CONGRESO INTERNACIONAL DE DISTRIBUCION ELECTRICA CIDEL ARGENTINA 2002

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1 CONGRESO INTERNACIONAL DE DISTRIBUCION ELECTRICA CIDEL ARGENTINA 2002 ESTIMACIÓN DE LA LOCALIZACIÓN DE PROTECCIONES ACCIONADAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN CON SISTEMA DE TELEMEDIDA LIMITADO. Ing. Rodolfo Rosés Instituto de Energía Eléctrica, Universidad Nacional de San Juan Ing. Daniel Castro Energía San Juan S.A. ARGENTINA Palabras Clave Operación. Protección. Restauración. Control de Redes de Distribución. Localización de Fallas. SCADA 1. INTRODUCCION Los requerimientos de Calidad del Servicio Técnico de las empresas distribuidoras de energía eléctrica exigen la implementación de procedimientos que disminuyan los tiempos de interrupción del servicio por fallas permanentes. Cuando una falla es eliminada mediante el accionamiento de un elemento de protección, que no es telemedido ni telecomandado, el operador del sistema desconoce la ubicación tanto de la falla como de la protección accionada debido a la misma. Es posible establecer un procedimiento para localizar el elemento de protección accionado, aprovechando la amplia información disponible respecto a la topología del sistema eléctrico, que incluye la ubicación de protecciones, subestaciones, clientes, etc. accesible mediante un sistema de información georeferenciada [1,2]; la información disponible en tiempo real del sistema SCADA en operación; campañas de medición y otras fuentes de información disponibles en las empresas de distribución. 2. RESTABLECIMIENTO DEL SERVICIO Parte del problema del restablecimiento del servicio a los clientes cuando se ha producido una falla en el sistema eléctrico, es el tiempo necesario para determinar qué fusible ha operado y/o dónde se ha producido la falla. Este tiempo se puede disminuir si el operador cuenta con una herramienta que le indique los fusibles más probables que actuaron o por lo menos la ubicación geográfica hacia donde debe enviar el móvil para que proceda a solucionar el problema. Los tiempos involucrados en el restablecimiento del servicio se pueden observar en la Tabla 1 para las fallas ocurridas durante dos años en Energía San Juan S.A. Esta mejora en el tiempo de restablecimiento se debe a mejoras sustanciales en la calidad de servicio. Año Fallas Reclamos Tiempo Promedio [Minutos] Tabla 1: Estadística de fallas La Figura 1 muestra la distribución de tiempos involucrados durante el restablecimiento de fallas y el tiempo estimado de ahorro con un sistema que identifique el fusible accionado. T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4 T5 Figura 1: Esquema de tiempos durante un falla. El tiempo T1 se disminuye por que el operador detectaría que existe una anormalidad en la red antes que se produzcan reclamos. El tiempo T3 se disminuye por que al móvil es enviado hacia un lugar más cercano a donde debe realizar la reparación, que si tuviera que recorrer el distribuidor hasta ubicar el fusible fallado. 3. OBJETIVO Primer Reclamo T1: Tiempo perdido por ignorar existencia de falla. T2: Tiempo de indisponibilidad de movilidades. T3: Tiempo de traslado del móvil y ubicación de la falla. T4: Tiempo en que se soluciona el problema. T5: Ahorro de Tiempo. El objetivo de este trabajo es diseñar y desarrollar un sistema que ayude al operador en el centro de operaciones a detectar el fusible accionado ante una falla, con la finalidad de disminuir el tiempo de restablecimiento del servicio eléctrico.

2 3.1. Beneficios Los beneficios esperados con el sistema son: Detección del fusible accionado. Disminución del tiempo de localización de fallas. Optimización del tiempo del operador. Mejora de la calidad de servicio técnico. Disminución de penalizaciones. 4. IMPLEMENTACION Para lograr el objetivo perseguido se implementó un sistema informático denominado: Sistema Localizador de Fusibles Accionados o SLFA. En este sistema se aprovecha la gran cantidad de información disponible en bases de datos georeferenciada [2]; la información de tiempo real disponibles a través del SCADA y datos obtenidos de campañas de medición realizadas. Para obtener los fusibles accionados se utilizan los siguientes criterios de búsqueda: Primer Criterio: Variación de Potencia en la cabecera de un distribuidor debido a una falla permanente. Segundo Criterio: Análisis de las corrientes de cortocircuito producidas en la red de distribución. ET 33/13.2 KV R Figura 2 Unifilar de una red de distribución P(t) I AM2 AM1 SE1 Alarma: Apertura de un Interruptor por una falla Análisis Mediciones del SCADA Base de Datos de Demanda SE2 SE5 P1 P2 El Operador de Guardia ingresa el valor de DP al SLFA R AM3 SE4 SE5 DP = P1 - P2 t Tercer Criterio: Reclamos Telefónicos. Obtiene el Fusible Operado 4.1. Primer Criterio Se basa en la comparación de la potencia fuera de servicio en la cabecera de un distribuidor, calculada a partir de los registros del sistema SCADA en momentos que se produce una falla, con los valores de potencia en cada elemento de maniobra, calculados y almacenados previamente. Un distribuidor como el de la Figura 2, posee un relé de sobrecorriente que se utiliza para la protección del mismo ante perturbaciones en la red. Cada vez que se produce una falla, el interruptor realiza la apertura y recierre correspondiente. Si algún fusible ha actuado y si la reconexión ha sido exitosa, se produce una disminución de la potencia medida en la cabecera del distribuidor. Esta maniobra es registrada por el Centro de Operaciones mediante el telecomando. Comparando esta disminución de potencia medida en la cabecera del distribuidor en el momento de la falla con valores almacenados correspondientes a las curvas típicas de cargas para días hábiles, semi-hábiles y no laborables, se puede detectar el fusible que despejó la falla. La figura 3 muestra los pasos seguidos por el operador para aplicar este criterio. Figura 3 Pasos para aplicar el primer criterio por el operador Confección de la Base de Datos La Figura 4 muestra los pasos para obtener la base de datos de curvas típicas de demanda asignada a cada aparato de maniobra en función de los valores obtenido en campañas de medición y de la topología de la red. Se tiene en cuenta que cuando se produce una desconexión monofásica la potencia se considera una disminución de la carga de 1/3 de la carga correspondiente trifásica Curvas de Carga La Figura 5 muestra el cálculo de las curvas de cargas asociada a cada aparato de maniobra, como suma de las curvas típicas de las subestaciones dependientes de cada aparato de maniobra Problemas de este Criterio A- Debido a la existencia de zonas de igualdad de potencia de demanda y a que estas pueden estar ubicadas en distintas zonas dentro del distribuidor; este criterio 2

3 puede dar varios fusibles como posiblemente accionados y que estos no se encuentren cercanos entre si, como se observa en la Figura 6 B- Las curvas de cargas poseen cierta incertidumbre debido a que la demandas varían. Las mediciones que se utilizan para la generación de la base de datos no son simultáneas y no se dispone de mediciones de todas las subestaciones de la red. Por ello se clasifican las subestaciones por el tipo de usuario, potencia instalada, etc. para asignarles una curva de carga típica. No se tienen en cuenta las pérdidas, ya que su valor es menor que la mínima potencia de demanda en cada distribuidor [3,4]. Para solucionar estos problemas se aplica conjuntamente el segundo criterio de búsqueda y se utiliza un rango porcentual para la variación de potencia p%, de forma tal que la variación de potencia pertenezca a un intervalo dentro de la curva típica de potencia, como se indica en la ecuación 1. AM1 Curvas de Carga de Subestaciones + + Figura 5: Cálculo de las Curvas de Cargas por Aparato de Maniobra. = Curvas de Carga Total en el AM1 t [ P( t) p%, P( t) + p% ] P 1 Base Mediciones CVM Otras Bases Base GIS Potencia de Demanda 100 kva 200 kva Figura 6: Zonas con valores de potencia similares. P(t) Se procesan mediciones de Subestaciones Curvas Típicas: Hábil Semi -Hábil Feriado Calcula potencia medida en cada AM de cada distribuidor en curvas típicas. Base Mediciones por AM SLFA vincula Subestaciones con AM t 4.2. Segundo Criterio. Se basa en la comparación de los valores de corriente de cortocircuito que registra el relé de protección de un distribuidor cuando se produce una falla; con los valores de corriente de cortocircuito calculados previamente en el distribuidor correspondiente. En el caso que el operador decida aplicar este criterio se seguirán los pasos que se muestran en la Figura Base de Datos Para obtener la base de datos de cortocircuito se realiza el cálculo de cortocircuito para todos los nodos del sistema eléctrico y para distintos tipos de fallas: Trifásico, monofásico, bifásico aislado y bifásico a tierra. Los resultados se asocian a los aparatos de maniobra que están vinculados con todos los nodos del sistemas. El Procesamiento de la Base de Datos de Cortocircuito se observa en la Figura 8. Figura 4: Confección de la Base de datos de Mediciones de Demanda por Aparato de Maniobra 3

4 Alarma: Apertura de un Interruptor El Operador de Guardia se comunica con el relé del distribuidor afectado y determina el tipo de falla y el valor de corriente de cortocircuito. Ingresa estos datos al SLFA Fusible Operado Estudio de Cortocircuito En las fallas asimétricas la corriente de cortocircuito dependen de la resistencia de falla Rf, la ubicación real de la falla puede cambiar dependiendo de los valores de Rf que se presente en cada caso. La Rf varía de 0 a 40 Ω. Para determinar los valores de la Rf más probables se analizaron los registros de la fallas ocurridas en el sistema y se comparó con los cálculos realizados [1] para distintas RF (Figura 10). Como resultado se obtuvo que la RF varía en 15 y 25 Ω. El SLFA realiza la búsqueda del fusible operado en un rango del 2 o 4 % de la corriente de falla registrada para obtener un conjunto reducido de fusibles Figura 7: Pasos para aplicar el criterio de cortocircuito. Base GIS Falla Asimétrica 2.6 ka = Corriente de cortocircuito registrada por el relé. Cálculo de las Corrientes de Cortocircuito en todos los distribuidores. Análisis topológico para vincular cada AM con los valores de cortocircuito. R Base de Cortocircuito Figura 8: Obtención de la base de datos de cortocircuito Registro de Fallas en Relé Para determinar el valor de la corriente de cortocircuito registrado en el relé correspondiente, se consulta al mismo, vía módem, y se obtiene un registro como el de la Figura 9. Donde se puede determinar también el tipo de cortocircuito. Por ejemplo en el caso de la Figura 9 se trata de un cortocircuito monofásico 2.5 ka = Corriente de cortocircuito de estudio para una Rf = 15 Ω Figura 10: Determinación de la Rf para una If registrada Problema del Segundo Criterio. La aplicación del criterio de cortocircuito tiene por inconveniente que puede indicar un listado con varios fusibles que cumplan con el valor de corriente de cortocircuito y con el rango que se establezca. Cuando estos fusibles están en zonas geográficas alejadas se presentan problemas como se observa en la Figura 11, donde existen fusibles alejados entre si pero con corrientes de cortocircuitos similares. Tipo de Cortocircuito AM Sin Problemas AM Con Poblemas Figura 9: Registro de corriente de cortocircuito. Figura 11: Fusibles con o sin problemas según su ubicación geográfica relativa. 4

5 4.3 Combinación de Ambos Criterios. Cuando no se logra detectar el fusible accionado mediante los criterios de mediciones y cortocircuito se combina estos criterios para obtener los fusibles que son comunes a ambos. La Figura 12 muestra el resultado. A pesar de obtenerse dos posible fusibles, estos se encuentran geográficamente cerca con lo que se logra reducir el tiempo ya que el móvil es enviado a una zona específica. 5. APLICACION DEL SISTEMA La Figura 13 muestra los pasos completos que el operador debe realizar para determinar el fusible accionado por un cortocircuito en la red. Actuación de la Alarma del Sistema SCADA debido a una falla. Analiza el 1 Criterio: Variación de Potencia en la cabecera de un Distribuidor AM detectados Fusible Localizado? NO SI Figura 12: Resultado del primer y segundo criterio Tercer Criterio. Este criterio ubica el sector de la red con problema en función de la identificación del cliente que realiza un reclamos telefónicos por falta de servicio. En caso de que la búsqueda realizada del elemento de maniobra operado, aplicando los criterios anteriores, no permita establecer el fisible accionado, es decir que se obtenga como resultado más de un fusible y que estos fusibles estén en zonas alejadas entre si y además ya se hayan recibido reclamos por parte de los clientes; se utiliza la vinculación eléctrica existente entre cada cliente y el fusible que protege al mismo Base de Datos. Para este criterio se utiliza la base de datos georeferenciada, la cual tiene la vinculación entre los clientes y la red eléctrica, con lo que se obtiene para cada cliente los fusibles a los que están vinculado. Base GIS - Clientes Determina los AM que protegen a cada Cliente Clientes por AM Figura 12: Obtención de la base de datos de clientes. Analiza el 2 Criterio: Estudio de Cortocircuito (Superpone ambos criterios) Fusible Localizado? NO Analiza el 3 Criterio: Reclamos Telefónicos Figura 13: Pasos a realizar para determinar el fusible accionado Interfase del SLFA La Figura 14 muestra la interfase del SLFA cuando se aplican conjuntamente los criterios I y II 5.2. Validez de los Resultados SI Envía Móvil De las pruebas realizadas con el sistema se obtuvieran algunas conclusiones respectos de los rangos porcentual a utilizar tanto el criterio de variación de potencia como el de corriente de cortocircuito. Una vez sintonizados estos rangos para cada distribuidor los resultados obtenidos fueron precisos y suficientes como para asegurar la disminución del tiempo de restablecimiento antes fallas en la red de media tensión. En el caso de fallas de alta impedancia o de fallas en la red de baja tensión, donde el valor de corriente de cortocircuito no alcance el valor de arranque ajustado en la calibración del relé de cada distribuidor, el sistema 5

6 SCADA no realizará ningún tipo de alarma, por lo que el Operador de Guardia no se enterará de la existencia de la perturbación Consideraciones 1. El Sistema es utilizable con configuración normal de la red. 2. Se consideran válidas todas las mediciones utilizadas. 3. En los cálculos de cortocircuito se consideran que la resistencia de falla puede tomar los valores 15, 20 y 25 Ω. 4. Se desprecian las Pérdidas. 5. Se considera que existe coordinación entre cada dispositivo de Protección. 6. CONCLUSIONES Las pruebas realizadas sobre distribuidores de energía de distintas topologías, tipos de demandas, etc. y utilizando estadísticas de fallas ocurridas en el sistema, permitieron asegurar que en la mayoría de los casos es posible disminuir sensiblemente el tiempo requerido para determinar la ubicación del elemento accionado, con lo que se reduce el tiempo total de interrupción y por lo tanto se mejoran los índices de calidad de servicio técnico. 7 REFERENCIAS [1] A. Vargas, R. Rosés AM/FM GIS Model for Basic Application and for Engineering Distributions Applications CIRED Argentina Dic [2] A. Vargas, R. Rosés Sistema Integrado de Distribución Asistido por Computadora (SIDAC) I Seminario de Distribución de Energía Eléctrica Santiago de Chile - Agosto 1994 [3] R. Luy, Pérdidas Técnicas en los Circuitos Primarios y Transformadores del Sistema de Distribución de Elecar Caracas, 1997 [4] J. Ruales, Análisis de Sensibilidad de Pérdidas Técnicas en el Diseño de Redes de Distribución II Reunión Internacional del SINDIS, 1997 [5] SIEMENS Manual del Relé de Sobrecorriente 7SJ [6] SIEMENS Manual DIGSI V3.2 Julio 1996 [7] ASINELSA S.A., Manual del SIDAC [8] E. Orduña, Introducción a la Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia Curso Rama Estudiantil IEEE, UNSJ. San Juan Argentina, Junio 2000 Figura 14: Interfase del SLFA 6