Oscilación de Potencia

1. Oscilación de Potencia • Proyecto PDT: • estudios de estabilidad de escenarios a corto plazo del sistema eléctrico uruguayo (UdelaR – FING – IIE) Diciembre - 2006 Celia Sena, Ricardo Franco

2. Oscilación de Potencia Desarrollo de la presentación • Definiciones • Fenómeno de Oscilación de Potencia • Efectos en los relés de protección de las líneas de trasmisión • Métodos para la detección • Filosofía de protección

3. Definiciones • Oscilación de potencia (power swing): • Variación en la potencia trifásica, debida al avance o retroceso de los ángulos relativos entre generadores, como respuesta a cambios en la magnitud de la carga, faltas y otras perturbaciones en el sistema. • Oscilación de potencia estable: • Es estable si los generadores no pierden el paso polar y el sistema alcanza un nuevo estado de equilibrio. • Oscilación de potencia inestable: • Es inestable si un generador o grupo de generadores pierde el paso polar.

4. Definiciones • Condición de pérdida de paso polar (out-of-step condition): • Oscilación de potencia inestable. • Centro eléctrico del sistema o tensión cero (electrical system center or voltage zero): • Es el punto o puntos del sistema eléctrico donde la tensión se hace cero durante una oscilación de potencia inestable.

5. Fenómeno • El sistema de potencia, en régimen estacionario, opera muy cerca de su frecuencia nominal y las magnitudes de las tensiones en las diferentes barras no varían más de un 5%. • Existe una balance entre la potencia activa y reactiva generada y la consumida.

6. Fenómeno • Cualquier cambio en la potencia generada, potencia demanda o en el sistema de potencia causa cambios en la potencia del sistema, oscilando hasta alcanzar otro punto de equilibrio entre la generación y la carga. • Estos cambio ocurren permanentemente y son compensados por los sistemas de control.

7. Fenómeno • Faltas en el sistema de potencia • Conexiones de líneas de trasmisión • Desconexiones de generadores • Pérdida o aplicación de grandes bloques de carga Causan • Oscilaciones de potencia

8. Fenómeno • Dependiendo de la perturbación y de la acción de los controladores las oscilaciones pueden ser • Estables • Inestables

9. Fenómeno • La oscilación de potencia puede hacer que la impedancia vista por un relé entre en su característica de operación. • La operaciónde estos relés puede hacer que salgan de servicio líneas de trasmisión u otros componentes, haciendo más débil el sistema, aumentando la gravedad de la perturbación.

10. Fenómeno • Los relés de distancia propensos a operar durante una oscilación de potencia deben ser bloqueados temporalmente. • En los relés de distancia modernos se tienen disponibles las funciones: • PSB: Bloqueo por oscilación de potencia (power swing blocking). • OST: Disparo por oscilación de potencia (out-of-step tripping).

11. Fenómeno • PSB: Bloqueo por oscilación de potencia: • Esta función diferencia entre una falta y una oscilación de potencia. • Bloquea el relé de distancia, previene el disparo durante una oscilación de potencia. • Debe detectar y despejar las faltas que ocurren durante una oscilación de potencia.

12. Fenómeno • El disparo indebido de interruptores durante una oscilación de potencia puede causar daño al equipamiento y contribuir al apagón en varias áreas del sistema. • Es necesario, el disparo controlado de ciertos elementos en determinados puntos del sistema para evitar daño al equipamiento y minimizar los efectos de la perturbación.

13. Fenómeno • OST: Disparo por oscilación de potencia: • Esta función diferencia entre una oscilación estable de una inestable. • Permite disparar algunos elementos del sistema para evitar el daño de los equipos y que la perturbación se extienda por el sistema.

14. Fenómeno • Con la separación del sistema en áreas no siempre se alcanza el balance generación-carga, en cada una de ellas. • En estos casos, se implementa un sistema de rechazo de carga o disparo de generación, para evitar el apagón en esas áreas.

15. Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisión • Los relés de distancia responden a los valores de secuencia positiva. • La impedancia medida por el relé durante una oscilación de potencia varía en función del ángulo d, entre las tensiones equivalentes del sistema.

16. Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisión • Los relés de distancia responden a los valores de secuencia positiva.

17. Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisión • ES está desfasada d de ER • Impedancia medida por los relés de distancia en A

18. Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisión • Trayectoria de la impedancia durante una oscilación de potencia

19. Métodos para la detección: Convencionales • Se basan en el cálculo de la impedancia de secuencia positiva. • Régimen estacionario: la impedancia medida es la impedancia de carga. • Durante una falta: la impedancia se mueve rápido desde la impedancia de carga hasta la de falta. • Oscilación de potencia: la impedancia se mueve lento.

20. Métodos para la detección: Convencionales • Los esquemas convencionales de PSB utilizan la diferencia en la velocidad de la impedancia para diferenciar entre una falta y una oscilación de potencia.

21. Métodos para la detección: Convencionales Características concéntricas: • Para medir la velocidad de la variación de la impedancia, mide el tiempo que requiere la impedancia para atravesar dos características concéntricas de impedancia. • La detección de la oscilación de potencia se realiza antes que la impedancia entre en la característica de operación.

22. Métodos para la detección: Convencionales

23. Métodos para la detección: Convencionales Características blinder (2 rectas): • Para medir la velocidad de la variación de la impedancia, mide el tiempo que requiere la impedancia para atravesar dos rectas. • Se optimiza el esquema si las rectas son paralelas a la impedancia de la línea.

24. Métodos para la detección: Convencionales

25. Métodos para la detección: Convencionales Características blinder (1 recta): • Este tipo de esquema se utiliza como OST. • Este esquema retrasa el disparo hasta que la oscilación ya pasó los 180° y están volviendo a ponerse en fase las tensiones.

26. Métodos para la detección: Convencionales Características • Este tipo de esquema se utiliza como OST. • Algoritmo que describe el esquema:

27. Métodos para la detección: Convencionales

28. Métodos para la detección: Adicionales Cálculo continuo de la impedancia • Este método determina la condición de oscilación de potencia calculando la impedancia en forma continua. • Calcula la impedancia cada 5ms y se compara con la calculada 5ms antes.

29. Métodos para la detección: Adicionales

30. Métodos para la detección: Adicionales Cálculo continuo de la impedanciaΔt = 5 ms • N-1: Cálculo de Zv_N-1 • N: Cálculo de Zv_N Predicción de Zv_N+1_esperada, según Zv_N, Zv_N-1 y Δt • N+1: Cálculo de Zv_N+1 Comparación de Zv_N+1 con Zv_N+1_esperada Determinación de si hay oscilación de potencia Predicción de Zv_N+2_esperada, según Zv_N+1, Zv_N y Δt

31. Métodos para la detección: Adicionales Sincrofasores • En una oscilación de potencia el ángulo de las tensiones de las barras reflejan cambios en la velocidad de rotación. • Actualmente se puede medir en forma sincronizada los ángulos de diferentes barras del sistema. • Cuando se detecta oscilación de potencia, se realiza una separación del sistema o un rechazo de carga.

32. Métodos para la detección: Adicionales Sincrofasores • Considerando un sistema con dos máquinas, medir Δδ y calcular en tiempo real el criterio de igual área, para determinar establilidad o no. • Usar algoritmos predictivos de la variación de δ(t) y comparar con la medida de los sincrofasores en barras estratégicas.

33. Métodos para la detección: Adicionales Centro de oscilación SCV (swing center voltage): • SCV: se define como el punto del sistema (equivalente de 2 fuentes), donde la tensión es cero y el ángulo entre los sistemas es d = 180°. • Este punto se puede aproximar por: donde VS tensión local, j ángulo entre la tensión y corriente.

34. Métodos para la detección: Adicionales

35. Métodos para la detección: Adicionales Centro de oscilación SCV: • La derivada de SCV1 es:

36. Métodos para la detección: Adicionales Centro de oscilación SCV:

37. Filosofía de protección ante osc. de potencia • La filosofía para la aplicación de los esquemas PSB y OST es: • Evitar dispara cualquier elemento del sistema durante una oscilación de potencia estable. • Proteger el sistema de potencia durante oscilaciones inestables. • Se debe diseñar un sistema de disparo para separar en áreas el sistema, en condiciones de oscilación de potencia inestables.

38. Filosofía de protección ante osc. de potencia • Los esquemas de disparo por oscilación de potencia están diseñados para proteger el sistema durante oscilaciones inestables, separando en áreas, de manera de mantener la estabilidad dentro de cada área. • Los esquemas de disparos deben estar instalados cerca del centro eléctrico del sistema, para mantener el balance entre generación y carga. • Los esquemas de disparo deben evitar disparar cuando el ángulo entre los sistemas es cercano a 180°.

39. Filosofía de protección ante osc. de potencia • Los esquemas de disparo OST están acompañados con esquemas de bloqueo PSB para evitar disparos indeseados. • Los esquemas de bloqueo son instalados en otros puntos del sistema, para evitar la separación del mismo de manera no controlada. • Estos esquemas están acompañados con sistemas de rechazo de carga y disparo de generación.

40. Bibliografía • Power Swing and Out-of-Step Considerations on Transmission Lines; IEEE PSRC WG D6; Mike McDonald, Demetrios Tziouvaras y otros. • GER-3180; Application of Out-of-step Blocking and Tripping Relays; John Berdy. • Out-of-Step Protection Fundamentals and Advancements; Demetrios Tziouvaras y Daqing Hou. • Zero-setting Power-Swing Blocking Protection; G. Benmouyal, D. Hou y D. Tziouvaras.