C2-71 EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA ELÉCTRICO VENEZOLANO ANTE PERTURBACIONES DE GRAN MAGNITUD

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1 II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Junio 2009 C2-71 EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA ELÉCTRICO VENEZOLANO ANTE PERTURBACIONES DE GRAN MAGNITUD A. Caraballo*, J.Caraballo*, J. Fernández*V.Calanche* E.Castillo** J.Camacho** * Centro de Investigaciones Aplicadas. EDELCA ** División de Operaciones EDELCA RESUMEN Las perturbaciones registradas en los últimos años en el Sistema Eléctrico Venezolano que han desencadenado en caídas parciales del Sistema, han estado asociados a fallas en líneas a nivel de 115, 230 y 765 kv, en condiciones de operación con violación de los límites de transmisión, las cuales provocaron problemas de pérdida de estabilidad en el Sistema de Potencia, evidenciándose en las fuertes oscilaciones de tensiones de la red por tiempo prolongado que originaron pérdida de grandes bloques de carga y el consecuente incremento de la frecuencia del Sistema. El objetivo que se persigue es evaluar la estabilidad del sistema ante perturbaciones de gran magnitud en el Sistema Eléctrico Venezolano tomando como caso de estudio el evento registrado el día 29/04/2008, que provocó una caída parcial del Sistema Eléctrico Venezolano. Este evento se inicio con el disparo de la línea San Gerónimo La Arenosa a 765 kv bajo una condición de operación donde se estaban excediendo los límites de transmisión de Exportación EDELCA e Importación Centro y se contaba con una baja disponibilidad de generación térmica en el Sistema Eléctrico Nacional. El evento originó un problema de perdida de estabilidad en el Sistema de Potencia, que se evidenció en una fuerte oscilación de las tensiones de la red e importantes depresiones de tensión en el Centro y Occidente del país que originaron pérdida de grandes bloques de carga y el consecuente incremento de la frecuencia del Sistema. Del estudio se recomienda evaluar algún esquema de protecciones que permita mantener en servicio las unidades generadoras de las distintas áreas antes perturbaciones así como implementar un Esquema de Separación de Áreas que garantice la operación aislada de las áreas ante eventos donde se registre pérdida de grandes bloques de carga. PALABRAS CLAVE Estabilidad de tensión, Falla, Oscilaciones, Límites de Transmisión, Pérdida de carga, caída parcial, tensión, Estabilidad transitoria jocaraballo@edelca.com.ve; ancaraballo@edelca.com.ve

2 1. INTRODUCCIÓN En las perturbaciones que se han presentado en los últimos años en el Sistema Eléctrico Venezolano que han provocado una caída del Sistema han estado asociados a eventos de gran magnitud, que se inician con disparos de líneas a nivel de 115, 230 y 765 kv, los cuales provocaron una pérdida de estabilidad en el Sistema de Potencia y pérdida de grandes bloques de carga. El objetivo que se persigue es evaluar la estabilidad del Sistema ante perturbaciones de gran magnitud en el Sistema Eléctrico Venezolano, tomando como caso de estudio el evento ocurrido el día 29/04/2008 que desencadeno en una caída parcial del Sistema Eléctrico Venezolano. Este evento se inicio con el disparo de la línea San Gerónimo La Arenosa a 765 kv bajo una condición de violación de límites de transmisión de Exportación EDELCA e Importación Centro en aproximadamente 800 MW cada uno y una baja disponibilidad de generación térmica en el Sistema Eléctrico Nacional. Del estudio se concluye que la falla en la línea San Gerónimo La Arenosa de 765 kv del dia 29/02008 que provocó la pérdida de grandes bloques de carga y el incremento de la frecuencia del Sistema que provocó el disparo de un número significativo de unidades de generación en la región Centro - Occidental del país fue producto la pérdida de estabilidad transitoria del Sistema de Potencia. 2. ESTABILIDAD DE TENSIÓN Y EL COLAPSO DE VOLTAJE La estabilidad de tensión de grandes perturbaciones, se refiere a la habilidad que posee un sistema de potencia de mantener el equilibrio de tensión en todas las barras luego de estar sometido a eventos de larga duración, debido a crecimientos de la demanda y a eventos en cascada de naturaleza transitoria. Generalmente ocurren en sistemas que están altamente cargados, donde viajan grandes bloques de potencia desde plantas de generación remota hasta la carga, por lo general cuando ocurren efectos de esta naturaleza están asociados a perdidas de grandes generadores o importantes líneas de transmisión. La metodología de estudio de estos sistemas es por lo general del tipo estático, los cuales pueden aproximar de manera instantánea el estado del sistema luego de unos segundos hasta varios minutos de haber ocurrido una perturbación.[1], [2] El Colapso de Tensión, es un proceso mediante el cual una secuencia de eventos acompañado por una inestabilidad de voltaje, llevan al sistema a una caída de tensión, a niveles bajos que son imposibles recuperarlos, generalmente estos efectos están asociados a aumentos continuos de carga, salidas no programadas de elementos del sistema potencia (Generación - Carga), una combinación de acciones que pueden eventualmente conducir a experimentar una caída no controlada de tensión, lo cual puede conducir a una rápida pérdida de las fuentes de energía eléctrica en amplias áreas.[1] Entre los factores que influencian el Colapso de tensión están: Carga excesiva en el sistema, Balance de potencia reactiva (demanda excesiva, caída de reactiva excesiva en líneas de transmisión, generación insuficiente), variación de la carga con la tensión. Observar que la ley de variación de la carga con la tensión puede cambiar con el tiempo (ej: motores de inducción que se frenan por baja tensión), acción de cambiadores de tomas bajo carga de los transformadores (si restituyen la tensión del lado de la carga, pueden contribuir a aumentar la carga, de acuerdo con la ley de variación potencia-tensión) y otros controles lentos (termostatos, relés de calentamiento,etc.) en períodos de baja tensión (es un caso particular de variación de carga con la tensión ), desempeño de equipos de compensación reactiva (condensadores, compensadores síncronos, etc.) cuando la tensión baja en el sistema. 2

3 3. DESCRIPCIÓN DE EVENTOS DEBIDO A PERTURBACIONES DE GRAN MAGNITUD EN EL SISTEMA ELÉCTRICO VENEZOLANO En los últimos años en Venezuela han ocurrido caídas parciales del Sistema de Potencia debido a perturbaciones de gran magnitud en el Sistema. Durante el 2008 se registraron dos eventos de gran magnitud que provocaron caídas parciales del Sistema (29/04/2008, el 01/09/2008). Para efectos de este estudio se consideró la perturbación del día 29/04/2008 que puso en riesgo las condiciones del sistema. La caída parcial del Sistema Eléctrico Venezolano del 29/04/2008 se inicio con el disparo de la línea a 765 kv San Gerónimo La Arenosa, en un momento donde los niveles de intercambios estaban por encima de los límites de transmisión establecidos. Para el momento de la falla la línea San Gerónimo La Arenosa transportaba el 30 % de la potencia del sistema. Al desconectarse la línea se comenzó a perder un gran número de carga, provocando variaciones en la frecuencia, que dispararon varias unidades hacia el área del Centro como también actuación del esquema de sobretensión, despejando varias líneas de transmisión y provocando una pérdida de estabilidad del Sistema. Cabe destacar que durante este evento la compensación capacitiva estaba en su tope máximo disponible por lo cual no se contaba con fuentes de regulación capacitiva. Producto de este evento se vieron afectadas principalmente las zonas del Centro y Occidente del país, con un total de 17 estados involucrados y una pérdida del 73% de la demanda del Sistema Eléctrico Nacional (se perdieron 7450 MW). Fig. N 1. Descripción del sistema bajo estudio. 4. CASO DE ESTUDIO DEBIDO A PERTURBACIONES DE GRAN MAGNITUD EN EL SISTEMA ELÉCTRICO VENEZOLANO El día 29/04/2009 a partir de las 15:40 empezaron a ocurrir eventos en el Sistema Eléctrico Nacional, cabe destacar que el mismo se encontraba en una condición de violación de límites de transmisión, a las 15:55:58 ocurre el disparo de la línea San Gerónimo La Arenosa de 765 kv, lo cual generó una serie de eventos que crea una inestabilidad en el sistema. Esta falla fue despejada en ambos extremos por actuación de las protecciones de distancia y ubicada según el localizador de fallas a una distancia 3

4 de 11,8 km desde la subestación San Gerónimo. En la figura 2, se muestra la secuencia de los eventos que se presentaron en el Centro de control de EDELCA desde 29/04/2008 a las 15:40 hasta las 16:02. 15:40:00 15:55:00 15:59 16:00:00 16:02:00 EVENTOS DEL SISTEMA RESPUESTA AUTO. DEL SISTEMA 15:44:20 Disparo Linea Gur-ETG Por incendio 15:44:20 Renganche no exitoso Linea Gur-ETG 15:58:59 Disparo de la linea SGN ARN 765 kv Por incendio 15:58:59 Disparo de la linea SGN VLP y SVC en SGN 15:59:06 Disparo DE TBZ CUA Separ. Area 15:59:11 Disparo de los AT 1 y 2 SUR solo 230 kv 15:59:14 Disparo Unidad 1 PTC. 15:59:15 Disparo SGN - HQT 15:59:17 Disparo YAR-TBZ 1 Y2 15:59:18 Disparo U 13 GURI PI 15:59:22 Disparo L.400, HQT ARN, ARN YAR, ARN PTC 1 Y 2 15:59:32 Energ, R1 SGN 300 MVAR 16:00:06 Disparo SGN-SUR Perdio Nexo 16:00:33 Disparo DE TBZ CUA Separ. Area 16:00:41 Disparo U 16 GURI PI 16:01:07 Disparo L.400.ARN-YAR, PTC-YAR, YAR-TBZ 1 Y 2 16:01:18 Disparo L.115 SGN SBR. 16:01:26 Disparo U 20 MAC PI 16:01:26 Disparo SVC HQT 16:01:13 Energ, R1 STR 100 MVAR 16:00:06 Disparo AT2 HQT 16:02:58 Disparo U 17 GURI PI ACCIONES DESDE EL SCCE 15:51 Reataque no exitoso Linea Gur-ETG 15:54 Reataque no exitoso Linea Gur-ETG 15:59:41 Energ, R4 SGN 300 MVAR 15:59:41 Energ, R3 MAL 300 MVAR 15:59:45 Energ, R2 MAL 300 MVAR 15:59:41 Energ, R3 SGN 300 MVAR 15:59:49 Energ, R4 MAL 300 MVAR 15:59:54 Energ, R3 TBZ 300 MVAR 15:59:56 16:01:14 Energ, R2 STR 100 MVAR 16:01:17 Energ, R3 YAR 100 MVAR 16:01:28 Energ, R3 STR 50 MVAR 16:03 Energ, SGN - ARN Energ, R2 SGN 300 MVAR Fig. N 2. Eventos que se presentaron en el Centro de Control de EDELCA desde 29/04/2008 a las 15:40 hasta las 16:02 Se puede apreciar que la tensión en la fase fallada (fase C) estuvo próxima a 220 kv (0,50 p.u) durante la falla, registrando un descenso del 50% de su valor nominal, mientras que las fases A y B estuvieron próximas a 370 kv (0,84 p.u) durante la falla. Es importante destacar que luego del despeje de la falla, se observa un comportamiento oscilatorio poco amortiguado. Posterior al despeje de la falla, las tensiones de línea se recuperaron a 638 kv (0,83 p.u), y a consecuencia de la primera oscilación post-falla registrada en el sistema, se observa que las tres tensiones de fase alcanzaron un mínimo de 0,55 p.u. La condición de operación registrada durante este periodo (post-falla) originó una mayor depresión de tensión en el sistema de potencia, que la condición registrada durante la falla, se presume que esto es producto de las pérdidas descontroladas de carga. (ver figura 3) 4

5 ) VLL= 739 kv (0,97 p.u.) VLL= 638 kv (0,83 p.u.) ESA Sector Petrolero Morochas y SENECA (600 ms) Disparan unidades 9 a 12 de O.A.M, por sobrefrecuencia VLL= 630 kv (0,82 p.u.) VLL= 420 kv (0,55 p.u.) Fase fallada (C) Vc= 220 kv (0,50 p.u.) Falla en línea SGN ARN 765 kv VLL= 454 kv (0,59 p.u.) Fig. N 3. Comportamiento de las tensiones de fase (valores eficaces) en la S/E La Arenosa de 765 kv. Se muestran las tensiones de fase registradas en la subestación Sur después del evento, al compararlas con las tensiones vistas en la subestación La Arenosa se observa que la caída de tensión durante la falla es ligeramente menor (0,45 p.u en la fase C), y posterior al despeje, la caída de tensión en la subestación Sur es menor que la caída de tensión vista en las subestaciones La Horqueta y La Arenosa. Los valores mínimos de tensión registrados en distintas subestaciones de la red, se muestran en la figura 4 durante la falla, la primera y la segunda oscilación post-falla. En la misma se aprecia que a medida que la subestación se aleja del punto de la falla, las caídas de tensión son mayores durante la primera y segunda oscilación post-falla, motivado principalmente al problema de estabilidad transitoria presente en el Sistema. ) VLL= 741 kv (0,97 p.u.) VLL= 647 kv (0,85 p.u.) Esquema de Separación de Área (ESA) del Sector Petrolero Morochas y SENECA (600 ms) Vc= 215 (0,49 p.u.) Fase C Falla en línea SGN ARN 765 kv VLL= 453 kv (0,59 p.u.) VLL= 640 kv (0,84 p.u.) Fig. N 4. Comportamiento de las tensiones de fase (valor eficaz) en la S/E Horqueta de 765 kv. Los valores mínimos a los que llegaron las tensiones de las subestaciones del Occidente del país durante las oscilaciones post-falla, denotan una condición de colapso, que se ve claramente reflejada en la segunda oscilación post-falla de la tensión de la subestación Cuatricentenario (0,29 p.u), la cual estuvo por debajo de la tensión de la primera oscilación post-falla (0,48 p.u), con clara tendencia decreciente. 5

6 Fig. N 5. Valores mínimos de tensión de fase (valores eficaces) registrados durante: la falla (fase C), la primera oscilación post-falla y la segunda oscilación post-falla en distintas subestaciones de la red. En la figura 6, se presenta el comportamiento de la frecuencia registrada en el Centro de Control de EDELCA, posterior al disparo de la línea San Gerónimo La Arenosa de 765 kv. En la misma se aprecia un incremento de la frecuencia, producto de la pérdida de carga que se registró en el Sistema de Potencia a consecuencia de las bajas tensiones observadas durante las oscilaciones post-falla. Se produjo un problema de estabilidad transitoria, presentándose bajas tensiones en la región Centro Occidental del país, con valores comprendidos entre 0,70 y 0,60 p.u en el Centro, y 0,60 y 0,29 p.u en el Occidente del país, originando la pérdida de carga por mínima tensión en esta región, y en consecuencia el incremento de la frecuencia del Sistema ESA Sector Petrolero Morochas y SENECA (600 ms) Frecuencia (Hz) Disparó de Línea San Gerónimo La Arenosa 765 kv Disparan unidades 9 a 12 de O.A.M, por sobrefrecuencia :58:58 15:58:58 15:58:59 15:58:59 Tiempo Fi Fig. N 6. Comportamiento de la frecuencia registrada en el Centro de Control de EDELCA durante la perturbación del día :59:00 15:59:00 15:59:01 15:59:01 6

7 5. CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados obtenidos de la evaluación de la estabilidad del sistema ante perturbaciones de gran magnitud, podemos concluir: En el evento evaluado se pudo observar que ocurre un problema de pérdida de estabilidad transitoria, evidenciado con oscilaciones y bajas tensiones en la región Centro Occidental de país, con valores mínimos de 0,60 p.u en el Centro y 0,29 p.u en el Occidente del país, lo que ocasionó la pérdida de carga por mínima tensión en esta región, y en consecuencia el incremento de la frecuencia del Sistema durante los primeros 4 segundos de la perturbación. Ante la ocurrencia de un evento de esta magnitud, con el Sistema de Potencia operando por encima de los límites de transmisión y sin disponer de suficiente capacidad de regulación de reactivos en la zona Centro Occidental, se origina una inestabilidad de tensión en esta zona, acarreando una pérdida significativa de carga. La pérdida de grandes bloques de carga registrada durante los primeros segundos de la perturbación, origino una inestabilidad de frecuencia que provocó el disparo de un número significativo de unidades de generación en la región Centro - Occidental del país, debido a la actuación de sus sistemas de protecciones. Las sobretensiones que se registraron en el Sistema de Potencia, no fue exclusivamente a consecuencia directa de la separación de las áreas de ENELVEN y EDC, sino por un proceso acumulado de una pérdida progresiva de carga que se registró en las áreas del Occidente y el Centro del país. Un minuto después de perderse el vínculo de interconexión a 765 kv entre la región Centro Occidental y la Región Guayana, se perdió el suministro eléctrico en la región Centro Occidental del país, debido a que dicha red operaba de forma inestable por estar débilmente conectada a la región Guayana a través de la red de la subestación Santa Teresa a nivel de 230 y 400 kv. 6. RECOMENDACIONES De acuerdo a la evaluación realizada se puede recomendar los siguientes: Evaluar algún esquema de protecciones que permita mantener en servicio las unidades generadoras de las distintas áreas de la red que permitan mantener el balance carga generación ante eventos similares. Realizar un estudio para implementar un Esquema de Separación de Áreas que garantice la operación aislada de las áreas ante eventos con pérdida de grandes bloques de carga. Identificar los márgenes de seguridad del sistema de potencia empleando las Curvas PV y QV y dotar a los Centros de Control de herramientas de visualización que le permitan al operados conocer la zona donde se está operando el Sistema, desde el punto de vista de estabilidad. Sincronizar a través de GPS todos los registradores de falla y secuenciadores de eventos instalados en el Sistema de Potencia 7

8 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Caraballo J. Estabilidad de Tensión en Sistemas de Potencia Teoría y Aplicaciones. NOT Centro de Investigaciones Aplicadas EDELCA, Diciembre (2008) [2] G. Andersson and others. Causes of the 2003 Major Grid Blackouts in North America and Europe, and Recommended Means to Improve System Dynamic Performance IEEE Transactions On Power Systems, Vol. 20, No. 4, November 2005 [3] Kundur, P. y otros 11 autores; Definition and classification of power system stability. IEEE transactions on power systems: 19(2), (2004). [4] Chow, J, Fischl R. and H. Yan. On The Evaluation Of Voltage Collapse Criteria. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 5, No. 2, May [5] Schlueter, R.A, I. Hu, Chang, M.W. J.C. Lo A. Costi. Methods for Determining Proximity To Voltage Collapse. IEEE Transactions on Power Systems, Vo1.6, No.1, February [6] Castillo E, Camacho J, Caraballo A, Caraballo J, Fernandez J. Análisis De Los Principales Eventos Que Conllevaron A La Pérdida Parcial Del Sistema Eléctrico Nacional Durante La Perturbación Del Día 29/04/2008 División De Operaciones - Centro De Investigaciones Aplicadas. Julio (2008) 8