Proyecto Sistema de Respaldo Nacional ante Eventos de Gran Magnitud SIRENA

Proyecto SIRENA - Antecedentes El proyecto Sistema de Respaldo Nacional ante eventos de gran magnitud (SIRENA) nace en el año 2007 luego del apagón total que sufrió el Sistema Interconectado Nacional Colombiano en abril de ese año. El proyecto se propone como una acción de XM en la procura de implementar sistemas que pudiesen responder ante eventos de rara ocurrencia pero de gran impacto.

Cuál es el objetivo final de SIRENA? En el mundo técnico se está estudiando, proponiendo y experimentado diferentes formas de enfrentar el problema de fondo para el cual se desean usar las mediciones fasoriales: Detectar, prevenir y mitigar los blackout en los sistemas de potencia interconectados. A este tipo de aplicaciones se les conoce como WACS (Wide Area Control System) y es este el objetivo final del proyecto SIRENA: Proponer y quizás implementar un sistema lo suficientemente capaz de detectar y mitigar el efecto de eventos de rara ocurrencia pero de gran impacto, como el ocurrido en abril de 2007.

Aspectos Fundamentales Visión Proyecto SIRENA Sistema de Respaldo Nacional ante Eventos El proyecto SIRENA busca en el largo plazo implementar un Esquema de Protección de la Integridad del Sistema (ESPIS) de nueva generación, que permita ejercer control y protección del sistema para prevenir y mitigar la ocurrencia de eventos de gran magnitud Caribe Nordeste Se espera cumplir esta meta en un lapso de 3 a 5 años e involucra inversión en CT+I Aspectos Fundamentales Antioquia Uso de última tecnología en monitoreo de Sistemas de Potencia (PMU) Uso intensivo de Telecomunicaciones Explotar capacidades de computación distribuida Uso de nuevos métodos de análisis y simulación de sistemas de potencia Implementará un sistema WAMS / WACS Iniciar la aproximación a tecnologías de smart grids en el SIN Oriental Suroccidental

Como se cubre el Sistema de Potencia ante Eventos? Se Identifican restricciones para el transporte de potencia en la red de transmisión, utilizando unos criterios de seguridad y confiabilidad previamente definidos. El Código de Redes (Resolución CREG 025/95) es la base de estos criterios en Colombia. Generalmente se aplican criterios de Estado Estacionario y Estabilidad Dinámica del sistema, de manera que este sea capaz de soportar contingencias creíbles sobre la red. La Planeación de la Operación de los sistemas de potencia utiliza modelos de simulación para condicionar el sistema previo a la operación, buscando garantizar su seguridad cumpliendo los criterios definidos.

Más allá de los criterios convencionales La practica usual en la industria es cubrirse ante eventos “creíbles” con el fin de balancear la seguridad y la economía Qué pasa cuando ocurren eventos de rara ocurrencia ante los cuales el sistema NO está cubierto ? Que pasa si hay una Falla Oculta en una Protección de Equipo ? Qué hacer si es muy caro cubrirse ante un evento que puede ocurrir pocas veces en periodos largos de tiempo ? Qué pasa si …

¿Por qué implementar ESPIS? Ante el riesgo de Colapsos Parciales o Totales de la Demanda debido a condiciones extremas de operación, se desea tener alguna manera de detener el avance de los eventos, o en lo posible mitigar su efecto. Las protecciones “normales” no están diseñadas para proteger el sistema, ni se pretende que lo hagan. Los humanos son lentos. Por lo tanto, en muchos casos para protegerse ante eventos debe utilizarse una combinación de hardware y software. Cuando se obtiene la información necesaria en el momento correcto, se pueden tomar decisiones sobre la red que permitan mantener la continuidad del servicio para el grueso de la demanda del sistema. La solución está en la implementación de ESPIS

Probabilidad de Ocurrencia / Impacto en la Demanda Alternativas para Incrementar la Confiabilidad del Sistema Eventos en el Sistema Probabilidad de Ocurrencia / Impacto en la Demanda ESPIS ESPIS Bajo Costo Operativo Impacto Medio en la Demanda Rápida Implementación Bajo costo de Inversión Gen Seguridad Alto Costo Operativo Impacto Bajo en la Demanda Muy Rápida Implementación Ningún costo de Inversión Expansión Bajo Costo Operativo Impacto Bajo en la Demanda Lenta Implementación Alto costo de Inversión Generación de Seguridad Expansión de la Red Reservas (Generación - Transmisión)

Los límites de la protección de equipos Las protecciones de equipos son dispositivos locales que no consideran la totalidad del sistema. Su intención es evitar el daño de los elementos del sistema ante condiciones extremas de operación (voltajes o corrientes). G Conceptualmente, las protecciones de equipo, ven el árbol, pero jamás ven el bosque. G Como podemos ver el Bosque? Como se puede utilizar efectivamente el tiempo entre la actuación de protecciones y la acción del operador ?

Wide Area Protection and Control Systems – WACS G Comunicaciones Inteligencia de Detección PMU WAMS PMU G PMU Inteligencia de Actuación PMU La medida sincronizada de fasores permite tener una “imagen” instantánea del sistema de potencia, de su comportamiento en tiempo real y de lo que está pasando en un lugar deseado. WACS

Plan de Actividades del Proyecto

Plan de Actividades del Proyecto Estado Actual 2008 2013 ESPIS con tecnologías convencionales Integración WAMS a Centro de Control Apropiación tecnológica PMU y WAMS Desarrollo prototipo WAMS Desarrollo WACS Investigación y Desarrollo Tecnológico Desarrollo Regulatorio ESPIS y WAMS/WACS

ESPIS con Tecnologías Convencionales El objetivo era tratar de cubrir la mayor cantidad de tipos de contingencia El referenciamiento internacional y los análisis realizados mostraron que existe un límite para la implementación de estos esquemas. Cuando dependen del despacho de generación o del nivel de demanda existen riesgos de mala actuación debido al alto enmallamiento y la complejidad del Sistema de Potencia. Se determinó entonces que los ESPIS convencionales aplicables cubrirían: Eventos de frecuencia y en algunos casos los de voltaje, en particular ante grandes desbalances y aislamientos. Eventos con alta probabilidad de cascadas con ámbito local o zonal donde predomina la radialidad.

Importancia de la Reglamentación ESPIS y Reglamentación Los Sistemas de Potencia se planean y operan dentro de un modelo de mercado y una reglamentación. La reglamentación debe crear un marco de acción para determinar responsabilidades y facilitar la resolución de conflictos potenciales. El diseño, implementación y operación de los ESPIS y WAMS/WACS obedecerá a lo delineado en la reglamentación. Debe existir coherencia entre el mercado, las reglas y la implementación de los ESPIS Regulación Generación Transporte Demanda Operación Regulación Modelo de Mercado En marzo de 2008, el proyecto preparó y presentó a la Comisión de Regulación de Energía y Gas una propuesta conteniendo los elementos que deben ser tenidos en cuenta para la reglamentación adecuada de los ESPIS. Actualmente se encuentra en estudio por parte de la CREG.

Investigación y Desarrollo tecnológico Debido a la gran componente de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Proyecto, XM ha buscado interacción con Universidades en Colombia y el exterior: Grupo T&D – Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia LabPlan – Universidad Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil Gran parte del material tratado aquí ha sido producto del trabajo conjunto entre XM y la UPB dentro del proyecto para la “Identificación de las potencialidades de observación y control del SIN utilizando PMU” El diseño e implementación de la arquitectura de información ha resultado de la colaboración entre XM y el LabPlan de UFSC

Phasor Data Concentrator (PDC) Todo sistema de medición fasorial requiere un equipo adicional a las PMU que permita recibir, organizar, comparar y almacenar las medidas enviadas por las PMU. Debe ser capaz de operar en tiempo real a la tasa de envío de mensajes C37.118 desde las PMU, utilizando el protocolo de comunicaciones más conveniente (ancho de banda). En el ambiente se le conoce como Phasor Data Concentrator o PDC. Hasta hace muy poco, no existían soluciones comerciales. Los PDC eran desarrollados a la medida por cada empresa. En la actualidad esto ha cambiado.

Proyecto SIRENA Medidor Multifuncional XM-2210 XM desarrolló su propio equipo PMU con el fin de conocer de primera mano la tecnología de medición fasorial y la implementación del estándar IEEE C37.118 de 2005. El énfasis se ubicó en sincronización, algoritmos de cálculo de fasores y comunicaciones. Unidad Atenuación de Señales Tarjetas Adquisición de Datos Computador Industrial En junio de 2009 se instaló la primera PMU XM-2210 en la subestación Esmeralda, la cual se incorporó al proyecto de oscilaciones mediante el uso del software Phasor Point de Psymetrix.

Aplicaciones WAMS El ángulo del voltaje en sistemas de potencia es un síntoma muy precoz del comportamiento de la red. El estudio del ángulo en diversas barras de un sistema permite identificar situaciones que podrían llegar a ser peligrosas. Pero, que hacer con todos los ángulos del sistema ?

Aplicaciones WAMS 1. Observación Monitorear el estado global de la red (variables eléctricas en barras). 2. Estimación de Estado Calculo directo, global y en tiempo real, sin realizar cálculos iterativos. 3. Estabilidad Monitoreo en tiempo real de ángulos de tensión y corriente. Agiliza el procesamiento de señales Es posible calcular directamente los parámetros de las líneas, transformadores, etc. 4. Parametrización de la red

Aplicaciones WAMS Mediciones en los dos extremos de la línea para determinar su impedancia. (o en cada tramo). 5. Localización de fallas Mejoran la confiabilidad en las acciones de control, disminuyendo incertidumbre en la toma de decisiones. 6. Control y protección 7. Análisis operativo  Análisis de perturbaciones e investigación de desempeño de los sistemas de control.

Incrementar el área de observabilidad geográfica de la red. Observabilidad del Sistema de Potencia Los PMU son típicamente instalados en subestaciones clave (Gen – Flujo) Actualmente la ubicación óptima de los sistemas PMU se basa en la necesidad de: Identificar las oscilaciones inter-área y otros comportamientos dinámicos que atenten contra la seguridad. Incrementar el área de observabilidad geográfica de la red. Minimizar el número de equipos requeridos para garantizar observabilidad completa. Existe un potencial importante en la determinación del nivel óptimo de instalación de PMU, considerando: La evolución del costo de PMU y la multifuncionalidad El Ancho de Banda disponible vs el requerido EE Distribuido ?

Diseño Conceptual WACS Sirena En el Centro de Control se centralizan los datos de PMU y se ejecutan acciones de protección y control globales del Sistema Los WACS no remplazarán a la protección primaria de equipos, ni a zonas 1 y 2 o reversas. Tienen mas efecto sobre zonas 3 y sobrecargas. G PMU IDD Súper PDC EMS/WACS G R PMU PMU PMU IDD R R IDD IDD PMU IDD PMU IDD En cada S/E se implementa un grupo PMU + PDC integrado con un IDD para protección y control local Los Intelligent Decision Devices (IDD) son elementos de software que permiten tomar decisiones distribuidas utilizando información local o regional de los PMU y las subestaciones. PMU PMU En cada Región de Control grupos de PDC e IDD colaboran para adquirir datos y ejecutar acciones de protección y control IDD IDD PMU PMU G G IDD IDD

Diseño Conceptual WACS Sirena Escala de Tiempos de Actuación Distribuida – Sistema Interconectado Actuación lenta (> 10 sec) SCADA/EMS/NA PMU IDD PMU IDD Distribuida – Subárea/Región/Zona Actuación lenta (< 10 sec) PMU IDD PMU IDD Local – Subestación Actuación rápida (< 2 sec) PMU IDD PMU IDD Local – Equipo Actuación muy rápida (< 200 ms) RELÉS RELÉS RELÉS RELÉS RELÉS Ref: SPID System Project – DoD/EPRI Liu, Vittal, Phadke, Heydt & Jung

Prototipo WAMS

Proceso de instalación de PMU’s en el STN En agosto de 2009 se invitó a cotizar a 4 fabricantes de PMU y como resultado, se adquirieron: 6 PMU Arbiter 2 PMU ABB 9 S/E instaladas 3 S/E por instalar El proceso de instalación ha dejado aprendizajes como: Conectar en núcleos de medida, no de protección Considerar el tipo de S/E al implementar PMU unicampo o multicampo Utilizar protocolo TCP para comandos y UDP para datos Tener en cuenta el efecto del protocolo IEC 61850 en la implementación definitiva del sistema WAMS.

Proyecto SIRENA – Arquitectura de información

OpenPDC Es un programa open source desarrollado por Tennessee Valley Authority (TVA), desarrollado específicamente para administrar el flujo de fasores en tiempo real y almacenar este flujo de datos usando protocolos estándares (IEEE C37. 118). OpenPDC tiene como característica poder redistribuir los datos adquiridos y almacenados en tiempo real a otros PDC’s. Los fasores son sincronizados con los demás que llegan al OpenPDC por su estampa de tiempo. Esto permite definir acciones a tomar utilizando una “instantanea” de todos los fasores medidos en el sistema, tal como si fuera un flujo de cargas.

Psymetrix Phasor Point WAMS

Osisoft PI Osisoft PI es utilizado en XM como la herramienta principal para el análisis y almacenamiento de datos históricos operativos y del mercado. El proyecto está probando la interfaz PMU de PI para integrar estas medidas en las herramientas utilizadas actualmente y para mejorar las herramientas de visualización del estado del SIN en el centro de control.

Trabajo Futuro

Proyecto SIRENA – Qué sigue? El proyecto en 2011 se enfocará en: Trabajar con UPB en la caracterización de los puntos de operación del sistema, y el comportamiento angular ente fallas, con lo cual se puedan desarrollar advertencias y alarmas para la operación en tiempo real. Trabajar con UPB en la investigación de modelos de estimación de estado distribuido que permitan mejorar la observabilidad del sistema. Trabajar con UPB/UTP en la investigación de localización óptima de PMUs para lograr completa observabilidad del sistema. Trabajar con Psymetrix en la implementación de nuevas capacidades de monitoreo y alarma utilizando el Sistema Phasor Point. Trabajar con la UFSC en investigar metodologías de detección, previsión y mitigación de apagones en sistemas de energía eléctrica utilizando medición fasorial. Como trabajo doctoral de un Especialista de XM . Consolidar la colaboración entre empresas para optimizar el esfuerzo en I+D (EPM, ISA y TCA) Impulsar con la CREG el desarrollo regulatorio necesario para la implementación de sistemas WAMS y WACS en el SIN (Propiedad*, Responsabilidad, Remuneración). Integrar el proyecto SIRENA en el diseño e implementación del nuevo Centro de Control de Energía de XM. Hoy se trabaja en RFI.

Muchas gracias ! Preguntas y comentarios: Ramón Alberto León – raleon@xm.com.co Jorge Enrique Gómez – jegomez@xm.com.co