU), tiempo de restablecimiento, libranzas. Calidad: Armónicas, sags, desbalance, swells, flicker. Economía: Productividad, pérdidas, costos. Con las herramientas tradicionales de los Centros de Control de Distribución, el calcular y vigilar algunos índices no es una tarea sencilla, ya que es necesario el manejo de modelos matemáticos complejos, análisis numérico y secuencias de cálculo que pueden consumir mucho tiempo y recursos.

3 90 De esta manera, surge la necesidad de diseñar, integrar, instalar y operar una herramienta informática de apoyo a las actividades sustantivas de los Operadores del SED y así contribuir al plan estratégico y mejoramiento de los niveles de productividad y competitividad de la CFE. Arquitectura lógica La figura 1 muestra la arquitectura lógica con la que fue conceptualizado y materializado el Simulador del SED. Se muestran las interfaces básicas de acceso a datos de otros sistemas, entre los más importantes: Interfaz SCADA. Obtiene información de los elementos del SED en tiempo real (tan rápido como los medios de comunicación remota lo permitan). Considera mediciones y estado de interruptores. Interfaz GIS. Fuera de línea extrae y acondiciona la información de topología de la red, considerando su ubicación georeferenciada, así como los datos eléctricos, físicos y geométricos. Los datos de placa y parámetros eléctricos se completan utilizando una librería de elementos estándar basada en normas de construcción, así como en manuales de fabricantes. Interfaz para datos de operación. En línea, en caso de una falla, extrae información operativa de los elementos en el SED que se encuentran involucrados en la falla, así como de aquellos que pueden apoyar en la solución mediante la transferencia de carga (carga máxima, así como registros de fallas y mantenimiento). Figura 1. Arquitectura lógica del Simulador del SED instalado en la Zona Tampico. Funciones básicas. El núcleo del Simulador considera las funciones de ingeniería de distribución incluidas de manera nativa en la herramienta de análisis y planeación de redes NEPLAN, la cual fue evaluada, seleccionada e integrada utilizando una arquitectura especialmente desarrollada y validada. [4] Funciones adicionales. Con el objeto de acceder de manera consistente a las diversas herramientas del Simulador del SED, se diseñaron, integraron y validaron varias funciones que permiten mantener una operación confiable del mismo, entre las más importantes están el administrador de una memoria compartida [6] [7] [8], el administrador de transacciones, el analizador de datos en tiempo real, así como el gestor de usuarios, roles y privilegios. Registro histórico. Con los datos adquiridos en tiempo real se almacena permanentemente un registro persistente de la información, de manera que se tiene la capacidad de recrear eventos y situaciones ocurridas en cualquier momento. Base de conocimiento. Esta base incluye los procedimientos aplicados por un Operador experto del SED, así como información de los clientes importantes conectados en este sistema. Con esta información, el Sistema Experto está dotado de la capacidad de analizar y evaluar las posibles estrategias de restablecimiento. Sistema Experto. Esquema de inteligencia artificial con Razonamiento Basado en Casos (CBR), que en caso de una falla o disturbio en la red eléctrica, emite una recomendación de restablecimiento, la cual considera cálculo de índices y funciones objetivo, así como verificación automática de niveles operativos y de seguridad como son el perfil de voltaje, cargabilidad y pérdidas, entre los más importantes.

4 Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo en la toma de decisiones en Recomendación de operación. Estrategia de restauración óptima soportada por el cálculo automático de alternativas de restauración, así como la evaluación de cada una de las alternativas técnicamente factibles para definir la mejor, considerando, además de los índices técnicos y criterios objetivo, los clientes importantes que quedarán fuera de servicio durante la reparación de la falla. Arquitectura física Zonal El Simulador del SED en su configuración Zonal permite el acceso a datos de los sistemas SCADA mediante tres opciones: tecnología de replicación de datos en tiempo real, protocolo DNP 3.0 maestroesclavo o interfaz de datos OPC (OLE for process control). Una vez adquiridos los datos en tiempo real, estos se empaquetan y se envían al Simulador del SED definido como Regional, de manera que el sistema Regional acumulará el total de datos SCADA de todos los Simuladores del SED Zonales que se requieran. Figura 2. Arquitectura física Zonal del Simulador del SED instalado en la Zona Tampico. Adicionalmente, para la configuración Regional, el Simulador del SED se integró en un centro de monitoreo y análisis del SED, el cual cuenta con la capacidad de monitoreo remoto de los sistemas SCADA de las Zonas que conforman una Región o División si así se define. De esta manera, se cuenta con la capacidad de analizar el SED en tiempo real, considerando la operación real, así como las estrategias de restablecimiento emitidas por el Sistema Experto del Simulador del SED. Arquitectura física Regional El Simulador del SED Regional, además de acumular los datos de todos los Zonales, también es de operación idéntica e independiente, de manera que a nivel Regional se tiene la capacidad de analizar maniobras normales o de contingencia, considerando los enlaces o alternativas de restauración entre redes de distribución Zonales, o incluso, considerando el efecto de las redes de alta tensión que se interconectan. Figura 3. Arquitectura física Regional del Simulador del SED instalado en la División Golfo Centro.

5 92 Figura 4. Pantallas del Simulador del SED con resultados del Sistema Experto. Sistema Experto El Sistema Experto integrado [4] ejecuta la siguiente secuencia: Mediante un monitoreo constante de la información SCADA y comparando los datos medidos en campo contra la configuración actual del SED, se detecta automáticamente cuando ocurre un evento clasificado como fuera de lo normal o contingencia, el cual puede deberse a una falla o a un disturbio en la red de distribución. Cuando un evento es detectado, automáticamente se muestra al Operador un mensaje informando la situación con el circuito involucrado y el Simulador del SED solicita confirmación para la ejecución de los algoritmos del Sistema Experto. Si el Operador ignora o cancela el aviso, se cancela la ejecución automática y el Simulador del SED regresa a su operación normal (para el caso de maniobras planeadas o apertura/cierre de restauradores). Si el Operador confirma que es un evento fuera de lo normal o contingencia, el Simulador del SED le solicita ubicar la falla en la red de distribución y elabora el escenario de la falla, dejando a la herramienta de análisis NEPLAN sin actualización automática de datos SCADA. El Simulador del SED hace uso del módulo de Estrategia de restauración óptima de la herramienta de análisis NEPLAN para obtener la evaluación técnica de restauración considerando 4 criterios objetivo. El Simulador del SED toma la respuesta de la herramienta de análisis NEPLAN y los emite al Sistema Experto. El Sistema Experto recibe la petición de ejecución junto con la información técnica depurada de las cuatro opciones de restauración y aplica dos criterios de análisis: Con base en un algoritmo de Razonamiento Basado en Casos (CRB), encuentra al vecino más cercano de la solución óptima (cero pérdidas, toda la carga recuperada, sin violaciones de cargabilidad o voltajes, etc.). Evalúa la cercanía de cada una de las cuatro alternativas técnicas y las califica. Recupera la lista de clientes importantes que quedarán fuera de servicio durante el proceso de restauración y calcula un índice de factibilidad de cada plan. Se calcula un índice de recomendación total y se emite una respuesta al Simulador del SED con el resultado obtenido. El Simulador del SED obtiene la respuesta del Sistema Experto, emite la recomendación al Operador incluyendo la lista completa de clientes importantes que quedarán fuera durante el proceso de restauración. Al mismo tiempo que el Simulador del SED solicita la ejecución del Sistema Experto, también inicia la consulta de otros sistemas externos con información histórica operativa y de fallas, tales como el SIAD y SIPASD (también es posible configurar otros sistemas), el resultado de las consultas se muestra como gráficas de tendencias y listados de fallas de todos los equipos y parámetros involucrados en la falla y en la restauración (voltajes, corrientes, potencia real y reactiva, etc.). El Operador, con base en la información mostrada, su experiencia y criterio, toma la decisión de la estrategia a seguir y la selecciona en la herramienta de análisis NEPLAN para que sea guiado en cada una de las maniobras a ejecutar. La herramienta de análisis NEPLAN continúa con la ejecución de su módulo de Estrategia de restauración óptima y muestra al Operador la secuencia de aperturas y cierres de interruptores para aislar y reparar la falla, así como para normalizar la red de distribución. En el proceso es posible consultar los indicadores de la falla, tales como: carga no recuperada, perfiles de voltaje, índices de cargabilidad, entre otros. Una vez concluidas las maniobras de restauración de la falla, se concluye la ejecución del módulo del Sistema Experto y el Simulador del SED continúa en línea conectado al SCADA con la información adquirida en campo.

6 Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo en la toma de decisiones en Resultados El Simulador del SED se encuentra instalado en la CFE en la Zona Tampico en su configuración Zonal y en la División Golfo Centro en su configuración Regional. Desde su instalación en diciembre de 2008 se han realizado mediciones de su uso y beneficios, llegando a las siguientes conclusiones: El Simulador del SED en la Zona Tampico y en la División Golfo Centro se encuentra operando con la red eléctrica real y actualizada en modo de diagramas unifilares, incluyendo las reconfiguraciones y cambios en subestaciones (modificaciones y nuevas). El Simulador del SED cuenta con datos SCADA en tiempo real y registro histórico confiable. En caso de fallas en la red, el Simulador del SED genera estrategias de restablecimiento similares a las acciones que toma un Operador experto para resolver la situación presentada. En caso de fallas en la red, el Simulador del SED calcula y muestra información de valor para el Operador, hasta ahora no se contaba con alguna herramienta de software o medios de acceso eficiente para evaluar la información de cargas no recuperadas durante la reparación de la falla, de clientes importantes afectados y del impacto de la falla, así como del comportamiento operativo basado en los datos de medición real en alimentadores. El registro histórico del Simulador del SED permite contar con una herramienta confiable para el análisis de maniobras ejecutadas y la planeación de las nuevas maniobras basadas en datos reales medidos por el sistema SCADA de la Zona. Con el registro histórico del Simulador del SED, se han podido validar maniobras previamente ejecutadas considerando la situación real que prevalecía en el momento de la maniobra, lo que permitirá en el futuro incrementar el nivel de certeza de éxito y minimizar la incertidumbre o posibilidad de error en la maniobra por violación de límites físicos y operativos del equipo eléctrico y de conducción en la red. Desempeño En operación normal el Simulador del SED permite realizar análisis de libranzas reales de bancos de transformadores en un lapso de 30 minutos, incluyendo la documentación de soporte a la maniobra (este proceso puede tomar de manera normal hasta dos semanas, considerando herramientas y procedimientos manuales en Centros de Control de Distribución sin el Simulador del SED instalado). Figura 5. Centro de Control de Distribución de la Zona Tampico de la CFE con el Simulador del SED instalado.

7 94 En contingencia, en caso de una falla o disturbio en la red, el evento se detecta automáticamente en menos de 10 segundos (tiempo configurable para operación real). A partir de la ubicación de la falla el algoritmo completo del Sistema Experto se ejecuta en 35 segundos y genera recomendaciones de restablecimiento similares a las que obtiene un Operador experto con más de 10 años de experiencia en la red bajo análisis. En un lapso de 3 minutos se muestran las curvas operativas, histórico de fallas y mantenimientos de los elementos bajo falla y de aquellos que puedan apoyar en el proceso de restauración. La inserción de datos SCADA a la herramienta de análisis NEPLAN se realiza en menos de 1 segundo considerando 1,000 valores medidos analógicos y digitales. Beneficios El Sistema Experto actúa como un Operador con mucha experiencia en la configuración y operación del SED. Además, apoya al Operador real con información adicional o complementaria para la toma de decisiones en el momento mismo de la falla. En la recomendación de restauración se consideran parámetros o criterios que normalmente no son fáciles de evaluar, tales como pérdidas o perfiles de voltaje. En la recomendación de restauración se considera la posible combinación de múltiples fallas ocurridas de manera simultánea como en el caso de atención de contingencias por desastres naturales. El Simulador del SED muestra tendencias de voltajes, corrientes y potencia para que el Operador evalúe el perfil de los elemento en falla y del elemento de apoyo a la recuperación de carga, durante la reparación de la falla y hasta la normalización del SED. El Simulador del SED se encarga de recuperar los datos históricos operativos y de fallas de forma automática, los presenta de forma gráfica y evita que el Operador pierda tiempo en su recuperación y formateo correspondiente. La interfaz gráfica de usuario (GUI) considera criterios de usabilidad para minimizar la interacción del Operador y mostrar ágilmente los resultados obtenidos. Por su definición de arquitectura, el Simulador del SED fue desarrollado con la filosofía del Modelo CIM, establecido por las normas IEC e IEC Actualmente su modelo está integrado a la arquitectura e infraestructura de interoperabilidad de Sistemas de Gestión de la Distribución (DMS) para la CFE y está siendo usado para la generación y validación de Perfiles e Instancias CIM/XML. Figura 6. Centro de monitoreo y análisis del SED en la División Golfo Centro de la CFE con el Simulador del SED instalado.

8 Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para apoyo en la toma de decisiones en Conclusiones Con el proyecto del Simulador del SED, se demuestra que en México sí es posible el desarrollo de productos tecnológicos con alto grado de innovación, que impacten de manera positiva en los procesos sustantivos del suministro de energía eléctrica. Actualmente el Simulador del SED está apoyando el desarrollo de las actividades sustantivas de los Operadores del SED en la Zona y División en que se instalaron, así como el proceso de análisis y propuestas de mejora, por ejemplo, sustentar una reconfiguración con el objeto de minimizar pérdidas e incrementar la confiabilidad. El Simulador del SED integra diversas tecnologías y productos que han demostrado en conjunto ser una solución para el mejoramiento de los objetivos operativos del SED. Reconocimientos Los autores quieren reconocer el esfuerzo de las siguientes personas que de manera incondicional apoyaron el desarrollo del proyecto del Simulador del SED: IIE: Alejandro Villavicencio Ramírez, Heidi Barrera Monje, Eider Amores Campos, Venecia Zambrano Domínguez, Carlos Uribe Blanco y Luís Eleazar Matías Pérez. CFE: José G. Del Razo Contreras, Héctor Pérez Escamilla, Leopoldo Meza Olvera, Rafael Torres Cervantes y Francisco Gallardo Rodríguez. GERS: Claudia X. Granada y César A. Gallego. Referencias A. Espinosa, A. Quintero, et. al., Especificación funcional del simulador, documento interno IIE/ GSP/13155/01/P, Junio A. Espinosa, A. Quintero, et. al., Evaluación de paquetes comerciales, documento interno IIE/ GSP/13155/02/P, Octubre A. Quintero, A. Espinosa, et. al., Especificación del módulo experto para la emisión de recomendaciones de operación, documento interno IIE/ GSP/13155/10/P, Octubre F. Borjas, A. Espinosa, A. Quintero, B. Sierra, R. Torres A., An architecture for integrating an Expert System with NEPLAN in a DMS/EMS operational environment, Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, San Antonio, TX, USA, October 2009, pp L. Matías, A. Espinosa, A. Quintero, J. del Razo, B. Sierra, Desarrollos y aplicaciones de nuevas tecnologías en los sistemas de administración de la distribución de la energía eléctrica, IEEE - 21ª reunión de verano de potencia, aplicaciones industriales y exposición industrial, RVP-AI/2008, Acapulco Guerrero, México, del 6 al 12 de julio de A. Espinosa, A. Sánchez, A. Quintero, Shared memory in Win32 for systems integration using file mapping, The 2nd International Symposium on Energy, Informatics and Cybernetics EIC 06, International Institute of Informatics and Systemics IIIS and Energy Institute of The Americas. July 16-19, 2006, Orlando, Florida, USA. A. Espinosa, A. Sánchez, J.M. Suárez, A. Quintero, A strategy to integrate legacy systems, 15th International Conference on Software Engineering and Data Engineering SEDE-2006, International Society for Computers and Their Applications ISCA. July 6-8, 2006, Los Angeles, California, USA. A. Sanchez, A. Espinosa, J.M. Suarez, An strategy to share data among multi-platforms process information systems, IEEE Electro/Information Technology Conference, May 22-25, 2005, Lincoln, Nebraska, U.S.A.

9 96 ALFREDO ESPINOSA REZA Ver currículum en la pág. 55. AGUSTÍN QUINTERO REYES Ingeniero Electrónico en Instrumentación, egresado del Instituto Tecnológico de Ciudad Guzmán en Maestro en Ciencias de la Electrónica con especialidad en Control por el CENIDET en 1990, año en el que también ingresó a la Gerencia de Supervisión de Procesos del IIE, donde ha trabajado principalmente en el área de desarrollo e integración de sistemas para centrales generadoras de energía eléctrica. Ha dirigido proyectos de especificación, diseño, desarrollo y/o evaluación de sistemas para la automatización de procesos industriales. Llevó a cabo el desarrollo e implantación de un sistema inteligente de ayuda para la operación de unidades termoeléctricas, en el cual incursionó en el área de inteligencia artificial para el desarrollo de sistemas basados en conocimiento. RAÚL GARCÍA MENDOZA [rgarcia@iie.org.mx] Ingeniero Mecánico Electricista con especialidad en Electrónica por la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán, de la Universidad Nacional Autónoma de México en Maestro en Ciencias Computacionales del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey en Ingresó al IIE en 1990, donde ha diseñado, desarrollado e integrado sistemas de información en tiempo real, para la supervisión, control y diagnóstico de procesos relacionados con la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. Actualmente colabora en el desarrollo de la arquitectura e infraestructura de interoperabilidad semántica soportada por el modelo CIM, para sistemas de información en el contexto de la distribución de energía eléctrica de la Comisión Federal de Electricidad. TITO MANUEL CALLEROS TORRES [tcalleros@iie.org.mx] Licenciado en Informática egresado de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos en Ingresó a la Gerencia de Supervisión de Procesos del IIE en Ha participado en proyectos de especificación, diseño y desarrollo de interfaces de datos de información geográfica, histórica y operativa para el Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución (SimSED), así como en el proceso de adopción, uso y explotación del Modelo CIM (Modelo de Información Común) definido en las normas IEC61968 e IEC61970, mediante el desarrollo de adaptadores CIM en modo estático y dinámico.