CONTROL ASISTIDO DE MANIOBRAS: NUEVAS HERRAMIENTAS PARA LA GESTIÓN DE MANIOBRAS EN TIEMPO REAL

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1 XM S.A E.S.P COLOMBIA Medellín,, agosto de CONTROL ASISTIDO DE MANIOBRAS: NUEVAS HERRAMIENTAS PARA LA GESTIÓN DE MANIOBRAS EN TIEMPO REAL Jhon Fredy Alvarez Ing. Operación TR. Jorge Esteban Tobón Ing. Operación TR. Diego Arango Ing. Operación TR. Carlos Andrés Cano Director Operación PALABRAS CLAVES: SCADA/EMS/GMS, Maniobras, Control Asistido de Maniobras, Planeación de la Operación, Seguridad Operacional, Planes de Continuidad. XM S.A E.S.P COLOMBIA Medellín,, agosto de OM1.1. Planeación confiable de los Sistemas Eléctricos de Potencia RESUMEN Una maniobra se refiere a la secuencia de pasos requeridos para la energización o desenergización de un equipo. En general, este proceso de energización o des-energización de un equipo consta de varios estados de transición. Durante estos estados de transición el sistema está expuesto a nuevos puntos de operación, los cuales deben ser evaluados para garantizar la seguridad del sistema. Los cambios de estado de los equipos ocasionan una redistribución de los flujos de potencia (activa y reactiva) cuyo impacto debe ser evaluado para garantizar una operación segura y confiable. En este trabajo se presenta una plataforma integrada para soportar el proceso de coordinación de maniobras y validación de información. Esta plataforma está constituida por un conjunto de aplicaciones (desarrolladas por XM o Adquiridas de terceros), que fueron integradas durante el proyecto de adquisición del nuevo centro de control. INTRODUCCIÓN Una maniobra se refiere a la secuencia de pasos requeridos para la energización o desenergización de un equipo. En general, este proceso de energización o des-energización consta de varios estados de transición. 1

2 Durante estos estados de transición el sistema está expuesto a nuevos puntos de operación, los cuales deben ser evaluados para garantizar la seguridad del sistema. Los cambios de estado de los equipos ocasionan una redistribución de los flujos de potencia (activa y reactiva) cuyo impacto debe ser evaluado para garantizar una operación segura y confiable. En este trabajo se presenta una plataforma integrada para soportar el proceso de coordinación de maniobras y validación de información. Esta plataforma está constituida por un conjunto de aplicaciones (desarrolladas por XM o Adquiridas de terceros), que fueron integradas durante el proyecto de adquisición del nuevo centro de control. La coordinación de maniobras es el proceso mediante el cual el operador del Sistema Interconectado Nacional autoriza el cambio de estado de un equipo y la ejecución de la secuencia de pasos necesaria para lograrlo. Es bien conocido que incidentes graves en la operación de los sistemas de potencia se producen durante los cambios de estado de los equipos (comúnmente durante el inicio o finalización de maniobras programadas). Este es el caso, por ejemplo, del apagón nacional ocurrido en el 26 de abril de 2007 (45 millones de usuarios afectados). En cuanto al nivel de riesgo involucrado, es posible comparar los cambios de estado de los equipos en un sistema de potencia (inicio y finalización de maniobras) con las maniobras relacionadas al inicio y finalización de los vuelos en la aviación (despegue y el aterrizaje). En este caso, varios expertos coinciden en afirmar que los estados de mayor riesgo para la seguridad operacional en la aeronáutica mundial corresponden a las maniobras de despegue y aterrizaje de los aviones. Durante el proyecto de Mejoramiento de la Coordinación de la Operación, asociado a la adquisición del nuevo centro de control de XM, se consideraron todos los elementos que interactúan en el proceso de coordinación 2 maniobras (humanos, regulatorios, tecnológicos y de proceso) y se desarrolló el concepto de Control Asistido de Maniobras, el cual consiste en el desarrollo e integración de una serie de herramientas tecnológicas para incrementar los niveles de consciencia situacional y soportar las decisiones tomadas en tiempo real por el operador del sistema. El Control Asistido de Maniobras enfatiza en la planeación al detalle de la operación y la validación del curso de acción mediante la utilización de herramientas de simulación en tiempo real. El esquema esta soportado en una serie de herramientas de planeación, verificación y ejecución que se integran a la arquitectura del nuevo centro de control de XM y que aseguran una mejora en los niveles de seguridad, disponibilidad, eficiencia y flexibilidad de la coordinación de maniobras en el SIN. 1. CONTROL ASISTIDO DE MANIOBRAS El Control Asistido de Maniobras hace parte de una iniciativa emprendida por XM que busca bridar a los operadores de sistemas complejos las herramientas necesarias para mejorar la toma de decisiones en tiempo real. La Gráfica 1 presenta el esquema general del proceso de toma de decisiones en ambientes de operación [1]. En este esquema, aceptado y utilizado durante los últimos 100 años, las decisiones tomadas por los operadores son soportadas por sus modelos mentales y sus patrones mentales. Los modelos mentales son perfeccionados mediante el aprendizaje de las leyes físicas que dominan el sistema (estudios, capacitaciones, etc). Los patrones mentales, por el contrario, son construidos desde la experiencia del operador, es decir, se construyen en la medida que el operador se expone a la operación del sistema. En la medida que los sistemas se tornan más complejos, las capacidades para la toma de decisiones acertadas por parte de los operadores se ve limitada por la incapacidad humana de observar y comprender fenómenos más allá de la percepción natural del ambiente y la imposibilidad de resolver mentalmente de forma óptima, y en tiempos

3 muy cortos, problemas complejos que involucran múltiples variables y cursos de acción. Tomado de [1] Grafica 1. Esquema de toma de decisiones en ambientes de operación. Elaboración Propia Gráfica 2. Esquema de toma de decisiones asistido mediante herramientas de soporte a la acción/decisión. En ambientes de operación de sistemas complejos, las decisiones tomadas pueden comprometer la seguridad del sistema, ocasionar sobrecostos innecesarios o causar afectaciones mayores a las derivadas de una decisión asistida que sea consiente de todos los objetivos (en competencia) y riesgos (en competencia). Para mejorar esta situación, se planteó la necesidad de proporcionar herramientas de soporte a la toma de 3 decisiones, que facilitaran la determinación del mejor curso de acción. Este esquema de toma decisiones asistidas es presentado en la Gráfica 2, y constituye el soporte filosófico bajo el cual se conceptualizó y desarrollo la plataforma de Control Asistido de Maniobras. El esquema de Coordinación Asistida de Maniobras es mostrado en la Gráfica 3, este consta de 6 bloques funcionales básicos: Plataforma Corporativa, Plan de Operación, Administración del Modelo, ejecución de la Operación, Análisis Predictivo y Validación de Información. Cada uno de estos módulos contiene herramientas específicas, desarrolladas por XM o adquiridas de terceros, que son explicadas en este trabajo. 2. PLATAFORMA CORPORATIVA. Este bloque funcional corresponde a las herramientas de planeación de la operación disponibles en la plataforma corporativa de XM. Estas herramientas permiten el intercambio de información con los agentes y la gestión de esta por parte de XM en el ambiente de oficina (back office). La información que proporcionan estas herramientas es el insumo fundamental para la ejecución de la operación, al brindar el mapa de ruta y la información necesaria para los análisis predictivos de tiempo real que garantizan la seguridad, confiabilidad y economía en la operación de SIN. La integración de la plataforma corporativa y el ambiente de tiempo real planteo un reto adicional que corresponde a la homologación de bases de datos, es decir, las bases de datos de activos en la plataforma corporativa y en la plataforma operativa (sistema SCADA/EMS) deben poseer identificadores únicos de asociación, con el fin de que la información sea transferida de un sistema a otro con la menor cantidad de trasformaciones posibles. Dentro de este bloque funcional, se identificaron tres aplicativos claves, en SNC (Sistema Nacional de Consignaciones), el SPEM (Sistema de Planeación y Ejecución de

4 Maniobras) y el DRP (Despacho y Redespacho Programado). El SNC provee la información de disponibilidad de los activos que componen la red eléctrica. Comúnmente se conoce como Outage Scheduler o Salida Programada de Equipos. Esta información define el estado planeado de un equipo para cualquier escenario de operación futuro. Esta información es de suma importancia para construir y analizar escenarios futuros de operación, en los cuales, el estado ON/OFF es suficiente para garantizar la seguridad de la operación. Sin embargo, se requiere de una herramienta más detallada para indicar los pasos necesarios para lograr los cambios de estado de los equipos. Para cerrar esta brecha, XM desarrolló el aplicativo SPEM, el cual permite gestionar de forma ágil la información relacionada con la conexión y desconexión de equipos. El SPEM describe en detalle las secuencias de maniobra necesarias para llevar a cabo la desconexión/conexión de uno o varios equipos. Esta secuencia constituye la guía que deberá seguir el operador al momento de la ejecución de la maniobra. Una secuencia típica en el SPEM puede ser observada en la gráfica PLAN DE OPERACIÓN. El plan de operación es esencialmente un repositorio de información en el ambiente SCADA/EMS. Este conjunto de información es necesario para la identificación de los cursos de acción durante la operación del SIN y para el análisis de cualquier condición futura. La información del Plan de Operación es definida inicialmente mediante las herramientas de planeación con las que se cuenta en la plataforma corporativa (SPEM, SNC, DRP), o, directamente en el sistema SCADA (STLF y PA). El plan de operación puede ser modificado en tiempo real, permitiendo la flexibilidad necesaria para afrontar eventos no previstos o desviaciones de los supuestos bajo los cuales se realizó la planeación del sistema. La integración entre la plataforma SCADA/EMS y la plataforma corporativa se logró mediante diferentes servicios WEB desarrollados durante el proyecto. La información intercambiada incluye: Programas de generación, disponibilidad de los equipos y secuencias de maniobra. 4. ADMINISTRADOR DEL MODELO. El Model Builder (Constructor de Modelos), es una herramienta del Sistema SCADA/EMS que permite crear un modelo del sistema para cualquier condición presente o futura, tomando como insumo la información depositada en el Plan de Operación. Estos modelos del sistema son el insumo fundamental para los análisis eléctricos predictivos y correctivos que se introducen como herramienta de soporte a la acción decisión para la coordinación asistida de maniobras. 5. EJECUCIÓN DE LA OPERACIÓN. Dos herramientas fundamentales hacen parte de este bloque. El SCADA, el cual permite la supervisión y el reconocimiento del estado topológico de todos los activos del sistema (abierto, cerrado, aterrizado, sobrecargado, etc) y el SPM, el cual es un sub sistema comisionado por XM para ser desarrollado en el sistema SCADA/EMS. El SPM posee una amplia gama de funcionalidades administrativas y de validación, que permiten entre otras: Importar/Crear secuencias de maniobra. Crear secuencia de maniobras predefinidas. Verificar si una secuencia de maniobras produce una violación a un enclavamiento, mediante la herramienta (SCS). Verificar eléctricamente la validez de una secuencia de maniobras (SCS). Iniciar y Finalizar secuencias de maniobras. 4

5 Iniciar y finalizar los pasos de una secuencia de maniobras. Detectar eventos o maniobras no programadas. 6. ANÁLISIS PREDICTIVO. El análisis predictivo se refiere a la validación del curso de acción, y responde a una pregunta básica de todo operador de sistemas eléctricos es seguro el sistema ante la salida de equipos programada y/o la secuencia de maniobras a ejecutar? Para esto, se comisionaron las siguientes herramientas como parte del sistema SCADA: Validación de Secuencias de Maniobra (SCS- Security Check Switching): Antes de que el sistema permita la ejecución de una secuencia de maniobra, es necesaria la validación de esta, la cual es realizada por el SCS en dos instancias. Primero, se verifica que la secuencia no ocasione violación a algún enclavamiento (por ejemplo, energizaciones con tierras, apertura de seccionadores bajo carga, etc), segundo, se verifica mediante un flujo de carga que el paso a paso de maniobras no ocasione violaciones eléctricas en ningún equipo del sistema, como sobrecargas o bajos voltajes. Contingency Analisys Look Ahead (CA LA): Esta función automática de análisis predictivo permite evaluar la valides eléctrica del curso de acción en el muy corto plazo. Es decir, a partir del estado actual o punto de operación, esta herramienta evalúa si las salidas programadas ocasionarán condiciones de riesgo para la operación del sistema en el futuro cercano (10 minutos adelante). Creación de casos de Estudio (Study Case): Esta función permite la creación de un caso de estudio pasado, presente o futuro, a partir de la información depositada en el Plan de Operación (Generación programada, Demanda Programada, Salida Programada de Equipos, etc). Este caso de estudio es utilizado para realizar estudios de planeación eléctrica de muy corto plazo sobre el sistema VALIDACIÓN DE INFORMACIÓN. El reconocimiento de los estados de los activos es el insumo fundamental para la validación automática de eventos y maniobras, desarrollada en el bloque funcional No. 6. En este bloque funcional, la información del SPM referente a la ejecución de maniobras y detección de eventos y la información de supervisión de estados de los equipos del sistema realizada por el analizador topológico del SCADA es utilizada en conjunto para apoyar el proceso de recolección y validación de la información. Esta información es requerida para calcular los índices establecidos en los esquemas de calidad vigentes en. Esta Bloque funcional no ha sido desarrollado. CONCLUSIONES En este trabajo se presentó un esquema unificado de planeación y ejecución de maniobras denominado Coordinación Asistida de Maniobras. Este esquema utiliza herramientas desarrolladas o adquiridas como parte del proyecto Nuevo Centro de Control de XM. Con la coordinación asistida de maniobras se busca garantizar que durante el proceso de ejecución de las maniobras el sistema continúe operando con los niveles de seguridad, calidad y confiabilidad que garanticen la atención continua de la demanda eléctrica. El esquema propuesto brinda un nuevo marco de referencia que integra la planeación, ejecución y validación de las maniobras, brindando al operador información oportuna sobre las condiciones esperadas producto del cambio de estado de los equipos. Para el año 2017 se espera la puesta en operación de la estrategia en el ambiente de operación de tiempo real de XM (bloques 1 a 5). A nivel de desarrollo e implementación, los bloques funcionales 1, 2 y 3 fueron entregados a producción en Durante los años se espera la sintonización de los bloques funcionales 4 y 5, los cuales constituyen la columna vertebral de la estrategia de soporte a la toma de decisiones en el ambiente de operación real del sistema. La posibilidad de

6 integrar diferentes herramientas fue uno de los pilares bajo los cuales se especificó el Nuevo Centro de Control de XM, en lo que se denominó Arquitectura Abierta. Este trabajo representa el primer ejercicio de integración con esta nueva tecnología, lo cual ha permitido validar las ventajas de este tipo de arquitecturas en los centros de control modernos. [1] FL Greitzer, R Podmore, Naturalistic Decision Making in Power Grid Operations: Implications for Dispatcher Training and Usability Testing, PNNL-18040, US Department of Energy, November 20 Plataforma Corporativa Plan de Operación Administrador de Modelo Ejecución de la Operación Análisis Predictivo Validación de Información SPM SPM SCS SPEM SNC DRP COP STLF PA Model builder Outage Scheduler CA CA LA Study Case Maniobras y Eventos Información de Eventos y Estados SCADA Estado de Equipos Fuente: Elaboración propia Gráfica 3. Esquema de soporte tecnológico para el Control Asistido de Maniobras. Fuente: Elaboración propia Gráfica 4. SPEM Secuencia Típica de Maniobras. 6