Simulación en tiempo real como alternativa de solución tecnológica ante la integración de Micro Redes en las redes eléctricas EDUARDO GÓMEZ LUNA, PhD Departamento de Investigación, Desarrollo e innovación Grupo de Investigación en Tecnologías de la Información, teleComunicaciones, Automatización y Potencia - GITICAP POTENCIA Y TECNOLOGÍAS INCORPORADAS S.A [email protected] - [email protected] - [email protected]

“Nuestra mayor debilidad radica en renunciar. La forma más segura de tener éxito es siempre intentarlo una vez más”

Thomas A. Edison.

Contenido 1. 2. 3. 4.

Introducción Desafíos de las micro redes Soluciones en tiempo real Integración de micro redes usando simulación en tiempo real 5. Conclusiones

1. Introducción

Introducción SOLUCIONES INTELIGENTES PARA LA INFRAESTRUCTURA ELÉCTRICA MODERNA

- Confiable - Segura Fuente: EM-DAT (The International Disaster Database, CRED)

- Resiliente Powerless New York During Hurricane Sandy “Mantener las luces encendidas con MICROGRIDS” 5

Soluciones inteligentes para las redes eléctricas modernas: Micro Redes     

Cargas Generación distribuida Almacenamiento de energía Conexión/Aislamiento de la red Control inteligente

Beneficios: -Aumentar la confiabilidad, seguridad y resiliencia de la red eléctrica. -Mejorar la calidad de los servicios de distribución. -Reducción de las pérdidas de potencia. UPME : Smart Grids Colombia Visión 2030 – Mapa de Ruta .

- Suplir el crecimiento de la demanda.

Fuente: A. A. Memon and K. Kauhaniemi, “A critical review of AC Microgrid protection issues and available solutions,” Electr. Power Syst. Res., vol. 129, pp. 23–31, 2015. .

6

2. Desafíos de las Micro Redes

Análisis de prospectiva Patentes 2%

Reportes técnicos 1%

Normatividad; 2%

DISEÑO Libros, Tesis 1%

Revistas IEEE Conferencias, Symposios, y otras revistas;

OPERACIÓN

32%

32% Revistas Elsevier Referencias: Información tomado de la revisión de un total de 150 documentos.

PLANEACIÓN

GESTIÓN

REQUERIMIENTOS REGULATORIOS

30% 8

Referencias: Información tomado de la revisión de un total de 150 documentos.

Propuesta de Requerimientos Regulatorios – CREG Circular 048 Modificación del código de red – Resolución CREG 025 1995 Requerimientos de Conexión Rangos de operación Respuesta en frecuencia Rampas operativas Control de tensión Permanencia ante huecos de tensión Respuesta de reactivos Supervisión y control Requerimientos de protecciones

“Definir los requerimientos mínimos de conexión de las fuentes no síncronas, permitirán la operación

Requerimientos Operativos

Pronóstico Desviaciones Reservas Flexibilidad del parque generador Redespacho Balance de generación - carga en tiempo real

flexible y la integración eficiente y

Requerimientos de Información

sostenible de estos recursos” XM - CND

Intercambio de información Procedimientos entrada en operación Fuente: XM Propuesta de requerimientos técnicos para la integración de fuentes de generación no síncrona al SIN. Documento XM CND 2017 – CREG Circular - 048

9

Desafíos de las redes eléctricas modernas CONTROL PARA EL BALANCE DE P/Q

DISTORSIÓN ARMÓNICA DE LA ONDA DE VOLTAJE COMPORTAMIENTO NO PREDECIBLE

REDESPACHO

DESPACHO DISTRIBUIDO IMPACTO EN FRECUENCIA Y TENSIÓN

Cómo se mueve la balanza?

FLUCTUACIONES REPENTINAS DE GENERACIÓN Y CARGA

FLUJO BIDIRECCIONAL

MULTIPLES PUNTOS DE CONEXIÓN VARIABILIDAD DE LA DEMANDA

CUMPLIR CON LOS ESTANDARES DE CIBERSEGURIDAD PÉRDIDA DE INERCIA

DIGITALIZACIÓN DE LA RED

NUEVOS ACTORES (PROSUMIDORES)

CONDICIONES DEL CLIMA

INCERTIDUMBRE OPERACIONAL

INTEGRACIÓN DE NUEVAS TECNOLOGÍAS

TRANSFORMACIÓN DE LA REDES ELÉCTRICAS 10

¿Cómo nos estamos preparando para afrontar los desafíos de las redes eléctricas modernas? • Inversores compensadores – Inversores Inteligentes • Filtros híbridos Calidad de potencia • Estrategias de control

• Compensadores estáticos para distribución (D-STATCOM) Estabilidad

Protección, control y comunicacio nes

• Protecciones adaptativas • Arquitecturas de control jerárquicas • Equipos multifuncionales para administración de red

•Herramientas de validación en tiempo real •Pruebas sofisticadas antes de la implementación en campo

• Software de gestión de energía Inteligentes – ADMS Gestión de energía 11

3. Soluciones en tiempo real

Soluciones tecnológicas de simulación en tiempo real Concepto de “simulación en tiempo real”

Monitoreo y gestión de datos en Tiempo Real

Tecnología de procesamiento de computo para simulaciones en Tiempo Real

13

Tecnología de procesamiento de computo para simulaciones en Tiempo Real

Reloj de simulación 1 udt

=

Reloj fenómeno real 1 udt

14

Evolución de la tecnología Simulación basado en CPU & FPGA Software – Hardware Actualidad

Digital Custom Simulators

T e c n o l o g í a

Simuladores Digitales – Supercomputadores Simuladores Híbridos (Analogo-Digital)

Simuladores Análogos

1960

1970

1980 Tiempo de evolución

1990

2000

Actualidad 15

Tecnología de simulación en tiempo real

Cumplimientos

Aplicaciones

Requerimientos de Conexión

Requerimientos Operativos

Requerimientos de Información

16 16

4. Integración de Micro Redes usando simulación en tiempo real

Simulación en tiempo real para integración de Micro Redes ¿CÓMO SE INTEGRAN LAS MICRO REDES AL SISTEMA DE POTENCIA ACTUAL CON SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL?

La operación de redes eléctricas basadas en energías no firmes, flujos bidireccionales,

almacenamiento,

vehículos

eléctricos

y

la

infraestructura de medición avanzada, requiere de sistemas complejos

de protección, control y comunicaciones; por lo tanto, la integración y funcionamiento de estos sistemas con la red eléctrica antes de su implementación debe ser simulada y validada usando Simulación en

tiempo real. 18

Control, protección y comunicaciones en una micro red Comunicaciones

Controlador DER – Eólica

Controlador Carga

Controlador DER – GD / VE

Controlador Carga

Controlador Central Micro Red

Requerimientos de Conexión

Controlador DER - PV

Controlador DER - Diesel

Requerimientos Operativos Requerimientos de Información 19

Simulación en Tiempo Real y su aplicación en Micro redes - Integración de Hardware

20

Simulación en Tiempo Real y su aplicación en Micro redes - Integración de Hardware

21

Simulación en Tiempo Real y su Aplicación en Micro redes - Validación de Scadas Inteligentes IEC61850 – ANSI C37.118

TERMOCARTAGENA

MAMONAL

MEMBRICAL

+

+

+

7SL87

+

7SJ55

3 -p h a s e PI

SPAA 322C1

SEL321

ABB RAZOA 7SL87

+

I

I

+ I

+

I I

+ +

+ +

+ +

+ I

I

+

ESCLAVO (Planta) +

+

v(t)

v(t)

v(t)

+

+

I

+

I

Iprobe3

+

Iprobe5

+

I

-

DNP3 - MAESTRO (Scada)

I

M-3310

M-3310 T2

1

1

2

T1

2

+

+

I

+

+

v(t)

v(t)

I

Iprobe28

Iprobe29

+

+

I

v(t)

I

v(t)

+

SM2

I

EXTERNAL CTRL HYDRO CTRL

SM1

SM f

M-3425

SM f

M-3425

EXTERNAL CTRL HYDRO CTRL

+ +

I

RMX-913

7VK61

v(t)

I

3 -p h a s e PI

3 -p h a s e PI

7SJ531

7VK61

LINEA_623

+

LINEA_624

+ 3 -p h a s e PI

LINEA_626

7SJ531

I

+

+

I

LINEA_627

+

TERMOCARTAGENA_2

+

+

I

SEÑALES ELÉCTRICAS 22

Simulación en Tiempo Real y su aplicación en Micro redes - Protecciones 1

+

2

+ +

3-phase PI

+

+

3-phase PI

Falla_2

Falla_1 3-phase PI

A P D POW1

Ir

+

+ R2

PV_BUS

L2

Flujo de corriente bidireccional 23

Simulación en Tiempo Real y su Aplicación en Micro redes - Protecciones I2 (conGD) < I2 (sinGD)

I2

If (conGD) > If (sinGD) 1

+

2

+ +

3-phase PI

+

+

3-phase PI

Falla_2

Falla_1 3-phase PI

A P D POW1

Ir

+

+ R2

I1

PV_BUS

L2

Protección Cegada - Pérdida de alcance de las protecciones 24

Simulación en Tiempo Real y su Aplicación en Micro redes - Protecciones 1

+

2

+

+ 3-phase PI

+

3-phase PI

+

+ Falla_1

+

A P D

Trip 3-phase PI

POW1

Disparo indeseado

Ir

+

+ R2

PV_BUS

L2

25

Software en lazo cerrado - SIL Objetivos  Prueba de Concepto  Descripción Funcional  Estudios Preliminares

PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Simulado

Simulado

26

Hardware en lazo cerrado - RCP Objetivos  Conectar un control simulado a la planta real  Análisis de sensibilidad para modelos de diferentes fabricantes/tecnologías (Neutralidad tecnológica)  Probar y optimizar los algoritmos de control  Validación / Detección de errores

PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Real

Simulado 27

Hardware en lazo cerrado - HIL Objetivos  Conectar el control real con una planta simulada  Probar el control final con toda seguridad  Análisis de sensibilidad para diferentes fabricantes/tecnologías (Neutralidad Tecnológica)  Preparar las pruebas físicas

PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Simulada

Real

28

Power Hardware en lazo cerrado - PHIL Objetivos  Integración de sistemas de potencia  Emular los sistemas de potencia y su entorno

PLANTA (Sistema físico a controlar)

CONTROL (Algoritmo)

Parcialmente simulado, real

Real o simulado

29

Pruebas en lazo cerrado - Modelo en V para Micro Redes Simulación en lazo cerrado

30

5. Conclusiones

Conclusiones - ¿ Cuánto cuesta corregir errores? Cuándo son introducidos los errores?

Cuánto cuesta corregir los errores?

%

% Verificar el diseño en la etapa más temprana

Diseño

Prototipado e Integración Pruebas de implementación sistema

Entrega

Menor trabajo y costos de validación Diseño

Prototipado e Integración Pruebas de implementación sistema

Entrega

32

Fuente: http://www.hydroquebec.com/innovation/en/institut-recherche.html

Conclusiones - Importancia de la simulación en tiempo real

Implementación exitosa

33

Conclusiones - Integración de Micro Redes Soluciones tecnológicas que garantiza que la integración de Micro Redes en las

redes eléctricas sea segura, confiable y eficiente. Mayor exactitud entre los análisis previos y la puesta en marcha ante

la integración de Micro Redes.

Predecir fenómenos ante la integración y puesta en marcha de Micro Redes en

las redes eléctricas.

34

Conclusiones: Integración de Micro Redes Diseñar, planear, probar y validar nuevas estrategias

de

protección,

control

y

automatización que en campo serían difíciles o imposibles de realizar. Emular eficientemente sistemas con

frecuentes cambios topológicos.

Aumentar la eficiencia cuando se ejecuten las pruebas

en campo,

disminuyendo riesgos, tiempos y por tanto costos operativos.

35

Conclusiones: Integración de Micro Redes En Colombia deberíamos implementar pruebas de simulación y validación en laboratorios de simulación en tiempo real de

los modelos,

soluciones

tecnológicas

sistemas que

y

serán

integrados al SIN, con el fin de contar con resultados confiables, seguros, y precisos,

tomando

decisiones

correctas y oportunas, como parte de los

procedimientos

exigidos

tradicionalmente para una adecuada y correcta operación del SIN.

“Nuestra mayor debilidad radica en renunciar. La forma más segura de tener éxito es siempre intentarlo una vez más”

Thomas A. Edison.

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