SISTEMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERADORES

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1 SISTEMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERADORES Ing. Juan Huaman Ing. Andrés Huaman Resumen A medda que pasan los años los sstemas de potenca han expermentado un crecmento mportante lo que conlleva a que la operacón de tales se vuelva cada vez mas complcados, donde es necesaro que el operador del sstema tenga los conocmentos necesaros y la destreza para manejar el sstema tanto en estado estaconaro como en emergenca. En este trabajo, se explcará cualtatvamente un sstema para que los operadores de los sstemas eléctrcos puedan práctcar stuacones que ocurren a cada momento durante la operacón en tempo real. Introduccón El Sstema Eléctrco Interconectado Naconal SEIN, a pesar de que en los últmos años ha expermentado grandes cambos debdo al ngreso de líneas de transmsón y nuevas centrales, todavía persste la característca radal en algunas zonas en especal en zonas propensas a la ocurrenca de contnuas fallas. En ese sentdo, los operadores deben tener la perca para restablecer el sstema en el menor tempo posble y ello se puede lograr de una manera rápda con adecuado nvel de conocmentos de sstemas de potenca y la experenca necesara (promedo 5 años). En ese sentdo, este trabajo descrbrá un sstema de entrenamento para operadores para que el operador pueda capactarse y así mejorar su efcaca al momento de restablecer el sstema. Asmsmo, durante el entrenamento se podrá detectar algunos problemas en el restablecmento y así tomar las accones correctvas para que luego durante una falla real el operador no tenga nngún problema en restablecer el sstema. El Sstema de Entrenamento de Operadores como su propo nombre lo dce, será un sstema para el entrenamento contnuo de los operadores de un sstema de potenca. 1. Defncones SEO:Sstema de Entrenamento de Operadores SEP:Sstemas Eléctrcos de Potenca OTR: Operacón en Tempo Real 2. Obejtvos Los objetvos de corto plazo del presente trabajo son: Explcar cualtatvamente el funconamento del SEO. Facltar al operador del sstema una herramenta práctca para poder entrenar su capacdad de respuesta ante dversos tpos de fallas o confguracónes especales en el sstema. 3. Operacón en Tempo Real de sstemas de potenca La operacón en sstemas de potenca se dvde en los sguentes aspectos: Despacho económco: proceso que se encarga de operar las undades de generacón al mínmo costo. Control de frecuenca: proceso donde se controla la frecuenca del sstema dentro de los márgenes permtdos. Control de tensón: proceso donde se controla la tensón en las barras de transmsón dentro de los márgenes permtdos. Control del flujo de nterconexón con otros países: proceso donde se controla el flujo de exportacón o mportacón haca otro sstema a un valor predetermnado. Control de manobras de equpos: proceso donde se supervsa y se ejecuta las manobras de equpos del sstema. Según la normatva vgente de cada sstema, la operacón del SEP normalmente se operan bajos los crteros de segurdad, caldad y economía. 4. El operador de un sstema eléctrco de potenca El operador del sstema es el encargado de controlar las varables eléctrcas y/o energétcas y las conexones nternaconales de un SEP, de acuerdo a lo establecdo en la

2 normatva vgente y sguendo los crteros de segurdad, caldad y economía. En ese sentdo, es necesaro que el operador del sstema cuente con los conocmentos necesaros y la destreza adecuada, para que cuando ocurra una perturbacón, llevar al sstema a la brevedad posble del estado de emergenca para haca su estado normal Conocmentos necesaros para el operador de un SEP. Los conocmentos necesaros que deberá tener el operador de un SEP son: Flujo de carga Despacho económco de sstemas de potenca Establdad de sstemas de potenca Compensacón reactva de sstemas de potenca Proteccon de sstemas de potenca Normatva vgente Cabe menconar que durante la OTR, el operador tendrá que poner en práctca todos sus conocmentos para restrablecer el sstema. Debdo a que los conocmentos necesaros del operador son materas muy amplas y además el SEP es muy dnámco y sujetos a la ocurrenca de fallas, se consdera necesaro que el operador esté sujeto a una práctca contnua sobre el manejo de la red y los procesos de restblecmento, as poder ganar efcaca en los procesos de la OTR Curva de capacdad de respuesta de un operador ante la ocurrenca de una falla mayor conocmento y experenca tendrá mayor efcaca en el proceso de restablecmento del sstema. 5. Metología del Sstema de Entrenamento de Operadores - SEO 5.1 Metología del flujo de carga Flujo de potenca AC Flujo de potenca AC El problema del flujo de potenca consste en determnar las condcones de operacón en estado estaconaro de la red. El estado de la red para equpos convenconales esta dado por conocer las varables de estado de la red: Tensón de la barra (V) y ángulo de las barras ( ). Fg. 5.1: varables de estado de la red Formulacón del problema La determnacón del estado de la red (V,), en todas las barras, puede ser formulada como la resolucón de un conjunto de ecuacones no lneales de las correntes usando la ley de Krchhof. Barra K V Fg. 5.2: varables de estado en la barra K Fg. 4.1: Respuesta del operador ante una falla Cabe menconar que la OTR ncluye los procesos de control de parámetros de la red eléctrca, manobras en los equpos de la red y proceso de restablecmento luego de un blac out. Según la Fg. 4.1 se puede aprecar que a meda que el operador tenga Dependendo de cuales varables son explctas, las barras del sstema son clasfcados como: Barra Tpo PQ: Típcamente, son las barras de carga son conocdas como P K, Q K

3 Barra Tpo PV: Típcamente son barras de generacón con tensón controlada; son especfcados el modulo de la tensón (V K ) y el valor de la potenca actva (P K ). Barra Tpo VTípcamente corresponde a una undad generadora donde V y son especfcados Ecuacones de flujo de potenca Las ecuacones báscas para la resolucón del problema de flujo de potenca en sstema eléctrco de potenca está basado en el balance de potenca actva y reactva en todos los nodos de la red. Ver ecuacones (5.1) y (5.2). n P V, 0 (5.1) 1 n Q V, 0 (5.2) 1 Donde: l P P, l es el número de enlaces o j1 j ramas que se conectan en la barra. Además de las ecuacones de balance, tenemos otras restrccones que modelan los límtes operaconales, tales como: En las barras de carga: Los rangos de la tensón de operacón. En las barras de generacón: Los límtes de potenca reactva de acuerdo a su curva de capabldad del generador. En los transformadores con regulacón bajo carga: Los límtes de taps máxmos y mínmos Formulacón general La formulacón general para la resolucón del problema de flujo de potenca, se nca en base a la aplcacón de la Ley de Krchhof en cada nodo. Fg. 5.3: Ley de Krcchof La aplcacón de la Ley de Krcchof en el nodo de la Fgura N 5.3 está dado por: m m I I I ; Para K 1,..., NB (5.3) Reordenando convenentemente la ecuacón (5.3) obtenemos la ecuacón: I m y I m E y I m I l I j v vm v ym m m Defnr la ley de formacón de la matrz Y: y m (5.4) (5.5) Aplcando la Ley de Krchhof en el nodo que se muestra en la Fgura N 5.3 se obtene la sguente ecuacón:.. I E y y E E y E E y E E m m m l l j j (5.6) Ordenando convenentemente la ecuacón (5.6) se obtene la sguente ecuacón: l j v m

4 I y ym yl yj.. E ymem yl El... (5.7) Utlzando la ecuacón (5.5) y la ecuacón (5.7) obtenemos lo sguente: (5.13) Los elementos de la matrz admtanca tenen la sguente forma: y g jb I1 Y11 Y12... Y1 n V1 I 2 Y21 Y22... Y 2n V I Y 1 Y 2... Yn V Y n1 Yn 2... Ynn (5.8) Donde: n representa el número de barras de la red Resolvendo la ecuacón matrcal (5.8) obtenemos la sguente ecuacón: I Y 1E1 Y 2E2 Y 3E3.. Y E.. Y E n n (5.9) Identfcando coefcentes semejantes entre las ecuacones (5.9) y (5.4) encontramos la sguente relacón para los elementos de la dagonal: Y y ym yl.. y j (5.10) La ecuacón (5.10) tamben puede se puede expresar de la sguente forma: Y y y ; R : Conjuntodebarras vecnas a. j K jrk (5.11) En forma análoga, para los elementos fuera de la dagonal, obtenemos: Y Y m j y y j m (5.12) (5.14) Reemplazando la ecuacón (5.14) en (5.8) tenemos que la matrz admtanca puede expresarse como: Y G jb (5.15) Tener presente que para el cálculo de los B elementos de las dagonales KK es consderado el aporte de los elementos de compensacón reactva y de los elementos unts de las líneas de transmsón Modelos de los transformadores y líneas de transmsón para la resolucón del problema de flujo de potenca El modelo utlzado en los transformadores para el análss de flujo de potenca esta dado por su equvalente p ( ). Ver Fgura N 5.4. I m K B Fg. 5.4: Crcuto equvalente del transformador Donde A, B y C son funcón de la admtanca y del tap del transformador. El modelo utlzado para las líneas de transmsón se muestra en la Fgura N 5.5. De manera smlar como en los transformadores, las líneas de transmsón A C M I m

5 son modeladas a través del modelo p ( ), que es defndo por tres parámetros: r : Resstenca sere x : Reactanca sere b : Susceptanca unt Usando las ecuacones anterores se puede crear una nueva funcón vectoral: g x P Q K M (5.19) I m b z r jx b I m Para cada teracón, través de: x es obtendo a y g jb m m m g x J x. x Fg. 5.5: Crcuto equvalente de la línea de transmsón Método de Newton Raphsom para análss de flujo de potenca La aplcacón de las leyes de Krchhoff en todas las barras de la red eléctrca resulta en las sguentes ecuacones nodales: P V V G cos B sn m m m m m m Q V V G sn B cos m m m m m m Con =1,...,NB (5.16) (5.17) El problema a resolver consste en obtener el estado de la red; y eso se consgue resolvendo las dos ecuacones anterores cuyo objetvo es conocer los valores de las varables de estado V, en todas las barras de la red. Por otro lado, las ecuacones de flujo de carga expresado en forma vectoral esta dado por: esp P P P V, 0 esp Q Q Q V, 0 (5.18) g P NPQ NPV x x Q Elementos NPQ Elementos V (5.20) (5.21) NPQ NPV Elementos NPQ Elementos (5.22) La expresón para el jacobano en cada teracón queda formulado como: J x P P V Q Q V Tenendo presente que: esp calc Q Q Q, Obtenemos lo sguente: J x P Q V, 0 Para barras PQ P V Q V NPQ NPV Elementos NPQ Elementos (5.23) (5.24) (5.25)

6 Las ncógntas del sstema pueden ser escrtas como: x V NPQ NPV Elementos NPQ Elementos (5.26) Fnalmente las ecuacones anterores pueden ser colocadas en la sguente forma: P H Q M N L V (5.27) Consderacones a tener para la resolucón del problema: Construr las matrces completas (dmensón NBxNB) En la matrz H colocar un número muy grande ( ) en las poscones de las dagonales correspondentes en la barra de referenca. En la matrz L colocar un número muy grande ( ) en las poscones de las dagonales correspondentes a la barras de referenca V y barras PV Crtéro de convergenca mas comunmente usado: P Q P ; Para las barras tpo PQ y PV Q ; Para las barras tpo PQ 5.2. Metología de la nterface gráfca (5.28) (5.29) La mplementacon sería una aplcacón WEB que permtra: - La ejecucón en estacones, sn nnguna confguracón de hardware especal. - El entrenamento podra realzar en forma remota. Para soportar esta consderacón se requere mplementar: - Servdor de Aplcacones Web: Sstema Operatvo Wndows Server 2008 R2 con Internet Informaton Server para la ejecucón del aplcatvos core del SEO. - Servdor de bases de Datos: SQL server u Oracle 11G r2 para el almacenamento de la nformacón del SEO. - Un servdor para comuncacones, en caso se confgure un servco de Telefona Dgtal IP: Asters, Este servco permtría adconalmente comuncacón a travez de nternet y grabacón de las secuencas para evaluacón posteror. La herramenta de software utlzado para el desarrollo de esta aplcacón es el Vsual Studo de Mcrosoft utlzando la plataforma Net. Fg. 5.6: Lenguajes de programacón para el SEO Este plataforma permte ntegrar el desarrollo de varos lenguajes de programacon como Vsual Basc, C#, C++. El modelamento de datos para manejar esta nformacón se basará en el estandar CIM (Common Informaton Model) esta norma aprovecha los ultmos estandares de la ndustra del software como el XML(Extensble Marup Language) y RDF (Resource Descrpton Framewor) y especfca un formato de ntercambo del modelo basado en XML llamado CIM/XML 1. El modelo esta defndo en el lenguaje formal UML.

7 - Paquete Outage defne las clases para los programas de planfcacón para la operacón y mantenmento de los sstemas de potenca. - Paquete Protecton defne las clases para representar los equpos de proteccón (clase ProtectonEqupment) y las secuencas de cerre automátco (clase RecloseSequence). - Paquete SCADA defne las clases de los dspostvos electróncos que generan nformacón con los sstemas SCADA (Sstemas de Supervson y Control, en el se defne la clase CommuncatonLn. Fg. 5.7: Dagrama de paquetes de la UML -Paquete Wres contene las clases que representan los equpos físcos componentes del sstema eléctrco de potenca. Ejemplo: los nterruptoresy secconadores. - Paquete Topology defne las clases para defnr las conexones entre los equpos.los objetos generados a partr de la clase ConnectvtyNode defnen los puntos donde se conectan los equpos por medo de la clase Termnal. - Paquete Central Core defne clases, como IdentfedObject, que serán clases base de la mayoría del resto de clases del modelo. - Paquete Generaton defne las clases para representar la nformacón sobre la generacón de energía, por ejemplo: GeneratngUnt o HydroTurbne. - Paquete Meas defne las clases referdas a las medcones en los sstemas eléctrcos: por ejm Measurement, MeasurementType. -Paquete Load Model defne las clases para modelar el consumo de energía eléctrca. La clase EnergyConsumer, clase base de los tpo de consumdores de energía. La dependenca del voltaje y la frecuenca de las cargas tambén puede ser modelado. - Paquete Doman defne todos los tpos de datos utlzados en el modelo CIM. El modelo de datos de la aplcacón SEO esta basado en CIM, lo que permtra el manejo de la base de datos en forma ordenada logrando que el desarrollo del aplcatvo sea mas efcente 6. Modulos de entrenamento El SEO constará de 4 módulos de entrenamento, los cuales consderarán los aspectos báscos de la Operacón en Tempo Real de un sstema de potenca. Los módulos del SEO son: 5.1. Módulo de control de frecuenca Este módulo estará dsponble para la sguente versón del SEO. En este futuro módulo, se enfocará en el manejo y habldades del control de frecuenca en stuacones normales y de emergenca, así como al cumplmento de las dsposcones contendas en la normatva vgente. Las temátcas propuestas en este módulo son: técncas de control de frecuenca, asgnacón de reserva, cambos de generacón, etc Módulo de control de tensón Este módulo se enfocará en entrenar al operador para controlar las tensones en las barras de transmsón en estado normal y emergenca, dentro de los margenes permtdos optmzando los recursos dsponbles y a la vez dsponer el soporte de potenca reactva en las undaddes de generacón y en los equpos de

8 compensacón para tener margen para responder ante contngencas que puedan ocurrr en el SEP. Las temátcas de este módulo son : control de tensón, fundamentos de potenca actva y reactva, operacón de bancos capactores, operacón de reactores, operacón de SVC y desconexón y conexón de líneas de transmsón Módulo de establdad permanente Este módulo se enfocará a entrenar al operador para que cuando el SEP perda margen de establdad permanente en un punto de operacón debdo a un cambo en la topologa de la red, el operador realce las accones necesaras para regresar al sstema un adecuado margen de establdad permanente. Cabe menconar que este módulo, solo consderará la respuesta natural del sstema. El módulo de establdad transtora estará dsponble para la sguente versón del SEO Módulo de manobras Este módulo se enfocará en entrenar al operador para la correcta ejecucón de manobras, de acuerdo a la normatva vgente. Las temátcas de este módulo será: cambo de barras en subestacones de alta tensón y cerre de anllos Módulo de restablecmento Este módulo se enfocará en entrenar al operador para las dversas manobras de restablecmento de un área del sstema luego de su blac out. Las temátcas en este módulo será la combnacón de los módulos de tensón y manobras. 6. Dagrama funconal El dagrama funconal del SEO será el sguente: 6.1. Característcas físcas del SEO Las característcas físcas del SEO en cuanto a nfraestructura son las sguentes: El operador dspondrá de 3 pantallas donde podrá vsualzar las 3 prncpales áreas del un SEP. Asmsmo, contará con una pantalla adconal donde podrá vsualzar las alarmas de desconexón de equpos del SEIN y los egenvalores del SEIN. Según la teoría de establdad de SEP, los egenvalores del sstema son quenes nos determnan los márgenes de establdad del sstema. El operador dspondrá de dos teléfonos para realzar coordnacones operatvas con las empresas (1 y 2). En la parte posteror del operador, estarán los operadores de las empresas (en adelante empresas 1 y 2). La empresa 1 corresponderá a empresas de Generacón y la empresa 2 corresponderá a empresas de Transmsón Característcas funconales del SEO En esta etapa el operador se enfrentará a stuacones operatvas smlares a las de la operacón en tempo real, hacendo énfass en los temas en los cuales está sendo entrenado (tensón, manobras y restablecmento con dversos nveles de complejdad. Para la construccón del escenaro base, se parte de los prncpales estados de operacón del sstema, es decr en estado normal, emergenca y restablecmento, de modo que se puede smular y entrenar desde los dversos estados de operacón, basados en condcones que hayan ocurrdo o no en la operacón real. Dependendo de los objetvos específcos de cada entrenamento, se aplcarán dferentes tpos de smulacón como las sguentes: Fg. 6.1: Dagrama funconal del SEO Smulacón guada: el nstructor guía al entrenado sobre cómo ejecutar una tarea o responder a un evento. Esta forma es para los nuevos operadores. Smulacón de reaccón: el nstructor establece un escenaro de smulacón modfcando las condcones del sstema con

9 el fn de observar el desempeño del operador. Por ejemplo: La empresa 1 smulará la desconexón de un equpo (falla) en el SEIN. Esta desconexón se reflejará en la pantalla de alarmas para que el operador pueda detectar que hubo una falla y en coordnacón con las empresas 1 y 2, restablecer el SEP a su operacón normal. Para cada manobra se ejecutará un flujo de carga Smulacón mxta; el nstructor establece un escenaro de smulacón ntervnendo cuando lo consdera pertnente, permtendo al entrenado tomar algunas decsones, con las cuales le serán evaluadas su capacdad de respuesta y efectvdad de sus decsones. 7. Objetvo a largo plazo del SEO El objetvo a largo plazo del SEO será el de ncorporar el módulo 1 y lo relaconado a la establdad transtora en SEP. 8. Conclusones La efcaca del operador del SEP dependerá de los conocmentos y experenca adqurda en la operacón. El SEO es una herramenta mportante para que mejorará la capacdad de respuesta del operador para poder restablecer un SEP a la brevedad posble. 9. Agradecmento Un agradecmento especal al Ing. Elmer Palpan por colaborar con la programacón de la nterface gráfca. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FACTS Modellng and Smulaton n Power Networs - E. Acha, C.R. Fuerte Esquvel, H.Ambrz Perez and C.Angeles Camacho [2] Power System Stablty and Control - Prabha Kundur. [3] EPRI: 2011 TECHNICAL REPORT Commom Informaton Model Prmer. Frst Edton.

10 CURRICULUM VITAE ING. ANDRÉS EDWIN HUAMAN MUCHICA N CIP: ahuaman8126@gmal.com Especalsta en Operacón de Sstemas de Potenca con sóldos conocmentos en Generacón, Transmsón y Dstrbucón de la energía eléctrca. A la fecha tengo 9 años de experenca y desempeño el cargo de Coordnador de la Operacón del Centro de Control del COES. A la fecha he llevado cursos de capactacón de postgrado a nvel naconal como en el extranjero, tambén he llevado cursos de la Maestría en Sstemas de Potenca en la UNI y actualmente estoy cursando la Maestría en Gestón de la Energía en ESAN. Como otras actvdades, desarrollo trabajos de consultoría y cursos de capactacón en Sstemas de Potenca.

11 Juan Carlos Huaman Muchca RESUMEN Profesonal formado en la Unversdad Naconal de Ingenería con mencón en Ingenería Eléctrca, con ampla experenca en coordnacón de la operacón en tempo real, análss de fenómenos en estado dnámco y en estado estaconaro, despacho económco y operacón de sstemas eléctrcos de potenca. Experenca Laboral Asstente de Operacones del Centro de Control (COS) de Electroperu ( Agosto 1997 Agosto 2000) Asstente de Operacones en la Central Mantaro Electroperú (Agosto 2000 febrero 2004) Coordnador de la Operacón del COES (Abrl 2006 A la fecha) Docente del curso Establdad de Sstemas de Potenca UNMSM (Marzo 2009 Dcembre 2012) Cursos de Especalzacón Cursos de Maestría Unversdad Naconal de Ingenería Dnámca de sstemas eléctrcos de potenca año 1997 Confabldad en sstemas de potenca año 1998 Establdad dnámca en sstemas eléctrcos de potenca año 1998 Cursos de Post Grado Unversdad Naconal de San Juan - Argentna Establdad y control de sstemas eléctrcos de potenca (Kundur) año 2000 Despacho Económco de Sstemas Hdrotérmcos en Mercados Eléctrcos Compettvos año 2003 Curso de Curto-Crcuto, Marzo 2009 Maestría Inco: Marzo 2004 Fnal: Febrero 2006 Mencón en Sstemas de Energía Brasl Unversdad Federal do Maranhão Dscplnas llevadas: Análss de sstemas de potenca I Transtóros Eletromagnétcos en sstemas de energa eléctrca Operacón Económca de sstemas eléctrcos Análss de sstemas de potenca II Intelgenca Artfcal Fenómenos Dnámcos