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TRABAJO DE GRADO

MAESTR´IA EN INGENIER´IA EL´ECTRICA

Estrategia de protecci´on de sobrecorriente adaptiva para redes de distribuci´on activas

BRAYNER STEVEN GRISALES SOTO

Pereira June 21, 2023

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Estrategia de protecci´on de sobrecorriente adaptiva para redes de distribuci´on activas Por:

Brayner Steven Grisales Soto Trabajo de grado para optar al titulo de Mag´ıster en Ingenier´ıa El´ectrica Dirigida por:

Juan Jos´e Mora Fl´orez, PhD Codirigido por:

Sandra Milena Per´ez Londo˜no, PhD Programa de Maestr´ıa en Ingenier´ıa El´ectrica Universidad Tecnol´ogica de Pereira June 21, 2023

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Resumen La generaci´on de energ´ıa a partir de la utilizaci´on de combustibles f´osiles (gas natural, carb´on, diesel, entre otros) se ha convertido en un acelerador del problema del cambio clim´atico, dado que estos procesos aportan una gran cantidad de emisiones de di´oxido de carbono a la atm´osfera. Sin embargo, la generaci´on de energ´ıa tambi´en puede ser parte de la soluci´on a trav´es de la inversi´on en fuentes de energ´ıa alternativas o recursos energ´eticos distribuidos (DERs, Distributed Energy Resources) que sean renovables. Estas DERs se caracterizan principalmente por usar energ´eticos primarios disponibles en la propia naturaleza, como por ejemplo el sol o el viento, y que no generan gases de efecto invernadero.

En consecuencia, las redes de distribuci´on tradicionales donde el flujo de potencia fluye desde la subestaci´on hacia las cargas en un sentido unidireccional, se han ido transformando en redes de distribuci´on activas (ADN, Active Distribution Networks) con alta penetraci´on de DERs de diferente naturaleza. Producto de esta evoluci´on, los flujos de potencia activa pueden ser bidireccionales y adem´as, las corrientes de pre-falla y falla pueden variar en magnitud y direcci´on dependiendo del estado operativo de la ADN. Los esquemas de protecci´on de sobrecorriente convencional, que est´an basados en valores de ajustes fijos han sufrido un impacto negativo en su desempe˜no producto de la variabilidad de las corrientes para cada escenario de la ADN. En ´este ´ultimo caso, surge la necesidad de plantear nuevos esquemas de protecci´on de sobrecorriente que garanticen un buen funcionamiento en las ADN.

Como consecuencia de lo anteriormente expuesto, este trabajo resuelve algunos aspectos asociados a la p´erdida de coordinaci´on entre rel´es de sobrecorriente, producto de la conexi´on y desconexi´on de DERs. Para ello, se propone un esquema adaptivo de protecci´on que permita a los rel´es ajustar y/o adaptar de manera aut´onoma sus par´ametros usando mediciones locales. De esta manera, se busca reducir el uso de una infraestructura de comunicaci´on entre rel´es para garantizar un buen desempe˜no ante diferentes escenarios operativos de la ADN.

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Agradecimientos Este trabajo es resultado del proyecto 6-20-6 financiado por la Universidad Tecnol´ogica de Pereira (UTP), y del contrato de proyecto 774-2020 (Integra2023), financiado por el Ministerio de Ciencia, Tecnolog´ıa e Innovaci´on de Colombia (Minciencias).

Mil gracias al profesor Juan Jos´e Mora Fl´orez, quien me brind´o la confianza y oportunidad de contribuir en este proyecto de investigaci´on el cual me permiti´o crecer como persona y profesional. De igual forma, a la profesora Sandra Milena P´erez Londo˜no quien contribuy´o a que todo este trabajo culminara de manera exitosa.

Gracias a Dios y a la vida por poner en mi camino esta oportunidad y darme la sabidur´ıa para poder llegar a la meta. A toda mi familia, especialmente a mi madre por su amor, comprensi´on e incondicionalidad en todo momento. Gracias a mis compa˜neros de maestr´ıa, por la paciencia, ense˜nanzas, apoyo, buenos y malos momentos, en especial a Juan David y al profesor Andr´es Ricardo.

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Tabla de contenido

Introducci´on

1.1

Motivaci´on del ´ambito de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Estado del arte

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1

Enfoques basados en el uso de un centro de control de operaciones (CCO) y esquemas de comunicaci´on. . . . . .

1.2.2

Enfoques basados en el uso de esquemas de comunicaci´on. 10

1.2.3

Enfoques que no utilizan esquemas de comunicaci´on . . .

1.2.4

Enfoques basados en c´alculos de equivalentes de red que no utilizan esquemas de comunicaci´on . . . . . . . . . . .

1.3

Vac´ıos de conocimiento identificados . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4

Objetivos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.1

Objetivo general

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.2

Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5

Resultados principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6

Aportes y contribuciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.7

Organizaci´on del documento

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

An´alisis y validaci´on de esquemas de protecci´on convencional y algunos adaptativos en la ADN modelada.

2.1

Modelado de la ADN en ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.1

Descripci´on del sistema propuesto

. . . . . . . . . . . . .

2.1.2

Estructuras para redes de MT . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.3

Caracter´ısticas de los conductores . . . . . . . . . . . . . .

2.2

Modelado del circuito en ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1

Modelo de l´ıneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2

Modelos de Cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3

Modelo de Fuentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3

Descripci´on de los esquemas de protecci´on analizados

. . . . . .

2.3.1

Esquema convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2

Sequence currents based adaptive protection approach for DNs with DER (Esquema adaptivo I)

. . . . . . . . . . . .

2.3.3

Superimposed Adaptive Sequence Current Based Microgrid Protection: A New Technique (Esquema adaptivo II) . . . .

p. 6

Cap´ıtulo 0

2.3.4

Dynamic adaptive protection for distribution systems in Grid- Connected and Island (Esquema adaptivo III)

. . . . . . .

2.4

Pruebas y Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.1

Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.2

An´alisis de resultados

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5

Conclusiones preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Esquema propuesto de protecci´on adaptiva de ADN

3.1

Etapa 1: Coordinaci´on de referencia para cada rel´e . . . . . . . .

3.1.1

Paso 1 - Definici´on de la funci´on objetivo . . . . . . . . . .

3.1.2

Paso 2 - C´alculo de las datos de falla para la coordinaci´on de los rel´es

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.3

Paso 3 - C´alculo de los ajustes del rel´e en la coordinaci´on de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

Etapa 2: Detecci´on e identificaci´on de fallas . . . . . . . . . . . .

3.2.1

Paso 1 - C´alculo de los fasores de tensi´on y corriente . . .

3.2.2

Paso 2 - C´alculo de la direcci´on de la potencia activa . . .

3.2.3

Paso 3 - Detecci´on de la falla

. . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.4

Paso 4 - C´alculo del tiempo de disparo del rel´e . . . . . . .

3.3

Etapa 3: Actualizaci´on de la configuraci´on del rel´e

. . . . . . . .

3.3.1

Paso 1 - C´alculo del fasor de corriente en un ciclo . . . . .

3.3.2

Paso 2 - C´alculo de la corriente de arranque adpativa . . .

3.3.3

Paso 3 - C´alculo del TDS adaptivo . . . . . . . . . . . . . .

3.3.4

Paso 4 - Actualizaci´on de los ajustes del rel´e . . . . . . . .

3.4

Resultados obtenidos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1

Resultados obtenidos para la ADN propuesta . . . . . . . .

3.4.2

Resultados obtenidos para el sistema IEEE 34-barras . . .

3.5

An´alisis de resultados

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.1

An´alisis de resultados para la ADN modelada

. . . . . . .

3.5.2

An´alisis de resultados para el sistema IEEE-34 barras . . .

Conclusiones y trabajos futuros

4.1

Conclusiones

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2

Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Apendices

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Cap´ıtulo 1 Introducci´on

1.1

Motivaci´on del ´ambito de trabajo En los ´ultimos a˜nos se ha experimentado un aumento de la demanda de energ´ıa a nivel mundial, lo que ha provocado un incremento directo en los gases de efecto invernadero. La penetraci´on de los recursos energ´eticos distribuidos (DER, por sus siglas en ingl´es), especialmente aquellos considerados renovables, como la energ´ıa fotovoltaica, las turbinas e´olicas, las celdas de combustible y las micro turbinas son opciones atractivas para promover la reducci´on de emisi´on de CO2 [1].

Los DERs pueden utilizar como energ´etico primario recursos limpios que proporciona la naturaleza y que no producen gases de efecto invernadero ni emisiones contaminantes, por lo que se convierten en una gran alternativa para reducir el cambio clim´atico. De igual forma, las DERs pueden proporcionar servicios de apoyo a la red, incluida la regulaci´on del tensi´on. A medida que hay avances en la tecnolog´ıa, especialmente en la electr´onica de potencia, el n´umero de DERs integradas a la red de distribuci´on han aumentado considerablemente. Los sistemas de distribuci´on hasta hace unos a˜nos eran pasivos y en la mayor´ıa de los casos eran sistemas de distribuci´on radiales. En estos sistemas, el flujo de potencia activa fluye en una ´unica direcci´on, desde la subestaci´on hacia las cargas. En los esquemas de protecci´on tradicionales y utilizados en redes de distribuci´on radiales, el principio de configuraci´on de estos dispositivos de protecci´on es bastante simple. Los ajustes de protecci´on se determinan en los modos m´aximos de condiciones de funcionamiento del sistema y el desempe˜no se comprueba en otras condiciones de funcionamiento.

La integraci´on de DERs la red de distribuci´on la ha convertido progresivamente en una red de distribuci´on activa (ADN, por sus siglas en ingl´es). Esta transici´on ha resultado en un cambio dram´atico en la distribuci´on del flujo de potencia activa, lo que causa flujos bidireccionales en la red y ha dificultado la

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Cap´ıtulo 1 determinaci´on del modo de operaci´on y la capacidad de cortocircuito de la red [2, 3].

Adicionalmente a las dificultades ya mencionadas, se suma que la corriente de falla en el caso de DERs basados en inversores (IBDERs, por sus siglas en ingl´es) o acoplados electr´onicamente, se fija en 1-2 pu de la corriente nominal, lo cual causa un comportamiento no lineal de la fuente [4]. La penetraci´on de DERs con estas caracter´ısticas de falla crean dificultades para la operaci´on correcta de los esquemas de protecci´on existente y se han convertido en un reto para los sistemas de protecci´on futuros [5].

En los sistemas el´ectricos, los dispositivos de protecci´on juegan un papel muy importante ya que uno de sus objetivos es minimizar el da˜no a los equipos y ayudar a mantener la estabilidad del sistema. De este modo, debido a que la ADN puede tener muchos modos de operaci´on, los esquemas tradicionales de protecci´on de sobrecorriente basada en un valor de ajuste fijo no operan con precisi´on ante fallas en una ADN, por lo que existe un alto riesgo de mal funcionamiento del sistema de protecciones ante eventuales fallas. De acuerdo a lo anterior, se requiere realizar una investigaci´on bajo el enfoque de la pregunta que a continuaci´on se describe: ¿C´omo se puede ajustar adaptativamente los par´ametros del rel´e de sobrecorriente de relaci´on inversa tiempo corriente, teniendo en cuenta los cambios de magnitud y direcci´on en las corrientes de pre-falla y falla en una ADN?

1.2

Estado del arte La protecci´on de sobrecorriente tradicional no puede determinar con precisi´on la condici´on de falla en la ADN, entonces el sistema de protecci´on puede tener un abajo desempe˜no, tal como se muestra en [6], donde los autores evidencian diferentes problemas para garantizar la correcta operaci´on de los rel´es como los falsos disparos. En cambio [7], presenta una revisi´on de los principales retos y beneficios de la integraci´on de los DER en la red como la reducci´on de emisi´on de gases de efecto invernadero. Adem´as, los autores muestran una visi´on general de algunas soluciones a estos retos y c´omo se pueden abordar en Colombia, especialmente en las zonas no interconectadas (ZNI).

Teniendo en cuenta la importancia de los DER para las aplicaciones de las ZNI, en [8], los autores proponen una metodolog´ıa de seis pasos para dise˜nar microrredes en las ZNI colombianas. Otro punto es presentado por los autores en [9], proponiendo un modelo de gesti´on de la energ´ıa basado en un sistema multiagente como posible soluci´on a los retos de la operaci´on de las microrredes.

En consecuencia, para garantizar la operaci´on segura y estable del sistema

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Cap´ıtulo 1 de distribuci´on, es de gran importancia implementar sistemas de protecci´on que se adapten a los cambios del sistema como se presenta en [10]. All´ı se revisa y clasifica las estrategias de protecci´on propuestas para mitigar los impactos de los DERs en los sistemas de distribuci´on el´ectrica.

En particular [11], presenta una revisi´on de los problemas y retos derivados de la penetraci´on de los DERs, donde se realiza un an´alisis cualitativo de los esquemas de protecci´on adaptativa, destacando la metodolog´ıa, limitaciones y conclusiones de cada propuesta. De igual forma [12], presenta una revisi´on de algunos enfoques de protecci´on adaptativa para ADN. Para cada enfoque se describe los inconvenientes y ventajas, destacando las principales brechas a abordar en trabajos futuros. Los enfoques revisados durante esta investigaci´on se dividen en los siguientes grupos:

1.2.1

Enfoques basados en el uso de un centro de control de operaciones (CCO) y esquemas de comunicaci´on.

Entre las soluciones a los problemas de coordinaci´on de las protecciones en ADN, un primer grupo de propuestas se caracterizan por tener un CCO que recibe continuamente informaci´on sobre la condici´on operativa del sistema. Con esta informaci´on el CCO aplica diferentes t´ecnicas para obtener y enviar de forma adaptiva nuevos ajustes a los rel´es.

Se destaca la protecci´on adaptativa como posible soluci´on a los problemas de coordinaci´on de protecciones en las ADNs como se describe en [13]. Lo anterior, debido a que en enfoques de protecci´on adaptivos los ajustes de los rel´es se calculan y ajustan continuamente con base a las condiciones operativas de la

ADN.

En [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20], se utilizan dispositivos electr´onicos inteligentes (IEDs) y un sistema de comunicaci´on para obtener informaci´on en tiempo real del estado de la red. Los datos obtenidos del estado del sistema se almacenan en un CCO y cuando se detectan cambios, el CCO realiza un nuevo c´alculo de coordinaci´on ´optima, se definen los nuevos par´ametros de configuraci´on y se env´ıan a los rel´es.

En algunos enfoques adaptativos, como [21] y [22], la coordinaci´on de protecciones se realizan fuera de l´ınea para las posibles configuraciones de la ADN. Una vez calculados los diferentes ajustes de los rel´es, un CCO monitoriza el estado del sistema y env´ıa las nuevas configuraciones a los rel´es cuando hay un cambio en la red. En [23], se propone un algoritmo adaptativo para la coordinaci´on de protecciones de sobrecorriente; en caso de cambios en el ADN, un CCO realiza un nuevo c´alculo de flujo de potencia para coordinar y actualizar los rel´es.

p. 10

Cap´ıtulo 1 Del mismo modo [24], utiliza varios CCO para agrupar un cierto n´umero de rel´es; en l´ınea, cada CCO supervisa el estado de los interruptores y las mediciones de tensi´on y corriente en su zona. Luego, un algoritmo de optimizaci´on recalcula y actualiza los ajustes de los rel´es cuando se producen cambios en la red. Los autores en [25], proponen un esquema de protecci´on adaptivo dividido en una etapa fuera y en linea. En la primera etapa, grupos de ajustes ´optimos para algunos modos de operaci´on se obtienen utilizando el algoritmo de b´usqueda de organismos simbi´oticos (SOS, por su sigla en ingl´es). En la segunda etapa, un CCO supervisa el estado de la red y ejecuta el algoritmo SOS para obtener nuevos grupos de ajustes si es necesario.

Por otro lado [26], propone un sistema de protecci´on adaptivo basado en m´ultiples agentes. Con la informaci´on en tiempo real, un CCO realiza el c´alculo de cortocircuitos en l´ınea cuando se detectan cambios en la ADN y env´ıa nuevos grupos de ajustes a los rel´es. Basados en el calculo de grupos de ajuste [27], propone una coordinaci´on adaptativa entre rel´es de sobrecorriente; sin embargo, son necesarios enlaces de comunicaci´on y una CCO para actualizar los rel´es. En [28], se presenta un esquema de protecci´on adaptativa centralizado basado en dos algoritmos: el primero determina los ajustes ´optimos de los rel´es, y el segundo determina las jerarqu´ıas de los rel´es adaptativos. Cuando se produce una falla, la CCO reconoce la configuraci´on de la red y selecciona los ajustes adecuados para cada rel´e calculados previamente.

De forma similar [29], propone un grupo de configuraci´on ´optima para cada topolog´ıa del sistema en el que un CCO supervisa y eval´ua los cambios de la red. De acuerdo al estado de la red, la CCO env´ıa los ajustes correspondientes a cada rel´es. Tambi´en usando un modelo de optimizaci´on para el calculo de limitadores de corriente de falla (FCL), se propone un esquema de protecci´on adaptativo en [30]; un CCO se encarga de calcular y enviar los nuevos ajustes para los rel´es cuando hay un cambio en la red. Del mismo modo, un enfoque de coordinaci´on adaptativa obtiene un grupo de ajustes ´optimos para cada topolog´ıa de la red teniendo en cuenta las restricciones del sistema de protecci´on, la calidad de la energ´ıa, los DER y la FCL [31]. Sin embargo, se necesita un software detector de topolog´ıa para seleccionar los ajustes correctos para cada rel´e. Por otro lado [32], unidades de medici´on de microfasores env´ıan se˜nales tensi´on y corriente al CCO para calcular un coeficiente de anormalidad; este coeficiente, se utiliza para determinar el tipo de evento del alimentador. Utilizando un CCO y dispositivos electr´onicos inteligentes para supervisar el estado de la red y, mediante un algoritmo de teor´ıa de grafos, en [33] se calcula el camino m´as corto desde el punto de fallo hasta la fuente, ajustando de forma adaptativa los rel´es que se encuentran a lo largo de este camino. De forma similar, se propone una protecci´on adaptativa en [34], donde un CCO ejecuta el algoritmo Prim-aided Dijkstra para identificar el camino m´as corto entre el nodo con fallo y la fuente m´as cercana. Adem´as, el CCO actualiza

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Cap´ıtulo 1 la configuraci´on de los rel´es en el camino m´as corto identificado. En [35], los grupos de ajustes ´optimos y los agrupamientos (Clustering) se calculan fuera de l´ınea. Un CCO supervisa el estado de la red y actualiza los ajustes de los rel´es cuando se detecta un cambio.

Asimismo, un enfoque de protecci´on de sobrecorriente adaptativa es propuesta por [36], donde un centro de control de subestaci´on detecta el cambio de topolog´ıa utilizando el estado de los dispositivos de conmutaci´on. Posteriormente, un CCO se encarga de calcular y actualizar los valores de la corriente de arranque y el rango de protecci´on de los rel´es a partir de los equivalentes de Thevenin vistos por cada rel´e y el operador de covariaci´on. De forma similar, un CCO recibe la informaci´on sobre el estado de la red y se encarga de calcular las zonas de protecci´on del rel´e bas´andose en equivalentes de Thevenin [37]. Sin embargo, las zonas de protecci´on son previamente definidas y cuando hay una condici´on de operativa diferente de las establecidas, el rel´e puede operar de forma incorrecta.

Finalmente, en [38], un CCO monitoriza el estado de la red, una vez detectados los cambios, se formula el problema de coordinaci´on y se resuelve utilizando el enfoque h´ıbrido GA-NLP para obtener los nuevos ajustes de los rel´es. Tambi´en un esquema de protecci´on adaptable basado en los ajustes de los rel´es almacenados en una CCO es propuesto por [39]. De modo que, en una etapa fuera de l´ınea, se realiza un estudio de cortocircuito para determinadas condiciones operativas de la red; cuando el CCO detecta un cambio en la red, env´ıa el nuevo grupo de ajustes a cada rel´e.

1.2.2

Enfoques basados en el uso de esquemas de comunicaci´on.

A diferencia de los esquemas de protecci´on analizados en la secci´on anterior, las siguientes propuestas utilizan un esquema de comunicaci´on sin un CCO para determinar los nuevos ajustes del rel´e.

En [40], se presenta un enfoque de coordinaci´on adaptativa descentralizada dividido en dos etapas. La primera etapa consiste en retirar la falla utilizando el enfoque convencional de protecciones; cuando no es posible, una segunda etapa forma un grupo de agentes.

Estos se encargan de negociar la mejor estrategia de coordinaci´on bas´andose en las probabilidades de una operaci´on correcta. Sin embargo, es necesario un protocolo de comunicaci´on entre los agentes. Algo similar es propuesto por [41], donde los autores tambi´en proponen un esquema de protecci´on de sobrecorriente basado en agentes pero utiliza la ubicaci´on del rel´e y las caracter´ısticas del alimentador para identificar la zona en falla. Adicionalmente, utiliza un m´etodo basado en la selectividad de sobrecorriente-frecuencia para identificar los cambios en la red. Para este

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Cap´ıtulo 1 esquema se requiere un protocolo de comunicaci´on entre los DER y los rel´es. Como experiencia adicional en el uso de agentes para esquemas de protecci´on, [42] propone un esquema de protecci´on basado en una t´ecnica adaptativa que utiliza un sistema multiagente (MAS). Este sistema permite determinar nuevas corrientes de falla y enviar se˜nales de ajuste a diferentes dispositivos en funci´on del estado de los DERs. Sin embargo, esta propuesta no contempla el funcionamiento en isla que puede presentarse como modo de operaci´on en una

ADN.

Por otro lado, la propuesta de protecci´on de [43], est´a orientada al modo de operaci´on en isla; las diferencias de fase entre las corrientes de secuencia de falla en ambos extremos de la l´ınea se analizan bajo diferentes modos de operaci´on y se clasifican seg´un sean fallas internas o externas. Estas diferencias se utilizan para determinar la localizaci´on de la falla. De forma similiar, la comparaci´on de se˜nales de tensi´on y corriente en ambos extremos de la l´ınea es empleado por [44] para detectar una falla. En este enfoque, se utiliza un esquema de protecci´on diferencial de l´ınea basado en la comunicaci´on entre rel´es. Asimismo, las se˜nales de corriente en los extremos de la l´ınea es usado para determinar las fallas en [45]. Sin embargo, se emplea un algoritmo de protecci´on basado en el Operador de Energ´ıa de Teager-Kaiser utiliza la diferencia de energ´ıa entre rel´es. La diferencia de energ´ıa medida se utiliza para determinar y clasificar el tipo de fallas en un ADN. Si se detecta una falla, se utiliza un an´alisis de componentes sim´etricas para clasificar el tipo. Por otra parte, el enfoque con rel´es de doble ajuste asistido por un esquema de comunicaci´on es presentado en [46]. All´ı, se estima los ajustes ´optimos de los rel´es para el modo de operaci´on conectado a la red y el modo isla. Un enfoque basado en grupos de ajustes para la protecci´on ADN es propuesto por [47]; se agrupan varias topolog´ıas de sistemas y se asignan ajustes ´optimos a cada grupo. Las corrientes de fallo m´aximas se utilizan como caracter´ısticas en el algoritmo k-Means para agrupar las diferentes topolog´ıas en las que el ADN puede operar.

Una protecci´on basada en el ´angulo de impedancia que utiliza componentes de secuencia positiva de tensiones y corrientes obtenidas en ambos extremos de la l´ınea se propone por [48]. Los autores proponen un algoritmo que identifica los cambios en la red y las fallas externas/internas utilizando las medidas recibidas de las PMUs en todos los nodos.

En [49], se propone un enfoque de protecci´on para ADNs basado en el filtro de Kalman (KF); el KF se aplica a cada fase para calcular la distorsi´on arm´onica total y de esta manera identificar y clasificar perturbaciones en la red. Por su parte los autores de [50], resuelven el problema de coordinaci´on utilizando el Algoritmo de Optimizaci´on de Ballenas para obtener los ajustes ´optimos de los

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Cap´ıtulo 1 rel´es en un estado operativo de referencia; sin embargo, este proceso debe realizarse cada vez que se conecta un DER a la red.

Para reducir la carga computacional de los rel´es, un esquema de protecci´on adaptivo basado en la comunicaci´on se propone en [51]; en este se reduce la dependencia de los controladores externos mediante el c´alculo continuo de una corriente de arranque din´amica, que depende del estado de los DER. Basada en el an´alisis de sensibilidad de la tensi´on se propone una protecci´on adaptiva en [52]; esta utiliza las medidas de los fasores de tensi´on propios y de los rel´es vecinos, las fallas se detectan mediante el c´alculo y la comparaci´on de ´ındices de detecci´on de fallos basados en la sensibilidad.

Finalmente [53], utiliza la transformada de Fourier discreta recursiva r´apida para identificar el estado de la red. Un m´odulo de toma de decisiones selecciona el ajuste actual y el valor del TDS si se detecta un cambio en la red. Sin embargo, se utiliza un esquema de comunicaci´on entre rel´es para conocer los par´ametros de los rel´es vecinos. En [54], se presenta un m´etodo de identificaci´on de la direcci´on de la corriente de falla basado en el cambio del ´angulo de la corriente de secuencia positiva. El ajuste de la corriente de arranque se realiza bas´andose en la direcci´on de la corriente de falla estimada, mientras que el ajuste del TDS se hace bas´andose en la direcci´on de la corriente real.

1.2.3

Enfoques que no utilizan esquemas de comunicaci´on A diferencia de los enfoques analizados anteriormente, otros enfoques como los que se describen a continuaci´on no utilizan una infraestructura de comunicaci´on ni un CCO para actualizar los ajustes del rel´e.

Los enfoques propuestos por [55, 56], se centran principalmente en la miner´ıa de datos y el procesamiento de se˜nales.

De este modo, se formulan caracter´ısticas e ´ındices para determinar, identificar y clasificar los fallos y los diferentes modos de funcionamiento del sistema mediante clasificadores usando dispositivos electr´onicos inteligentes (IED). De forma similar en [57], los IED utilizan una base de datos obtenida de forma fuera de l´ınea y, mediante la toma de medidas locales de corriente y tensi´on, discriminan entre un estado normal y uno de fallo.

La propuesta en [58] utiliza IEDs, que son entrenados a trav´es de Redes Neuronales Artificiales basadas en datos, y el estado de la red es identificado y clasificado usando mediciones locales de tensi´on y corriente. Mientras que [59], propone un enfoque para la detecci´on y clasificaci´on de fallos para ADN basado en el procesamiento de se˜nales, la optimizaci´on de par´ametros y el aprendizaje autom´atico.

p. 14

Cap´ıtulo 1 En [60] se propone un esquema de coordinaci´on ´optima utilizando la configuraci´on dual junto con una tercera variable propuesta para determinar las configuraciones ´optimas. En [61], se propone un enfoque de coordinaci´on ´optima para rel´es de sobrecorriente de doble configuraci´on. En este enfoque se utilizan diferentes t´ecnicas de optimizaci´on para encontrar una configuraci´on ´unica para los rel´es en el modo de operaci´on conectado a la red y el modo isla. En [62], se propone un enfoque de coordinaci´on ´optima utilizando rel´es de sobrecorriente de doble configuraci´on y datos de funcionamiento diario; sin embargo, la coordinaci´on no est´a garantizada para diferentes diferentes estados operativos de ADN, incluida la desconexi´on de DER.

De la misma forma en [63], se propone una coordinaci´on de protecci´on adaptativa ´optima utilizando rel´es de doble configuraci´on. En este esquema, primero se optimizan las configuraciones de los rel´es obtenidas fuera de l´ınea. Posteriormente, se ajustan los grupos de configuraci´on en funci´on de la topolog´ıa de la red y del estado del sistema. Sin embargo, est´a limitado a un n´umero de topolog´ıas determinado. En [64], se propone un esquema de protecci´on considerando DERs equipados con FCL, y el algoritmo propuesto se basa en el calculo ´optimo de la impedancia del FCL; sin embargo, esta propuesta se limita a topolog´ıas de ADN particulares.

En [65], se propone un esquema de protecci´on adaptativa en el que los tiempos de operaci´on de los rel´es se calculan inicialmente para un modo de operaci´on base. Posteriormente, un ´ındice de sensibilidad se calcula relacionando la diferencia de tiempo de operaci´on de los rel´es entre un nuevo modo de operaci´on de la ADN y el modo base. Por ´ultimo, los ajustes ´optimos de los rel´es se obtienen mediante una funci´on objetivo que minimiza el ´ındice de sensibilidad y el n´umero de modos de operaci´on En [66], se propone un enfoque de coordinaci´on de protecci´on adaptativa que no requiere el reajuste del rel´e. En esta estrategia, a trav´es de un proceso fuera de l´ınea iterativo, obtiene el nivel ´optimo de penetraci´on de los DERs, considerando restricciones como las p´erdidas m´ınimas de potencia y los l´ımites de tensi´on. Sin embargo, s´olo se consideran los recursos fotovoltaicos. Los autores en [67], proponen un esquema de protecci´on h´ıbrido que utiliza medidas locales de tensi´on y corriente; adem´as, el rel´e utilizan la misma configuraci´on para los modos conectado a la red e isla, pero el tiempo de funcionamiento var´ıa en funci´on del estado operativo.

Los rel´es de sobrecorriente en [68], utilizan dos TDS; el primer valor de TDS es para la protecci´on primaria, mientras que el segundo es para la protecci´on de respaldo. Esta propuesta considera ´unicamente DER s´ıncronos, por lo que todos los rel´es experimentan altas corrientes de fallo; adem´as, otras DERs y la variaci´on de potencia de los DERs no se presenta en las pruebas. En [69], se propone un m´etodo de detecci´on y clasificaci´on de fallas en ADN. En este m´etodo, los umbrales de detecci´on de fallas se calculan adaptativamente uti-

p. 15

Cap´ıtulo 1 lizando promedios m´oviles de energ´ıa calculados a partir del uso de la transformada de Stockwell y se˜nales de corriente medidas localmente. Los umbrales ajustan las corrientes de falla vistas por el rel´e bajo las nuevas condiciones de operaci´on para mantener la coordinaci´on.

En [70], los DER se controlan para suministrar corriente de falla de secuencia positiva (PSFC) en funci´on de la variaci´on de la tensi´on, y el ´angulo de impedancia del DER se fija en un valor determinado en caso de falla. Teniendo en cuenta este ajuste, la PSFC se utiliza para detectar la direcci´on de la falla. En [71], los autores introducen el desplazamiento del ´angulo de fase de la tensi´on (PAS) y un par´ametro para detectar un fallo. El PAS se calcula usando ventanas de muestreo actuales y pasadas. El par´ametro D se define como la diferencia entre las muestras de corriente previstas y las reales.

1.2.4

Enfoques basados en c´alculos de equivalentes de red que no utilizan esquemas de comunicaci´on Finalmente, En [72], la protecci´on adaptiva utiliza las corrientes de falla almacenadas y las calculadas a partir del equivalente de Thevenin para formular coeficientes adaptativos; estos ajustan las corrientes de falla vistas por el rel´e bajo las nuevas condiciones operativas para garantizar los tiempos de operaci´on. Por otro lado, considerando el comportamiento de fallo de los DERs acoplados electr´onicamente, en [73], un m´etodo adaptativo de coordinaci´on de rel´es estima la corriente de falla y determina el tiempo de operaci´on, garantizando la coordinaci´on de rel´es.

De forma similar, en [74] se propone un enfoque basado en medidas locales, en el que la tensi´on y la corriente se utilizan para calcular el equivalente de Thevenin aguas arriba del rel´e y adaptar un umbral de corriente en funci´on de la condici´on operativa de la red. Sin embargo, se requieren se˜nales de corrientes de falla para actualizar el ajuste, lo que representa tiempos de funcionamiento m´as largos. En [75], los autores proponen un esquema de protecci´on adaptativo, que utiliza un algoritmo de m´ınimos cuadrados para determinar el equivalente de Thevenin y actualizar los par´ametros del rel´e.

1.3

Vac´ıos de conocimiento identificados Para aportar en la reducci´on cambio clim´atico, el sector energ´etico debe buscar alternativas amigables con el medio ambiente con lo que respecta a la generaci´on, transmisi´on y uso final de la energ´ıa. Como consecuencia inmediata y para el caso del sector el´ectrico, existe una transici´on hacia fuentes de energ´ıas renovables no convencionales.

p. 16

Cap´ıtulo 1 Las DERs pueden ser instaladas r´apidamente en las redes de distribuci´on, sin embargo, el incremento de est´as fuentes no convencionales en los sistemas de distribuci´on han tra´ıdo grandes desaf´ıos en operaci´on, control y protecci´on. En esta tesis se asume el reto de investigar los esquemas de protecci´on basados en rel´es de sobre-corriente de relaci´on inversa tiempo corriente para ADNs, ya que se ha demostrado que los esquemas convencionales no operan de manera correcta ante la penetraci´on de DERs.

A partir del estado del arte presentado, se identifican los siguientes aspectos por mejorar:

• Evitar el uso de CCO ya que implica tiempos de actualizaci´on m´as largos

para recibir y procesar la informaci´on y enviar los ajustes a los rel´es.

• Reducir la fuerte dependencia de un sistema de comunicaci´on.

• Considerar la p´erdida de informaci´on cuando la propuesta utiliza una in-

fraestructura de comunicaci´on.

• Contemplar las condiciones de operaci´on de la ADN producto de la conexi´on

o desconexi´on y variaci´on de potencia de una DER en las pruebas.

• Considerar DERs de diferentes naturaleza durante las pruebas.

• Reducir la carga computacional en los c´alculos de los rel´es.

A partir de las brechas identificadas en la revisi´on de las estrategias de protecci´on para las ADN propuestas en el estado del arte, este trabajo debe mitigar la p´erdida de coordinaci´on entre rel´es de sobrecorriente, originados por la conexi´on/desconexi´on y variaci´on de la potencia de las DERs. Para ello, se propone un esquema adaptivo de protecci´on que permita a los rel´es ajustar y/o adaptar de manera aut´onoma sus par´ametros utilizando medidas locales y c´alculos sencillos con el fin de reducir la carga computacional. De esta manera, se busca reducir el uso de una infraestructura de comunicaci´on entre rel´es para garantizar un buen desempe˜no ante diferentes escenarios operativos de la ADN.

1.4

Objetivos

1.4.1

Objetivo general Proponer una estrategia nueva de protecci´on adaptiva de ADN, para el nivel de tensi´on de distribuci´on primaria, que tenga un alto nivel de factibilidad de implementaci´on en el contexto colombiano.

1.4.2

Objetivos espec´ıficos

• Modelar una ADN que sea aplicable al caso colombiano.

p. 17

Cap´ıtulo 1

• Analizar y validar los esquemas de protecci´on convencional y algunos

adaptativos en la ADN modelada.

• Proponer una estrategia nueva de protecci´on adaptiva de ADN, para el

nivel de tensi´on de distribuci´on primaria.

• Validar la operaci´on de la estrategia propuesta en la ADN modelada.

1.5

Resultados principales Los principales aportes del este trabajo de investigaci´on son:

• La estrategia propuesta de protecci´on de sobrecorriente adaptativa no usa

un sistema de comunicaci´on.

• La estrategia propuesta es independiente del estado de las DERs (conec-

tada/desconectada).

• La estrategia propuesta actualiza en l´ınea los par´ametros del rel´e de so-

brecorriente empleando ´unicamente medidas locales de tensi´on y corriente, lo que requiere una baja carga computacional.

• La estrategia propuesta no se basa en grupos de ajuste almacenados y no

requiere un centro de control de operaciones.

• La estrategia propuesta utiliza c´alculos sencillos, baja carga computa-

cional y una infraestructura sin comunicaciones, por lo que es lo suficientemente r´apido para las aplicaciones en campo real.

1.6

Aportes y contribuciones En el desarrollo de este trabajo de investigaci´on se generaron cuatro art´ıculos, de los cuales dos se encuentran publicados en las revistas TecnoL´ogicas e International Transactions on Electrical Energy Systems. Un trabajo adicional se present´o en el congreso Internacional SICEL2021. Finalmente el cuarto trabajo se encuentra en su version final de revisi´on por parte de los autores. Tales trabajos son:

• B. S. Grisales Soto, J. J. Mora Fl´orez, y S. P´erez Londo˜no, Overcurrent

protection of active distribution networks: A comparison., SICEL, vol. 10, mar. 2023.

• B. Grisales-Soto, S. P´erez-Londo˜no, y J. Mora-Fl´orez, Qualitative and Quan-

titative Evaluation of Overcurrent Protection in Active Distribution Systems., TecnoL., vol. 25, n.º 55, p. e2353, nov. 2022.

p. 18

Cap´ıtulo 1

• B. Grisales-Soto, S. P´erez-Londo˜no, J. Mora-Fl´orez, Low computational

burden adaptive overcurrent protection for active distribution networks., International Transactions on Electrical Energy Systems, vol. 2023, Article ID 1538306, 12 pages, 2023. https://doi.org/10.1155/2023/1538306

• Art´ıculo en revision final titulado: Communication-less adaptive overcur-

rent relay adjustment for grid-connected and islanded operation mode in active distribution networks.

1.7

Organizaci´on del documento Esta tesis de grado se estructura de la siguiente manera: El cap´ıtulo 2 presenta el modelado de una red el´ectrica con generaci´on distribuida en el software de simulaci´on ATP, con el objetivo de analizar y validar tanto el esquema de protecci´on convencional como algunos esquemas adaptivos. Este cap´ıtulo aborda los dos primeros objetivos espec´ıficos del trabajo. El cap´ıtulo 3 describe el esquema de protecci´on adaptivo propuesto y los resultados obtenidos en su desempe˜no, cumpliendo as´ı los ´ultimos dos objetivos espec´ıficos del trabajo.

Finalmente, en el cap´ıtulo 4 se presentan las principales conclusiones derivadas de la investigaci´on realizada en esta tesis de grado.

p. 19

Cap´ıtulo 2 An´alisis y validaci´on de esquemas de protecci´on convencional y algunos adaptativos en la ADN modelada.

En este cap´ıtulo se describe un modelo que representa las principales caracter´ısticas de una red de media tensi´on colombiana y es simulado en el software ATPDraw. Adicionalmente, se describe el esquema de protecci´on de sobrecorriente convencional y algunos esquemas de protecci´on adaptivos propuestos en el estado del arte. Finalmente, se muestran los problemas encontrados para los esquemas adaptivos y convencional, mediante un an´alisis cuantitativo del desempe˜no bajo diferentes condiciones operativas en la ADN modelada [76].

2.1

Modelado de la ADN en ATP Las redes de distribuci´on de energ´ıa el´ectrica pueden clasificarse en funci´on de los niveles de tensi´on que los caracterizan, donde se identifican las redes de media tensi´on (MT) y de baja tensi´on (BT). En el sistema de distribuci´on colombiana los niveles de tensi´on se sit´uan entre 1kV y 57.5kV en lo que se refiere a redes de MT. Adem´as, los sistemas de distribuci´on se pueden clasificar en tres tipos de circuitos seg´un la localizaci´on y tipo de carga que alimenta: Residencial, Industrial y Rural [77].

p. 20

Cap´ıtulo 2

2.1.1

Descripci´on del sistema propuesto El sistema de prueba es un circuito de distribuci´on de MT (34,5kV), que se muestra en la figura 2.1. Tiene un anillo en la parte central que conecta los nodos B, C, D mediante l´ıneas trif´asicas. Una l´ınea de 20km de longitud conecta los nodos B-D, y los nodos B-C, D-C y C-G est´an conectados con l´ıneas de 10km de longitud. La red principal est´a conectada al sistema mediante una l´ınea de 10km de longitud hasta el nodo B. Del mismo modo, una l´ınea de 10km conecta el sistema de anillo en el nodo D con el nodo F, donde se encuentra el DER1. El DER2 y DER3 se conectan al sistema mediante l´ıneas de 10km de longitud en el nodo C. La tabla 2.1 muestra las caracteristicas de cada DER. Por ´ultimo, el sistema tiene tres cargas distribuidas en los nodos F, C y H, con 1 MVA, 2 MVA y 1MVA respectivamente y un factor de potencia inductivo de 0,95. Tipo de generaci´on Nodo Potencia [MVA]

DER1

DER2

0.5

DER3

Tabla 2.1: Caracter´ısticas de las fuentes R2 R3 R4 R5 R6 R7 R9 R10 R11 R12 R13 R14 F1 F3 F2 R8 R1 A B D C F G H Figura 2.1: Sistema de prueba

2.1.2

Estructuras para redes de MT La estructura y conjuntos a utilizar en la red prototipo se selecciona teniendo en cuenta los conjuntos de la normatividad de Enel codensa [78], para l´ıneas

p. 21

Cap´ıtulo 2 a´ereas rurales y urbanas de 34.5kV. Entre los conjuntos que emplea el c´odigo de red de Enel codensa, para las lineas rurales del circuito de prueba se selecciona el conjunto LAR102-Estructura Triangular y para las l´ıneas urbanas se selecciona el conjunto LA102-Construcci´on Semibandera las cuales se muestran en la figura 2.2.

12.2 m

1.3 m

1.06 m

12.3 m

12 m

1.18 m

LA102 - Construcción semibandera LAR102 - Estructura Triangular Figura 2.2: Disposici´on geom´etrica conjunto de estructuras

2.1.3

Caracter´ısticas de los conductores Las normas de construcci´on de redes a´ereas rurales y urbanas de distribuci´on del c´odigo de red de Enel Condesa exige que los conductores empleados en las l´ıneas a´ereas deben ser conductores de aluminio AAAC (All Aluminium Alloy Conductor). Adicionalmente, los calibres de los cables AAAC a emplear deben estar entre 40mm2 y 125mm2.

La tabla 2.2 resume algunas caracter´ısticas de las lineas de la ADN propuesta. All´ı, se muestra la longitud de las l´ıneas para cada tramo, el tipo de estructura utilizado de acuerdo a si es rural o urbano (LAR102 o LA102) y por ´ultimo, el conductor empleado en cada tramo.

p. 22

Cap´ıtulo 2 Nodos Longitud [km] Configuraci´on Conductor [mm2] A-B

LAR102

B-C

LA102

B-D

LAR102

C-D

LA102

D-E

LAR102

C-E

LAR102

Tabla 2.2: Caracter´ısticas de las lineas

2.2

Modelado del circuito en ATP Para el modelado de la ADN propuesto se utiliz´o el software ATPDraw. ´Este permite representar y simular un sistema el´ectrico a trav´es de la selecci´on de m´ultiples elementos [79], algunos de estos son: L´ıneas, Cargas y Fuentes. A continuaci´on, se describe algunas caracter´ısticas de estos elementos en el ATP- Draw.

2.2.1

Modelo de l´ıneas Los modelos de l´ıneas disponibles en el ATP son:

• L´ıneas de par´ametros concentrados: El modelo de l´ınea de par´ametros

concentrados permite obtener el modelo RLC Pi-equiv. 1 y RL acoplado

51.

• L´ıneas de par´ametros distribuidos: el modelo de l´ınea de par´ametros dis-

tribuidos muestra un men´u donde se pueden seleccionar dos tipos diferentes de modelos de l´ınea. La primera, l´ıneas transpuestas (Clarke) donde los componentes se pueden caracterizar como modelos sim´etricos y con par´ametros distribuidos y de resistencia agrupada. El segundo, l´ıneas no transpuestas (KCLee) donde los par´ametros de estas l´ıneas asim´etricas generalmente se generan fuera de ATPDraw, estos componentes se pueden caracterizar como modelos de resistencia agrupada y de par´ametros distribuidos no transpuestos con una matriz de transformaci´on nodal real o compleja. Ambos tipos son par´ametros distribuidos.

• Modelo de l´ıneas LCC con par´ametros distribuidos: En esta parte de ATP-

Draw, los datos geom´etricos y el material para una l´ınea a´erea o cable y los datos el´ectricos correspondientes son calculados autom´aticamente por las constante de l´ınea, constante de cable o par´ametros de cable. El m´odulo LCC admite el modelado de l´ınea/cable sin l´ımites en el n´umero de fases o conductores. Aqu´ı el usuario puede seleccionar el tipo de sistema: l´ınea a´erea o cables de un solo n´ucleo. De igual forma puede seleccionar el tipo de modelo de l´ınea a trabajar: Bergeron, PI, Jmartin, Noda y Semlyen. Para las l´ıneas del sistema de prueba se emple´o el modelo de l´ıneas LCC. Este modelo se usa para obtener los par´ametros de las lineas cuando los datos

p. 23

Cap´ıtulo 2 conocidos son la configuraci´on de la estructura y los datos del conductor. Para este caso, las estructuras utilizadas son las mostradas en la figura 2.2 y las caracteristicas descritas en la tabla 2.2. Las figuras 2.3 y 2.4 muestras la disposici´on geom´etrica, resistencia, reactancia y radio externo del conductor usados para las lineas urbanas y rurales respectivamente. Estos datos fueron extraidos de [80].

Figura 2.3: Configuraci´on de par´ametros de la linea de 10 km. Figura 2.4: Configuraci´on de par´ametros de la linea de 20 km. De igual forma, las figuras 2.5 y 2.6 muestra la configuraci´on de la l´ınea a´erea trif´asica tipo PI para 10km y 20km respectivamente. Adem´as, la frecuencia del sistema es de 60 Hz y la resistividad del terreno de 100 ohm ∗m. Figura 2.5: Modelo de linea de 10 km.

p. 24

Cap´ıtulo 2 Figura 2.6: Modelo de linea de 20 Km.

2.2.2

Modelos de Cargas ATP contiene esencialmente dos configuraciones para modelar el comportamiento de las cargas, el modelo lineal y no lineal.

• Carga lineal: es un modelo RLC de impedancia constante, donde las car-

gas pueden ser consideradas como monof´asicas o trif´asicas, balanceadas o des balanceadas seg´un se requiera y su conexi´on puede ser en Y o delta.

• Carga no lineal: Con este modelo de carga, se permite representar re-

sistencia e inductancias de tipo no lineal.

Las caracter´ısticas de comportamiento para las resistencias, se definen a trav´es de curvas tensi´oncorriente (V, i), resistencia-corriente (R, i), resistencia no lineal en funci´on del tiempo (Rf(t)) y un m´odulo de resistencia no lineal dependiente de un par´ametro de control definido por el usuario.

Para las cargas del sistema de prueba, se utiliz´o el modelo de carga lineal trif´asico de impedancia constante conectado en delta.

2.2.3

Modelo de Fuentes Finalmente, ATP permite al usuario hacer la elecci´on de diversos modelos de fuentes AC de tipo monof´asicas como trif´asicas y tambi´en fuentes DC. Para el modelado de la red se utiliz´o una fuente de tensi´on trif´asica con una tensi´on L-L rms de 34.5kV como muestra la figura 2.7. Mientras, para las DERs se uso el modelo descrito en [81].

p. 25

Cap´ıtulo 2 Figura 2.7: Configuraci´on fuente de tensi´on trif´asica.

2.3

Descripci´on de los esquemas de protecci´on analizados Tradicionalmente, la coordinaci´on de los rel´es de protecci´on puede lograrse utilizando la topolog´ıa, m´etodos de optimizaci´on o incluso esquemas basados en el aprendizaje [82, 83, 84]. En un sistema el´ectrico, cada rel´e de protecci´on tiene que despejar los fallos en su zona espec´ıfica (protecci´on primaria) y una funci´on secundaria para despejar los fallos en las zonas de influencia adyacentes o aguas abajo (protecci´on de respaldo). En caso de fallo, la zona despejada del dispositivo de protecci´on debe ser lo m´as peque˜na posible; s´olo debe funcionar la protecci´on primaria (el dispositivo m´as cercano al lugar del fallo). Cuando el dispositivo m´as cercano a la falla no funciona, los siguientes dispositivos aguas arriba deben funcionar para proporcionar una protecci´on de respaldo. El procedimiento de coordinaci´on garantiza el funcionamiento satisfactorio de la protecci´on primaria y de respaldo [85].

En esta secci´on, se describe el esquema de coordinaci´on de protecci´on convencional para rel´es de sobrecorriente de relaci´on inversa tiempo corriente y algunos adaptivos a implementar. Estas esquemas adaptivas son seleccionados a partir de las propuestas estudiados en el estado del arte. La metodolog´ıa propuesta para seleccionar los esquemas de protecci´on adaptivos a implementar y a evaluar es mostrada en la figura 2.8 y se describe a continuaci´on.

• Primera etapa: consiste en realizar una b´usqueda, selecci´on y clasificaci´on

de art´ıculos en bases de datos especializadas. Esta b´usqueda se realiza teniendo en cuenta propuestas de protecci´on adaptativa para ADNs en bases de datos como IEEEXplore, ScienceDirect, Springer, e IET, entre otras. A continuaci´on, se clasifican las propuestas m´as relevantes en funci´on de los

p. 26

Cap´ıtulo 2 Segunda etapa: Análisis detallado y clasificación de propuestas de protección adapativa.

Tercera etapa: simulación y extracción de señales de tensión y corriente.

Cuarta etapa: codificación y evaluación de estrategias de protección.

Quinta etapa: análisis cualitativo y cuantitativo del desempeño.

Primera etapa: búsqueda y selección de artículos en bases de datos especializadas.

Figura 2.8: Metodolog´ıa para seleccionar los esquemas de protecci´on a implementar y a evaluar.

principales requisitos, aportes y conclusiones.

• Segunda etapa: a partir de los documentos mejor puntuados en la etapa

anterior, se hace un an´alisis mas profundo y detallado de la propuesta de protecci´on adaptativa. Con ello, nuevamente se clasifican los documentos de acuerdo al uso de sistemas de comunicaci´on para la ejecuci´on de la propuesta, algoritmo propuesto y simplicidad de la implementaci´on.

• Tercera etapa: considerando la ADN modelada anteriormente, se plantean

diferentes condiciones operativas (COs), contemplando la conexi´on y desconexi´on de DERs. Para cada CO se realiza fallas en diferentes punto de la red. En cada falla realizada, se extraen las se˜nales de corriente y tensi´on de todos los rel´es del sistema antes y durante de la falla. Todos los datos extra´ıdos de las simulaciones realizadas en ATP son usados como datos de insumo para los c´odigos de los diferentes algoritmos adaptativos y convencional implementados en la siguiente etapa.

• Cuarta etapa: despu´es de tener definidos los algoritmos del esquema con-

vencional para protecciones y los esquemas adaptativos, estos se codifican en Python siguiendo una estructura que capta las muestras extra´ıdas de ATP para posteriormente ser procesados median la trasformada de fourier y de esta manera obtener y organizar los fasores de tensi´on y corriente de pre-falla y falla. Posteriormente, se ejecuta loa algoritmos de protecci´on propuesto en cada estrategia implementada.

• Quinta etapa: en esta etapa se tiene como objetivo validar y comparar

los resultados obtenidos para las estrategias de protecci´on implementadas

p. 27

Cap´ıtulo 2 en las etapas anteriores. Despu´es de realizar todas las respectivas evaluaciones de los m´etodos adaptivos y convencional de protecciones, se eval´ua de forma cuantitativa y cualitativamente cada uno de estos esquemas. De esta manera, se obtiene algunos de los problemas a los cuales se ven expuestos los esquemas de protecci´on convencional y limitaciones que pueden presentar los esquemas adaptivos ante la alta variabilidad de las CO de la ADN.

A continuaci´on, se describe el esquema convencional de coordinaci´on de protecciones y tres estrategias de coordinaci´on de protecci´on adaptiva seleccionadas:

2.3.1

Esquema convencional Los par´ametros que definen los rel´es de sobrecorriente son la corriente de arranque (Ip), el tipo de curva y el ajuste del dial de tiempo (TDS, por sus siglas en ingl´es). El tiempo de funcionamiento (t) se define mediante la ecuaci´on (2.1) seg´un la norma IEC 255 [86]. A y P son constantes para definir el grado de inversi´on. M se define en (2.2), donde If es la corriente de falla. t = A

(M P −1) TDS

(2.1)

M = If Ip

(2.2)

Para la coordinaci´on del rel´e de fase se requieren dos fallas trif´asicas solidas. La primera est´a cerca del rel´e (falla m´axima local), mientras que la segunda est´a en el extremo de la l´ınea protegida (falla m´axima remota). La falla m´axima local se utiliza para calcular el tiempo de funcionamiento local (tfl), y la falla m´axima remota se utiliza para determinar el tiempo de funcionamiento remoto (tfr).

En el sistema de la figura 2.9, el procedimiento de coordinaci´on suele iniciarse en el nodo m´as alejado de la fuente. La ecuaci´on (2.1) se utiliza para calcular el tn,f del rel´e n. Adem´as, la ecuaci´on de coordinaci´on definida por (2.3) se utiliza para calcular el tm,fr del rel´e m, donde el intervalo de tiempo de coordinaci´on (CTI, por sus siglas en ingl´es) se refiere al tiempo necesario para que el interruptor despeje la falla y un tiempo adicional como criterio de seguridad.

tm,fr ≥tn,fl + CTIn

(2.3)

El tm,fr, la corriente de falla m´axima remota Ifr e Ip del rel´e m se utilizan para calcular el ajuste del dial de tiempo (TDSm) como se define en (2.4). Los m´aximos locales If e Ip se utilizan para calcular el (tm,fl) utilizando (2.1).

p. 28

Cap´ıtulo 2

...

Figura 2.9: Coordinaci´on de alimentador de distribuci´on con rel´e 51. TDSm = tm,fr (M P −1) A

(2.4)

El proceso anterior se repite hasta el rel´e m´as cercano a la fuente o equivalente del sistema.

2.3.2

Sequence currents based adaptive protection approach for DNs with DER (Esquema adaptivo I) El trabajo presentado en [15], propone un esquema de rel´e sobrecorriente direccional adaptativo basado en corrientes de secuencia. Los ajustes del rel´e obtenidos para el modo conectado a la red no garantizar´ıan la coordinaci´on del rel´e para otras COs del sistema. Por tal motivo, en funci´on del cambio de la CO, los autores proponen el c´alculo de un TDSnuevo definido por (2.5). TDSnuevo = (M)P nuevo −1 (M)P ante −1 TDSante

(2.5)

El rel´e calcula un TDSnuevo cuando se produce una falla. Cada rel´e almacena la corriente de secuencia positiva previa a la falla, TDS e If en el modo de conexi´on a la red. Utilizando el valor de la corriente de secuencia positiva previa a la falla y la If vista en la nueva CO, se ajusta el valor de TDS para mantener la coordinaci´on.

2.3.3

Superimposed Adaptive Sequence Current Based Microgrid Protection: A New Technique (Esquema adaptivo II) Los autores de [16] proponen calcular un factor de impacto (FI) basado en el funcionamiento de la ADN. El uso del FI busca mantener la magnitud de la corriente de falla constante para diferentes CO y asegurar la coordinaci´on del rel´e. El FI se calcula en funci´on de los tipos de recursos conectados a la ADN. En el caso de una falla donde la corriente vista por el rel´e se debe a la

p. 29

Cap´ıtulo 2 contribuci´on de s´olo los DER basados en inversores, el FI se calcula utilizando (2.6), donde ∆I1F es la corriente de falla de secuencia positiva superpuesta, I1F es la corriente de falla de secuencia positiva y I1pre es la corriente de secuencia positiva previa a la falla. En caso contrario, el FI se calcula utilizando (2.7). Todas las corrientes en (2.6) y (2.7) est´an en p.u.

FI = |∆I1F | |1 −I1F ||1 −∆I1F ||I1pre|

(2.6)

FI = |∆I1F | −|I1pre| |∆I1F |

(2.7)

Adem´as, se define una nueva corriente de falla adaptativa (IFad) mediante (2.8) y se calcula para cada rel´e utilizando las corrientes de falla de secuencia negativa, positiva y el FI.

IFad = (I1F + I2F )(FI)

(2.8)

La corriente de falla adaptativa se utiliza con la curva de tiempo inverso m´ınimo (IDMT) como se presenta en (2.1), para calcular el tiempo de operaci´on [87]. A continuaci´on, en funci´on de la CO de la ADN, se ajusta el TDS del rel´e. El TDSnuevo se calcula para cada cambio en la CO de la ADN utilizando el valor del TDSante, la corriente de falla y pre-falla de la CO anterior, como se presenta en (2.9).

TDSnuevo = (M)P ante −1 (M)Pnuevo −1TDSante

(2.9)

2.3.4

Dynamic adaptive protection for distribution systems in Grid-Connected and Island (Esquema adaptivo III) El Esquema de [17] presenta un rel´e de sobrecorriente instant´aneo adaptativo

(50) para ADNs. El art´ıculo se centra en la estimaci´on de una corriente de

arranque adaptativa (Ipad) calculada como se propone en (2.10). Ipad = a Imov10s + b (IFDERs −a Imov10s)

(2.10)

El esquema ajusta la sensibilidad del rel´e promediando la corriente de carga medida localmente utilizando un filtro de ventana de m´ovil de 10 segundos (Imov10s). Adem´as, tiene en cuenta la corriente de falla m´axima suministrada por los DER conectados (IFDERs). Cuando alg´un DER est´a apagado, no se considera esta contribuci´on a la falla. La constante a proporciona un margen de la carga de la l´ınea sin falla, y b ayuda a los rel´es a mantener la sensibilidad. Se trata de constantes elegidas arbitrariamente de forma que a ∈[1, 5 −2] y b ∈(0 −0, 5]. Este esquema de protecci´on garantiza la coordinaci´on con la protecci´on de respaldo.

p. 30

Cap´ıtulo 2

2.4

Pruebas y Resultados En est´a secci´on, se presentan las pruebas y resultados obtenidos del desempe˜no de los esquemas de protecci´on convencional y adaptivos descritos en la secci´on

2.3.

La tabla 2.3 muestra algunos aspectos esenciales evaluados en cada estrategia de protecci´on adaptativa presentada anteriormente. Cada aspecto se describe a continuaci´on:

• Consideraci´on de los diferentes modos de funcionamiento de los ADN,

incluyendo el conectado y desconectados de la red (Modo conectado a la red e isla).

• Capacidad de la propuesta para funcionar adecuadamente en sistemas

radiales y mallados (Radial y mallado)

• Consideraci´on de los DER basados en inversores y s´ıncronos (Tipo de

DER).

• Necesidad de sistemas de comunicaci´on (Esquema de comunicaci´on).

• Identificaci´on de la direcci´on de la falla (Direcci´on de la falla).

• Esfuerzo computacional para la estimaci´on de los par´ametros adaptivos

del rel´e (Esfuerzo computacional).

• Identificaci´on de la funci´on de protecci´on (Funci´on de protecci´on).

Tabla 2.3: Aspectos evaluados en los Esquemas adpativos Aspectos analizados Esquema I.

Esquema II.

Esquema III.

Modo conectado a la red e isla Si Si Si Radial y mallado No No No Tipo de DER No Si Si Esquema de comunicaci´on Si Si Si Direcci´on de la falla Si Si No Esfuerzo computacional Si Si No Funci´on de protecci´on

Para comparar el desempe˜no de cada esquema descrito en la secci´on 2.3 (convencional y adaptativos), para cada CO descrita en la tabla 2.4 se simulan tres fallas, como se muestra en la figura 2.1. Donde √indica que la DER est´a conectada a la ADN, mientras × indica el caso contrario. Por su parte la ultima columna hace referencia a si la ADN se encuentra conectado a la red principal. Los esquemas convencional y adaptativo I y II se eval´uan utilizando rel´es de sobrecorriente de relaci´on inversa tiempo corriente. El esquema adaptivo III se eval´ua utilizando rel´es instant´aneos de sobrecorriente.

p. 31

Cap´ıtulo 2 Tabla 2.4: Condiciones operativas propuestas para la ADN modelada. Condici´on operativa

DER1

DER2

DER3

Red Principal Condici´on operativa I (CO1) √ √ √ √ Condici´on operativa II (CO2) × × √ √ Condici´on operativa III (CO3) × √ × √

2.4.1

Resultados obtenidos Las tablas 2.5, 2.6 y 2.7 muestran los resultados obtenidos para cada CO. Para los esquemas convencional y adaptativo I y II se muestran tres columnas. La primera corresponde al TDS, la segunda es el tiempo de funcionamiento de cada rel´e t, y la tercera es la diferencia de tiempo ∆t entre tR de la protecci´on de respaldo y tP de la protecci´on principal. Adem´as, el rel´e principal se representa como R, y el rel´e de respaldo como /R para cada falla. Por lo tanto, ∆t no se calcula para el rel´e primario, y se representa utilizando el s´ımbolo - en las tablas.

De igual forma, los resultados del esquema adaptativo III se presentan en tres columnas; la primera corresponde al valor Ipad calculado, la segunda es el valor If, y la tercera indica si hubo una se˜nal de disparo por parte del rel´e. Tabla 2.5: Tiempos de operaci´on para el esquema de protecci´on convencional y adaptivos para la Condici´on Operativa I Esquema convencional Esquema adaptivo I Esquema adaptivo II Esquema adaptivo III Falla Rel´e

TDS

t ∆T

TDS

t ∆T

TDS

t ∆T Ipad IF Trip F1 R5

0.047

0.084

0.047

0.084

0.059

0.103

33.18

854.34

YES

/R8

0.038

0.271

0.187

0.038

0.271

0.187

0.044

0.523

0.420

30.07

33.09

YES

/R9

0.148

0.212

0.127

0.148

0.212

0.127

0.150

0.211

0.108

16.48

821.81

YES

0.160

0.296

0.160

0.296

0.161

0.297

30.2

707.72

YES

/R1

0.202

0.438

0.142

0.202

0.438

0.142

0.202

0.437

0.140

85.72

1433.53

YES

/R10

0.045

0.441

0.145

0.045

0.441

0.145

0.033

0.407

0.110

65.89

737.01

YES

F2 R4

0.149

0.202

0.149

0.202

0.150

0.336

33.18

854.34

YES

/R1

0.202

0.460

0.173

0.202

0.460

0.173

0.202

0.462

0.127

85.72

1254.36

YES

/R5

0.047

0.394

0.107

0.047

0.394

0.107

0.059

0.557

0.222

33.18

297.84

YES

R10

0.045

0.103

0.045

0.103

0.033

0.075

65.89

383.04

YES

/R12

0.050

0.388

0.285

0.050

0.388

0.285

0.037

0.256

0.181

56.11

96.01

YES

/R14

0.024

0.325

0.222

0.024

0.325

0.222

0.110

0.231

0.156

22.36

21.14

NO F3 R6

0.144

0.248

0.144

0.248

0.124

0.214

15.02

312.62

YES

/R8

0.038

0.430

0.181

0.038

0.430

0.181

0.044

0.379

0.111

30.07

18.99

NO /R3

0.160

0.392

0.144

0.160

0.392

0.144

0.161

0.399

0.131

30.2

297.21

YES

0.148

0.201

0.148

0.201

0.150

0.202

16.48

312.62

YES

/R12

0.050

0.388

0.187

0.050

0.388

0.187

0.037

0.302

0.100

56.11

96.01

YES

/R14

0.024

0.325

0.123

0.024

0.325

0.123

0.110

0.363

0.161

22.36

21.14

2.4.2

An´alisis de resultados Para la CO1, la tabla 2.5 muestra que el esquema convencional y adaptativo I presentan el mismo TDS y tiempo de operaci´on, ya que la Ip e If de secuencia

p. 32

Cap´ıtulo 2 Tabla 2.6: Tiempos de operaci´on para el esquema de protecci´on convencional y adaptivos para la Condici´on Operativa II Esquema convencional Esquema adaptivo I Esquema adaptivo II Esquema adaptivo III Falla Rel´e

TDS

t ∆T

TDS

t ∆T

TDS

t ∆T Ipad IF Trip F1 R5

0.047

0.092

0.040

0.084

0.049

0.103

43.01

636.67

YES

/R9

0.148

0.223

0.132

0.124

0.212

0.127

0.150

0.211

0.108

23.19

649.32

YES

0.160

0.315

0.137

0.296

0.136

0.297

40.73

574.04

YES

/R1

0.202

0.469

0.174

0.177

0.438

0.142

0.175

0.437

0.110

112.95

1183.01

YES

/R10

0.045

0.420

-0.175

0.160

0.441

0.145

0.146

0.407

0.110

79.38

616.05

YES

F2 R4

0.149

0.332

0.125

0.287

0.145

0.336

78.32

967.84

YES

/R1

0.202

0.446

0.159

0.177

0.460

0.170

0.175

0.462

0.127

112.95

1273.44

YES

/R5

0.047

0.117

-0.170

0.040

0.394

0.109

0.049

0.557

0.222

43.01

310.34

YES

R10

0.045

0.158

0.160

0.103

0.146

0.075

79.38

355.75

YES

/R12

0.050

0.410

0.307

0.057

0.388

0.285

0.088

0.256

0.181

54.68

105.94

YES

F3 R6

0.144

0.252

0.117

0.248

0.101

0.214

22.41

292.15

YES

/R3

0.160

0.386

0.137

0.392

0.148

0.136

0.399

0.185

40.73

309.73

YES

0.148

0.275

0.124

0.201

0.150

0.202

23.19

292.33

YES

/R12

0.050

0.410

0.208

0.057

0.388

0.187

0.088

0.302

0.100

54.68

105.94

YES

Tabla 2.7: Tiempos de operaci´on para el esquema de protecci´on convencional y adaptivos para la Condici´on Operativa III Esquema convencional Esquema adaptivo I Esquema adaptivo II Esquema adaptivo III Falla Rel´e

TDS

t ∆T

TDS

t ∆T

TDS

t ∆T Ipad IF Trip F1 R5

0.047

0.090

0.045

0.084

0.055

0.103

40.01

669.77

YES

/R8

0.038

0.184

0.094

0.082

0.480

0.395

0.066

0.523

0.420

48.62

79.89

YES

/R9

0.148

0.228

0.138

0.093

0.212

0.127

0.093

0.211

0.108

45.82

589.84

YES

0.160

0.317

0.153

0.296

0.123

0.297

26.94

560.31

YES

/R1

0.202

0.468

0.151

0.172

0.438

0.142

0.170

0.437

0.140

119.32

1195.51

YES

/R10

0.045

0.382

0.650

0.146

0.441

0.145

0.131

0.407

0.110

98.77

644.68

YES

F2 R4

0.149

0.330

0.138

0.287

0.159

0.336

97.94

994.91

YES

/R1

0.202

0.457

0.169

0.172

0.460

0.173

0.170

0.462

0.127

119.32

1282.83

YES

/R5

0.047

0.120

-0.167

0.045

0.394

0.107

0.055

0.557

0.222

29.81

294.05

YES

R10

0.045

0.169

0.146

0.103

0.131

0.075

98.77

305.01

YES

F3 R6

0.144

0.241

0.124

0.248

0.104

0.214

45.54

350.16

YES

/R8

0.038

0.198

-0.050

0.082

1.227

0.979

0.395

0.379

0.165

38.45

71.75

YES

/R3

0.160

0.394

0.145

0.153

0.392

0.144

0.297

0.399

0.185

26.94

293.38

YES

0.148

0.262

0.093

0.201

0.093

0.202

45.82

350.28

YES

positiva es la misma para ambos esquemas, y se utiliza para la coordinaci´on. Por otro lado, el esquema adaptativo II presenta una diferencia en TDS y tiempo de operaci´on con respecto a los dos esquemas anteriores debido a que utiliz´o la corriente de falla adaptativa IFad definida en 2.8.

El esquema convencional mantiene fijos los ajustes Ip y TDS para cada CO. Las tablas 2.6 y 2.7, muestran como la coordinaci´on de protecciones se pierde y algunos valores de ∆T est´an por debajo del valor del CTI. Para algunos casos, las protecciones de respaldo se disparan m´as r´apido que las protecciones principales, lo que indica un ∆T negativo como se observa en la columna ∆t para el esquema convencional en las tablas 2.6 y 2.7. Esto se puede ver resaltado en la columna ∆T del esquema convencional de las tablas 2.6 y 2.7.

p. 33

Cap´ıtulo 2 Como ejemplo se puede observar los valores obtenidos para R3 en la falla F1. Estos se encuentran resaltados en las tablas 2.5, 2.6 y 2.7 donde se puede observar la perdida de coordinaci´on para el esquema convencional en las CO2 y CO3 con respecto al CO1. Mientras para los esquemas adaptivo I y II la coordinaci´on se mantiene gracias a los ajustes realizados.

La figura 2.10 muestra como para las CO1 y CO3 en el Esquema convencional los tiempos de operaci´on var´ıan, causando descoordinaci´on entre el rel´e R3 y R10 en la CO3.

R3-R1-R10 R5-R8-R9

0.2

0.4

Condici´on operativa I Tiempo de operaci´on [s] RP RR RR R3-R1-R10 R5-R8-R9

0.2

0.4

Condici´on operativa III RP RR RR Figura 2.10: Tiempo de operaci´on del rel´e principal (PR) y del rel´e de respaldo (RR).

Cuando se desconecta un DER, se producen variaciones en la Ip e If como se muestra en la figura 2.11 y en la figura 2.12 respectivamente. Teniendo en cuenta que el tiempo de operaci´on del rel´e de sobrecorriente depende de la magnitud de la If, puede aumentar o disminuir en algunos rel´es. Por lo tanto, la p´erdida de coordinaci´on se debe en gran medida al cambio en la CO del sistema. Por otro lado, los esquemas adaptivos I y II no tienen un valor fijo de Ip y TDS, ya que estos valores son recalculados cada vez que hay un cambio en la CO de la ADN. Las tablas 2.6 y 2.7 muestran como para cada CO y diferentes fallas, el ∆T est´a por encima del CTI. Comparando los ajustes de R3 para la F1 y las tres CO propuestas, se observa en las tablas 2.5, 2.6 y 2.7 y en la figura

2.13 que estos valores se adaptan. Por tanto, los ajustes adaptativos propuestos

en estos esquemas permiten mantener la coordinaci´on entre protecciones. El esquema adaptativo III utiliza una coordinaci´on basada en un esquema de comunicaci´on [88]. Los rel´es principales env´ıan una se˜nal de bloqueo a la protecci´on de respaldo cuando ´estos detectan una falla. Una vez recibida la se˜nal de bloqueo, la protecci´on de respaldo espera un tiempo de coordinaci´on progra-

p. 34

Cap´ıtulo 2 R1 R3 R4 R5 R6 R8 R9 R10 R12

Rel´e Ip[A] CO1 CO2 CO3 Figura 2.11: Corriente de arranque para cada CO R1 R3 R4 R5 R6 R8 R9 R10 R12

500

1,000

1,500

Rel´e If[A] CO1 CO2 CO3 Figura 2.12: Corriente de falla para cada CO mado antes de enviar la se˜nal de disparo. La protecci´on de respaldo disparar´a el interruptor local si la falla contin´ua cuando expire el tiempo de coordinaci´on programado.

En el caso de cada CO, la IPad propuesta se calcula en funci´on de los DER

p. 35

Cap´ıtulo 2 OC1 OC2 OC3

5 · 10−2

0.1

0.15

Condici´on operativa

TDS

Convencional Adaptivo I Adaptivo II Figura 2.13: TDS del rel´e R3 para cada CO propuesta.

conectados y de la Imov10s. Las tablas 2.5, 2.6 y 2.7 muestran como la protecci´on principal act´ua igual que la protecci´on de respaldo para la mayor´ıa de las fallas. Sin embargo, los rel´es cercanos a los DER no se disparan para determinadas fallas, por ejemplo, los rel´es R8 y R14 para la CO1. Esto se debe a que, durante las faltas, la If de estas fuentes es como m´aximo dos veces la corriente nominal. El Esquema establece que si un DER est´a encendido, la contribuci´on m´axima de corriente de falla del DER se considera para calcular la Ip, y para este modo de operaci´on, todos los DER est´an encendidos, lo que lleva a tener una Ip menor que la corriente de falla.

2.5

Conclusiones preliminares Una ADN tiene diferentes condiciones operativas que var´ıan de acuerdo a las contingencias de las l´ıneas, la disponibilidad de recursos de energ´ıa primaria o la conexi´on/desconexi´on de DERs. Estos cambios se ven reflejados principalmente en la alteraci´on de las corrientes de arranque y de falla vista por el rel´e, al igual que la direccionalidad de estas. Debido a esto, los dispositivos de protecci´on pueden presentar aumento o disminuci´on en los tiempos de operaci´on, falsos disparos o cegamiento y por la tanto descoordinaci´on entre protecciones. Como consecuencia de la variabilidad descrita anteriormente, el esquema convencional basado en ajustes fijos no garantiza la coordinaci´on del rel´e de sobrecorriente, ante todos los estados operativos de la ADN. Por otro lado, los esquemas adaptivos I y II pueden proporcionar una soluci´on a la coordinaci´on con el c´alculo del TDSnuevo y ajustes a la corriente de falla sujeto a la nueva CO, ya que estos ajustes permiten mantener los tiempos de operaci´on de los rel´es cercanos a los calculados inicialmente. Sin embargo, estos esquemas calculan par´ametros adaptivos a partir de las tensiones y corrientes de

p. 36

Cap´ıtulo 2 falla lo que hace que la actualizaci´on y tiempo de operaci´on de los dispositivos de protecci´on sea mayor. Adicionalmente, es necesario contar con un CCO que este monitorizando el estado operativo de la ADN. Como resultado las estrategias que necesitan una CCO, pueden presentar retrasos en la se˜nal de disparo en la mayor´ıa de los casos, riesgos adicionales por la perdida de informaci´on y/o comunicaci´on entre los dispositivos, las protecciones puedes operar con ajustes desactualizados y altos costos de implementaci´on. En el caso del esquema III, la estimaci´on del IPad presenta problemas en la detecci´on de fallas en rel´es cercanos a los DERs en sistemas mallados, ya que esta corriente adaptiva se calcula teniendo en cuenta las DERs conectadas al sistema.

Por lo tanto, un esquema de protecci´on adaptativa robusto debe satisfacer los criterios de fiabilidad, selectividad, velocidad, econom´ıa y seguridad considerando la posibles conexi´on/desconexi´on y variaci´on de los DERs para las condiciones operativas conectado a la red y e isla, para sistemas radiales y mallados, y finalmente para DERs basados en inversores y s´ıncronos. Adem´as, los algoritmos de protecci´on propuestos deben ser simple y r´apidos para reducir la carga computacional y el uso de dispositivos adicionales como IEDs. Tambi´en, se debe buscar que las estrategias de protecci´on puedan trabajar con una infraestructura de comunicaciones m´ınima con el fin de reducir tiempos de operaci´on y actualizaci´on de los ajustes, disminuir riesgos asociados a perdida de informaci´on y costos de implementaci´on.

Como resultado del trabajo realizado en este cap´ıtulo, se obtuvieron el articulo publicado en el Simposio Internacional sobre la Calidad de la Energ´ıa El´ectrica titulado: Overcurrent protection of active distribution networks: A comparison. y el art´ıculo publicado en la revista TecnoL´ogicas titulado: Qualitative and Quantitative Evaluation of Overcurrent Protection in Active Distribution Systems.

p. 37

Cap´ıtulo 3 Esquema propuesto de protecci´on adaptiva de ADN Esta secci´on se presenta un esquema de protecci´on de sobrecorriente adaptiva sin comunicaci´on para mantener la coordinaci´on del rel´e direccional frente a los cambios en la CO de la ADN. En el caso de un nueva CO, este esquema propone adaptar los ajustes del rel´e a partir de una estrategia de coordinaci´on ´optima inicial. Este resultado resume la propuesta publicada por el autor de esta tesis en [89].

El esquema propuesto consta de tres etapas, como se muestra en la figura 3.1, donde s´olo la primera etapa se realiza fuera de l´ınea, y las dos ´ultimas etapas son en l´ınea. Las variables i y y son contadores, y w y x son variables definidas por la frecuencia de muestreo del rel´e y el n´umero de muestras necesarias para actualizar los ajustes, respectivamente.

3.1

Etapa 1: Coordinaci´on de referencia para cada rel´e Esta etapa est´a orientada a determinar la coordinaci´on ´optima de los rel´es, definida como coordinaci´on de referencia, mediante un proceso offline. Para ello se utilizan los valores de Ifl, Ifr y Ip para cualquier rel´e Rγ. Adem´as, la coordinaci´on ´optima se realiza en la condici´on operativa de referencia (OCρ). Durante esta OCρ, la ADN est´a conectado a la red principal, y los DER operan a su m´axima potencia para obtener la m´axima corriente de falla. Esta etapa se divide en los siguientes tres pasos:

p. 38

Cap´ıtulo 3 Paso 1: Definición de la función objetivo Inicio Etapa 1 - fuera de línea Etapa 2 - En línea Paso 2: Cálculo de la corriente de arranque adaptable Paso 3: Cálculo del TDS adaptivo Paso 3: Detección de fallas Falla ?

Paso 4: Cálculo del tiempo de disparo del relé Si Paso 2: Cálculo de la dirección de la potencia activa No No Paso 3: Cálculo de los ajustes del relé en la coordinación de referencia Dirección del relé ?

Si No Si Paso 1: Cálculo de los fasores de tensión y corriente Paso 1: Cálculo del fasor de corriente en un ciclo Paso 4: Actualización de los ajustes del relé Paso 2: Cálculo de los datos de falla para la coordinación de los relés Si Actualizar la configuración del modo isla Si No No Etapa 3 - En línea Modo Isla ?

Figura 3.1: Propuesta de protecci´on adaptiva.

3.1.1

Paso 1 - Definici´on de la funci´on objetivo El tiempo de operaci´on de Rγ para una falla f se obtiene a partir de la ecuaci´on (2.1). La propuesta considera una funci´on objetivo destinada a minimizar el

p. 39

Cap´ıtulo 3 tiempo de operaci´on total de todos los rel´es principal, manteniendo la selectividad entre rel´es principales y de respaldo. El problema de coordinaci´on se modela matem´aticamente como se presenta en (3.1).

Minimise (OF) = N X γ=1 tγ,f

(3.1)

Las restricciones para el problema de optimizaci´on definido se dan en (3.2). tγ,f −tζ,f ≤CTIγ; ∀(γ, ζ) ∈N tγ,f −Ψγ,f TDSγ = 0; ∀γ ∈N TDSmin ≤TDSγ ≤TDSmax; ∀γ ∈N

(3.2)

Donde tγ,f y tζ,f representan los tiempos de operaci´on de los rel´es primario y de respaldo, respectivamente (Rγ y Rζ). Los par´ametros A y α son restricciones del modelo matem´atico [90].

El paso de ajuste del TDS se considera una variable continua durante el proceso de ajuste. Iγ,p se basa en la corriente de carga m´axima [91].

3.1.2

Paso 2 - C´alculo de las datos de falla para la coordinaci´on de los rel´es Los datos necesarios para la coordinaci´on se obtienen durante el OCρ, considerando fallas solidas para determinar las corrientes m´aximas locales y remotas (Iγ,fl e Iγ,fr), para cualquier rel´e Rγ. Las fallas trif´asicas se utilizan para los rel´es de fase, mientras que las fallas monof´asicas a tierra son necesarias para los rel´es de neutro.

3.1.3

Paso 3 - C´alculo de los ajustes del rel´e en la coordinaci´on de referencia Los ajustes de los rel´es se determinan ejecutando el modelo de optimizaci´on presentado en el paso 1, utilizando los datos obtenidos en el paso 2. Dichos ajustes corresponden al TDSγ e Iγ,s para todos los rel´es de la ADN. Adem´as, cada rel´e almacena la Iγ,fl y el tiempo de operaci´on local m´ınimo (tγ,fl) definido por la ecuaci´on (3.3). Estos valores se utilizan para actualizar los ajustes del rel´e, como se presenta en la etapa 3.

tγ,fl = A Mγ,fl α −1 TDSγ

(3.3)

Del mismo modo, esta etapa se realiza para obtener la configuraci´on de referencia para cada rel´e en modo isla.

p. 40

Cap´ıtulo 3 Por otro lado, para detectar la CO en isla se utiliza la t´ecnica propuesta en [92]. Esta t´ecnica se basa en la modificaci´on de la transformada wavelet continua (CWT) para lograr su implementaci´on en tiempo real (RT-CWT). La CO en isla se eval´ua analizando los ´ındices de calidad de la energ´ıa, como la amplitud de la tensi´on, el tiempo de duraci´on del evento, el grado de desequilibrio, la frecuencia del sistema, la impedancia de la red y el ´angulo de potencia.

3.2

Etapa 2: Detecci´on e identificaci´on de fallas Esta etapa en l´ınea est´a orientada a determinar la presencia de una falla en la direccionalidad del rel´e. La etapa se compone de los siguientes cuatro pasos:

3.2.1

Paso 1 - C´alculo de los fasores de tensi´on y corriente Los fasores de corriente y tensi´on se estiman utilizando la transformada discreta de Fourier (DFT) de medio ciclo de se˜nal. En este caso, se considera una ventana m´ovil de medio ciclo de ancho que se desplaza muestra por muestra.

3.2.2

Paso 2 - C´alculo de la direcci´on de la potencia activa Como el flujo de potencia activa cambia continuamente en la ADN, en este paso se determina la direcci´on del flujo de potencia activa utilizando los fasores estimados en el paso anterior. La direcci´on se estima utilizando un esquema basado en el par seg´un (3.4) [51].

T + = V +I+cos(ϕV + −ϕI+ −ϕZ+ l )

(3.4)

El super´ındice + indica cantidades de secuencia positiva, T es el par y Zl es la impedancia de la l´ınea protegida.

3.2.3

Paso 3 - Detecci´on de la falla En este paso, la magnitud del fasor de corriente estimado (Iγ,e) se compara con el ´ultimo valor de Iγ,p. Por lo tanto, si la magnitud de Iγ,e es mayor que Iγ,p, entonces se detecta una falla. En caso contrario, el proceso vuelve al paso 1.

3.2.4

Paso 4 - C´alculo del tiempo de disparo del rel´e En caso de falla, el rel´e calcula el tγ,f, utilizando las ecuaciones (2.1) y (2.2), donde Iγ,f = Iγ,e.

p. 41

Cap´ıtulo 3 Figura 3.2: C´alculo del fasor de corriente usando un ciclo de se˜nal.

3.3

Etapa 3: Actualizaci´on de la configuraci´on del rel´e Esta etapa en l´ınea est´a orientada a determinar los ajustes de forma adaptiva del rel´e. Esta etapa consta de los cuatro pasos siguientes:

3.3.1

Paso 1 - C´alculo del fasor de corriente en un ciclo Este paso consiste en realizar la DFT de un ciclo de la se˜nal actual para calcular el fasor (I ′ γ,e). En este caso, se utiliza una ventana m´ovil de un ciclo de ancho que se desliza ciclo a ciclo, como se muestra en la figura 3.2. Una vez estimado el fasor actual, se guardan x fasores en un sistema de almacenamiento de x muestras donde el primero en entrar es el primero en salir (FIFO, por sus siglas en ingl´es).

3.3.2

Paso 2 - C´alculo de la corriente de arranque adpativa En este paso, teniendo en cuenta la variaci´on en la corriente producto de la conexi´on y/o desconexi´on de una DER como muestra [89], la corriente de arranque adaptiva se calcula utilizando el promedio de los fasores de corriente utilizando el sistema de almacenamiento FIFO de x muestras (Iγ,e). El valor de x se selecciona en funci´on del tiempo de actualizaci´on necesario para la protecci´on de la ADN; as´ı, en este trabajo, x se fija en 5. La corriente de arranque adaptiva del rel´e (Iγ,pa) para cada rel´e n se calcula como en (3.5).

p. 42

Cap´ıtulo 3 Iγ,pa = κ Iγ,e

(3.5)

Por ´ultimo, el rel´e puede discriminar una condici´on de falla y variaciones en la corriente de carga mediante la actualizaci´on continua de la Iγ,pa propuesta.

3.3.3

Paso 3 - C´alculo del TDS adaptivo En el esquema propuesto se obtiene un TDS adaptativo, donde el tγ,fr se ajusta manteniendo el tγ,fl para cualquier rel´e Rγ.

El ajuste del TDS adaptativo (TDSγa) se calcula utilizando el tγ,fl y la Iγ,fl, estimados en la etapa 1 y el ´ultimo valor de Iγ,pa. Si se desconecta una DER, la Iγ,pa del rel´e aguas arriba aumenta y se actualiza.

Iγ,pa, Iγ,fl e Iγ,fr se utilizan para determinar Mγ,la y Mγ,ra. Para garantizar tγ,fl, entonces se utiliza Mγ,la para obtener la TDSγa. Los valores de Mγ,l, Mγ,r y TDSγ se obtienen durante la coordinaci´on de referencia. El ajuste del TDS adaptativo se calcula mediante las ecuaciones (3.6) y (3.7). Mγ,la = Iγ,fl Iγ,pa

(3.6)

TDSγa = Mγ,la α −1 A tγ,fl

(3.7)

3.3.4

Paso 4 - Actualizaci´on de los ajustes del rel´e Una vez estimados los ajustes del rel´e adaptativo TDSγa e Iγ,sa, estos se actualizan en el rel´e.

3.4

Resultados obtenidos En est´a secci´on se presentan los resultados obtenidos del esquema de protecci´on adaptivo propuesto. Inicialmente, el enfoque propuesto es evaluado en la ADN planteada en la secci´on 2, bajo las condiciones de operaci´on y de falla descritas en la secci´on 2.4. Posteriormente, la propuesta es evaluada en el sistema IEEE 34-barras donde se realizan 4 fallas en diferentes puntos de la red y bajo diferentes CO las cuales son descritas en la secci´on 3.4.2. Los resultados obtenidos se presentan a continuaci´on.

3.4.1

Resultados obtenidos para la ADN propuesta Para el esquema de protecci´on adaptivo propuesto, se utiliz´o el sistema descrito anteriormente, y se evalu´o las CO descritas en la tabla 2.4. De igual forma, para cada CO se simularon tres fallas, como se muestra en la figura 2.1.

p. 43

Cap´ıtulo 3 La tabla 3.1 muestra los resultados obtenidos para el esquema propuesto bajo las CO descritas. En esta tabla, se muestra cuatro columnas para cada CO, la primera corresponde a la Ipa calculada, la segunda al TDSa, mientras la tercera muestra el tiempo de operaci´on de cada rel´e y finalmente la cuarta es la diferencia de tiempo entra el tiempo de operaci´on de la protecci´on de respaldo y la principal. Este ∆t debe ser mayor o igual que el CTI, que es definido como 0,2 s, para garantizar la coordinaci´on y cumplir con la ecuaci´on (2.3). Para estas pruebas, considerando que la desconexi´on de algunas de las DERs para las CO propuestas afecta las corrientes de falla vista por el rel´e como por ejemplo la CO2 cuando se desconecta la DER1, ante una eventual falla el rel´e R8 no puede detectar esta falla y su tiempo de operaci´on es infinito y es representado con el s´ımbolo ∞. Adem´as para estos casos, los ajuste adaptivos no son calculados y se representan con el s´ımbolo **.

Tabla 3.1: Tiempos de operaci´on para el esquema de protecci´on adaptivo propuesto para la ADN modelada.

Condici´on Operativa I Condici´on Operativa II Condici´on Operativa III Falla Rel´e Ipa [A] TDSa t ∆t Ipa [A] TDSa t ∆t Ipa [A] TDSa t ∆t F1 R5

21.444

0.047

0.085

32.58

0.053

0.119

30.852

0.053

0.116

/R8

18.876

0.038

0.271

0.187

** ** ∞ ∞

18.228

0.045

0.211

0.127

/R9

7.872

0.148

0.212

0.127

15.552

0.130

0.233

0.149

14.676

0.132

0.239

0.154

19.02

0.16

0.296

30.804

0.146

0.336

29.148

0.148

0.336

/R1

65.784

0.202

0.438

0.142

93.216

0.185

0.491

0.196

108.612

0.178

0.501

0.205

/R10

49.056

0.045

0.441

0.145

64.092

0.030

0.484

0.189

81.084

0.027

0.486

0.150

F2 R4

47.628

0.149

0.287

63.264

0.14

0.346

80.544

0.132

0.354

/R1

65.784

0.202

0.46

0.173

93.216

0.185

0.464

0.176

108.612

0.178

0.487

0.200

/R5

21.444

0.047

0.394

0.107

32.58

0.053

0.554

0.267

30.852

0.053

0.444

0.157

R10

49.056

0.045

0.103

64.092

0.185

0.748

81.084

0.027

0.137

/R12

39.264

0.05

0.388

0.286

40.164

0.036

0.301

0.198

39.816

0.036

0.301

0.197

F3 R6

6.528

0.144

0.248

14.772

0.103

0.232

13.908

0.104

0.218

/R8

18.876

0.038

0.403

0.181

** ** ∞ ∞

18.228

0.045

0.403

0.155

/R3

19.02

0.16

0.392

0.144

30.804

0.146

0.427

0.179

29.148

0.148

0.432

0.184

7.872

0.148

0.201

** ** ∞ ∞

14.676

0.132

0.280

/R12

39.264

0.05

0.388

0.187

40.164

0.036

0.305

0.104

** ** ∞ ∞

3.4.2

Resultados obtenidos para el sistema IEEE 34-barras El esquema de protecci´on adaptivo propuesto es tambi´en evaluado en el sistema de prueba IEEE de 34-barras con una tensi´on de 24,9 [kV] que se muestra en la figura 3.3. La ADN est´a conectado a la red y cuenta con tres DERs y cargas desequilibradas. Los DER1 y DER3 son conectados a la red a trav´es de un inversor, y considera el modelo de [93]. Mientras, el DER2 es una m´aquina s´ıncrona. Las condiciones operativas evaluadas en este sistema son las mostradas en la tabla 3.2. Para este caso, en la CO6 y CO7 se reduce la potencia nominal al valor en PU mostrado para cada DER. De esta manera, se busca evaluar el desempe˜no de la estrategia propuesta ante el comportamiento variable que puede

p. 44

Cap´ıtulo 3 Figura 3.3: Sistema IEEE 34-barras modificado con DERs. tener el energ´etico primario de la DER. Adicionalmente, las ADN pueden presentar la condici´on operativa desconectada de la red principal o modo isla, la CO9 y CO10 son evaluadas en modo isla.

Tabla 3.2: Condiciones operativas propuestas para el sistema IEEE 34-barras. Condici´on operativa

DER1

DER2

DER3

Red Principal Condici´on operativa IV (CO4) √ × √ √ Condici´on operativa V (CO5) × √ × √ Condici´on operativa VI (CO6) × × × √ Condici´on operativa VII (CO7)

0.25

√ Condici´on operativa VIII (CO8)

0.2

0.5

0.75

√ Condici´on operativa IX (CO9) × √ × × Condici´on operativa X (CO10)

0.5

0.25

× Teniendo en cuenta que la primera etapa de la estrategia de protecci´on adaptiva propuesta consiste en determinar la coordinaci´on de referencia donde todas las DERs est´an conectadas al sistema y operando a su m´axima capacidad, la tabla 3.3 muestra los ajustes iniciales y/o de referencia para cada rel´e en el modo conectado a la red.

Tabla 3.3: Ajustes de referencia para cada rel´e.

Rel´e R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Iγ,s [A]

10.31

17.54

17.87

8.94

20.22

7.06

5.91

3.95

TDSa

0.360

0.020

0.215

0.091

0.042

0.172

0.035

0.065

Los resultados obtenidos para las CO mencionadas anteriormente son mostrados en las tablas 3.4, 3.5 y 3.6. Para esta pruebas, se compara el desempe˜no del esquema de protecci´on propuesto y el esquema convencional. Las tablas muestran cuatro columnas para cada esquema de protecci´on, donde cada una

p. 45

Cap´ıtulo 3 de estas columnas corresponde a la descripci´on realizada anteriormente. Sin embargo, la columna ∆ta hace referencia a la diferencia de tiempo entre la protecci´on de respaldo y principal considerando los ajustes adaptivos propuestos, mientras ∆tc hace referencia a esta misma diferencia de tiempo pero obtenido en el esquema convencional. Adicionalmente, los ajustes para el enfoque convencional se mantiene fijos para cada condici´on operativa. Tabla 3.4: Tiempos de operaci´on para el esquema de protecci´on adaptivo propuesto y convencional ante conexi´on/desconexi´on de DERs Esquema propuesto Esquema convencional CO Falla Rel´e Ipa [A] TDSa t ∆ta Ip [A]

TDS

t ∆tc F1 R3

17.87

0.215

0.459

17.87

0.215

0.459

/R1

10.31

0.360

0.659

0.200

10.31

0.360

0.659

0.200

F2 R5

20.22

0.042

0.095

20.22

0.042

0.095

COρ /R3

17.87

0.215

0.485

0.390

17.87

0.215

0.485

0.390

F3 R6

7.06

0.172

0.285

7.06

0.172

0.285

/R3

17.87

0.215

0.485

0.200

17.87

0.215

0.485

0.200

F4 R8

3.95

0.065

0.097

3.95

0.065

0.097

/R6

7.06

0.172

0.297

0.200

7.06

0.172

0.297

0.200

F1 R3

29.97

0.180

0.457

10.31

0.215

0.457

/R1

23.98

0.279

0.660

0.203

17.87

0.360

0.657

0.200

F2 R5

20.22

0.042

0.099

20.22

0.042

0.099

CO4 /R3

29.97

0.180

0.488

0.389

17.87

0.215

0.484

0.386

F3 R6

7.06

0.172

0.293

7.06

0.172

0.293

/R3

29.97

0.180

0.494

0.201

17.87

0.215

0.484

0.191

F4 R8

3.95

0.065

0.098

3.95

0.065

0.298

/R6

7.06

0.172

0.304

0.206

7.06

0.172

0.304

0.206

F1 R3

21.21

0.203

0.464

10.31

0.215

0.464

/R1

22.16

0.287

0.664

0.200

17.87

0.360

0.659

0.195

F2 R5

20.22

0.042

0.099

20.22

0.042

0.099

CO5 /R3

21.21

0.203

0.488

0.389

17.87

0.215

0.484

0.386

F3 R6

11.85

0.149

0.286

7.06

0.172

0.286

/R3

21.21

0.203

0.490

0.204

17.87

0.215

0.489

0.203

F4 R8

3.95

0.065

0.097

3.95

0.065

0.097

/R6

11.85

0.149

0.300

0.203

7.06

0.172

0.298

0.201

F1 R3

34.35

0.169

0.463

10.31

0.215

0.462

/R1

35.13

0.243

0.665

0.202

17.87

0.360

0.657

0.195

F2 R5

18.28

0.043

0.100

20.22

0.042

0.100

CO6 /R3

34.35

0.169

0.494

0.394

17.87

0.215

0.489

0.388

F3 R6

11.28

0.152

0.296

7.06

0.172

0.295

/R3

34.35

0.169

0.498

0.202

17.87

0.215

0.489

0.194

F4 R8

3.95

0.065

0.100

3.95

0.065

0.100

/R6

11.28

0.152

0.309

0.210

7.06

0.172

0.308

0.208

p. 46

Cap´ıtulo 3 Tabla 3.5: Tiempos de operaci´on para el esquema de protecci´on adaptivo propuesto y convencional ante variaci´on de potencia de las DERs Esquema propuesto Esquema convencional CO Falla Rel´e Ipa [A] TDSa t ∆ta Ip [A]

TDS

t ∆tc F1 R3

20.06

0.206

0.462

10.31

0.215

0.462

/R1

18.71

0.303

0.665

0.203

17.87

0.360

0.659

0.197

F2 R5

20.22

0.042

0.096

20.22

0.042

0.096

CO7 /R3

20.06

0.206

0.489

0.394

17.87

0.215

0.4848

0.392

F3 R6

10.04

0.157

0.286

7.06

0.172

0.286

/R3

20.06

0.206

0.489

0.203

17.87

0.215

0.488

0.202

F4 R8

3.95

0.359

0.097

3.95

0.359

0.097

/R6

10.04

0.157

0.299

0.202

7.06

0.172

0.298

0.201

F1 R3

23.78

0.195

0.463

10.31

0.215

0.463

/R1

22.88

0.284

0.667

0.204

17.87

0.360

0.659

0.196

F2 R5

19.76

0.043

0.098

20.22

0.042

0.098

CO8 /R3

23.78

0.195

0.492

0.394

17.87

0.215

0.488

0.391

F3 R6

7.72

0.168

0.291

7.06

0.172

0.291

/R3

23.78

0.195

0.492

0.201

17.87

0.215

0.488

0.197

F4 R8

3.95

0.359

0.099

3.95

0.359

0.099

/R6

7.72

0.168

0.303

0.205

7.06

0.172

0.303

0.204

Tabla 3.6: Tiempos de operaci´on para el esquema de protecci´on adaptivo propuesto y convencional para el modo de operaci´on en isla Esquema propuesto Esquema convencional CO Falla Rel´e Ipa [A] TDSa t ∆ta Ip [A]

TDS

t ∆tc F1 R2

17.01

0.020

0.091

17.54

0.020

0.091

CO9 /R4

17.76

0.063

0.292

0.201

8.94

0.091

0.285

0.194

F2 R8

3.76

0.045

0.100

3.76

0.045

0.091

/R6

10.08

0.091

0.302

0.202

5.84

0.114

0.298

0.198

F1 R2

17.01

0.020

0.090

17.54

0.020

0.090

CO10 /R4

12.81

0.076

0.291

0.201

8.94

0.091

0.286

0.196

F2 R8

3.76

0.045

0.100

3.76

0.045

0.100

/R6

8.83

0.096

0.300

0.201

5.84

0.114

0.298

0.198

3.5

An´alisis de resultados En esta secci´on se analizan los resultados obtenidos para la estrategia de protecci´on adaptiva propuesta evaluada en la ADN modelada y para el sistema IEEE 34-barras.

3.5.1

An´alisis de resultados para la ADN modelada Los resultados mostrados en la tabla 3.1 resaltan las ventajas de la protecci´on adaptativa propuesta, ya que se mantiene la coordinaci´on de los rel´es en todos

p. 47

Cap´ıtulo 3 las CO evaluados. Comparando la misma falla bajo las diferentes OCs, el ∆t se mantiene por encima del CTI, considerando la conexi´on y desconexi´on de DERs en el ADN.

Una de las dificultades identificadas para mantener la coordinaci´on utilizando el esquema convencional radica principalmente en que se mantienen fijos los ajustes de los rel´es, mientras la ADN presenta variaciones en las corrientes de falla y pre-falla. Por el contrario, en el esquema propuesto es posible mantener la coordinaci´on, ya que se adapta continuamente los ajustes de los rel´es (Ipa y TDSa) como muestra las columnas Ipa y TDSa donde estos se recalculan de acuerdo a la CO de la ADN. Es importante resaltar que para actualizar estos ajustes se usa las medidas de corriente tomadas localmente por cada rel´e, las cuales est´an continuamente variando en cada CO como se mostr´o en la secci´on 2.4.2.

Finalmente, el esquema adaptivo propuesta al igual que los adaptivos implementados y evaluados en la secci´on 2.4 presenta un buen desempe˜no para las diferentes CO planteadas. Sin embargo, es de resaltar que a diferencia del esquema adaptivo I, II y III, el esquema propuesto no utiliza enlaces de comunicaci´on y tampoco una CCO para actualizar los ajustes de los rel´es. Adicionalmente, el esquema adaptivo propuesta presenta una ventaja adicional con respecto a los esquemas adaptivo I y II, ya que mantiene los ajustes actualizados de los rel´es antes de que ocurra una falla, mientras estos otros necesitan las corrientes de falla para calcular y actualizar nuevos ajustes para los rel´es.

3.5.2

An´alisis de resultados para el sistema IEEE-34 barras Seg´un los resultados de la tabla 3.4, la coordinaci´on de los rel´es se mantiene para la COρ para todas las fallas propuestas en el esquema convencional, ya que el valor de ∆tc es igual o superior al CTI definido. Sin embargo, si los TDS e Ip obtenidos en COρ se mantienen fijos para todas las CO, como en el caso de la protecci´on convencional o no adaptativa, la coordinaci´on del rel´e no est´a garantizada como se observa para los valores resaltados y subrayados en la ultima columna, donde el valor de ∆tc es menor al CTI. Lo anterior es consecuencia de la conexi´on/desconexi´on de los DERs en los diferentes CO; donde la direcci´on y magnitud de las corrientes tienen grandes variaciones provocando descoordinaci´on de rel´es.

La figura 3.4 muestra el tiempo de operaci´on de R6 como rel´e principal (RP) y R3 como protecci´on de respaldo (RR) para la falla F3 en cuatro CO diferentes para el enfoque convencional. Estas CO tienen como particularidad la desconexi´on o variaci´on de la DER2, lo que conduce a que la coordinaci´on entre este par de rel´es se pierda. Esto es debido a que el rel´e aguas abajo detecta corrientes de falla menores que las detectadas durante el COρ, por lo que el tiempo de operaci´on ser´a mayor. Analizando la CO4, el tiempo de operaci´on de

p. 48

Cap´ıtulo 3 ó Figura 3.4: Tiempos de operaci´on para esquema convencional de protecci´on. R6 aumenta a 0,293 s, mientras que el tiempo de operaci´on de R3 permanece en 0,484 s, como en la COρ. Como consecuencia, la corriente de falla a trav´es de RP disminuye y la de RR se mantiene, y por lo tanto, la diferencia de tiempo de operaci´on en estos rel´es disminuye a 0,191 s por debajo del CTI; esto conduce a la descoordinaci´on.

Como se observa en las CO propuestas, la coordinaci´on de los rel´es no se mantiene para el esquema convencional, mientras para el esquema propuesto, para todas las falla y CO se garantiza la coordinaci´on. Esta coordinaci´on de rel´es se mantiene, ya que el esquema propuesto adapta continuamente los ajustes de los rel´es (Ipa y TDSa). Comparando la misma falla en el COρ con diferentes CO, el ∆t se mantiene por encima del CTI, considerando la conexi´on y desconexi´on de DERs en el ADN.

Para la estrategia de protecci´on adaptiva propuesta los rel´es actualizan sus ajustes para cada CO si el flujo de potencia activa esta en la direccionalidad del rel´e. En caso contrario, el rel´e debe permanecer configurado utilizando los ´ultimos ajustes actualizados. Los valores actualizados de Ipa y TDSa para las CO considerados se presentan en las columnas 4 y 5 de las tablas 3.4,3.5 y 3.6, y estos ajustes son calculados tal como se describe en la Etapa 3 de la metodolog´ıa propuesta, ecuaciones (3.5), (3.6) y (3.7).

Tambi´en, es importante aclarar que el rel´e R8 mantiene el TDSa en todos los CO, debido a la ligera variaci´on de la corriente de arranque adaptiva. Esta

p. 49

Cap´ıtulo 3 corriente es casi constante porque este rel´e protege la carga con un valor fijo. En los dem´as rel´es, el TDSa cambia si la direcci´on del flujo de potencia activa est´a en la direccionalidad del rel´e en la nueva CO.

En la figura 3.5, se puede observar como funciona la metodolog´ıa propuesta para calcular el TDSa. Inicialmente, R1 tiene un TDS para la COρ el cual es calculado utilizando los valores de la corriente de falla local y remota, al igual que su corriente de arranque tal como se explica en la secci´on 3.1. Para el ejemplo, estos valores permiten calcular MR1,l y MR1,r respectivamente como se mostrados en la figura 3.5. Cuando hay un cambio en la CO del sistema, en este caso el sistema cambia a la CO5, la Ipa se ajusta de acuerdo al valor medido localmente, el cual aumenta con respecto al ajustado en la COρ. MR1,la se calcula utilizando la ecuaci´on 3.6, debido a que la Ipa > Ip, se puede deducir que MR1,la < MR1,l y teniendo en cuenta que la desconexi´on de DERs aguas abajo de R1 no afecta la corriente de falla remota vista por R1 como se muestra en [89], entonces MR1,ra < MR1,r. Para este caso, el rel´e R1 usa la Ipa, la Ifl y el tfl, y de esta manera ajusta y/o calcula de forma adaptiva el valor del TDSa. En la figura 3.5, se puede observa como la diferencia de tiempo (∆ta) usando los ajustes propuesta ante la operaci´on como protecci´on de respaldo es mayor que esta diferencia de tiempo si se usa el enfoque convencional (∆tc). Finalmente, para el rel´e R1 usando los ajustes calculados, el tiempo de operaci´on de respaldo aumenta mientras mantiene el tiempo de operaci´on local. Figura 3.5: C´alculo del TDSa.

Como se mencion´o anteriormente, los valores ∆tc resaltados y subrayado en la tabla 3.4 demuestran la descoordinaci´on de los rel´es en el caso del esquema convencional. Al mismo tiempo, se puede observar la columna ∆ta donde la coordinaci´on se mantiene en el caso del esquema adaptativo propuesto. Con base en lo anterior, la figura 3.6 muestra como la estrategia de protecci´on adaptiva propuesta permite mantener la coordinaci´on entre el par de

p. 50

Cap´ıtulo 3 rel´es R1 y R3 para la CO5. Cuando el sistema pasa a la CO5, el rel´e R3 ajusta su TDSa, con el cual su tiempo de operaci´on local para la falla F1 es de 0.464 s para ambos esquemas de protecci´on (adaptivo y convencional). Sin embargo, considerando que la corriente de falla remota vista por R1 es de 412 A, se puede obtener los valores de Mr,a y Mr. Para Mr,a, se usa la nueva Ipa la cual es de

22.16 A, mientras para Mr se usa la Ip de la COρ de 10.31 A. Con base en lo

anterior, el calculo del TDSa de R1 permite al rel´e mantener la correcta coordinaci´on con R3, mientras en el enfoque convencional, el ∆tc es menor al CTI definido.

Figura 3.6: Diferencia del tiempo de operaci´on de respaldo usando los ajustes propuestos y convencional.

La figura 3.7 muestra como debido a la adaptaci´on en la configuraci´on del rel´e R3 como protecci´on de respaldo, el tiempo de operaci´on de este para las diferentes CO aumenta con respecto al tiempo de operaci´on para el esquema convencional mostrado en la figura 3.4. De esta manera, para el esquema propuesto se puede garantizar la coordinaci´on.

Por otro lado, es importante resaltar que considerar ´unicamente los estados de conectado o desconectado de los DERs para calcular los ajustes de los rel´es no es suficiente. Los DERs var´ıan frecuentemente su capacidad de generaci´on debido a factores como variaciones en la fuente de energ´ıa primaria. Estas variaciones provocan cambios en la If, Ip y tf de cada rel´e, como se ha descrito anteriormente.

Considerando lo anterior, se evalu´o el rendimiento del esquema adaptivo propuesto y convencional para las mismas fallas consideradas anteriormente y variaciones de DER. Los resultados se muestran en la tabla 3.5, donde la potencia inyectada por los DER se reduce al valor unitario indicado en cada columna en relaci´on con su potencia nominal. Se observa que hay descoordinaci´on para el enfoque convencional, mientras que la coordinaci´on se mantiene

p. 51

Cap´ıtulo 3 ó Figura 3.7: Tiempos de operaci´on para esquema propuesto de protecci´on. para el esquema adaptativo propuesto. Por lo tanto, la estrategia propuesta puede adaptar los ajustes del rel´e incluso cuando las DERs est´an conectadas al sistema aunque inyectando menos potencia al sistema.

Finalmente, considerando la condici´on de operaci´on en la que la red principal est´a desconectada, los rel´es actualizan los ajustes bas´andose en la coordinaci´on de referencia para la condici´on de isla; el esquema adaptativo propuesto se integra en cada rel´e tal y como se describe en la secci´on 3.3. La tabla 3.6 muestra los resultados obtenidos para los enfoques adaptativo convencional y propuesto para la falla local F1 y F2 situada frente a los rel´es R2 y R8, respectivamente, bajo diferentes OC.

En este caso, aunque los rel´es convencionales se actualizan con nuevos ajustes cuando se desconecta la red principal, los cambios en la CO como variaci´on en las fuentes o desconexi´on de DERs reflejan un rendimiento inadecuado de la protecci´on. Sin embargo, el enfoque propuesto responde adecuadamente a los cambios en el ADN incluso cuando funciona en condiciones de isla.

p. 52

Cap´ıtulo 4 Conclusiones y trabajos futuros

4.1

Conclusiones Un ADN tiene diferentes condiciones operativas que var´ıan de acuerdo a la disponibilidad de recursos de energ´ıa primaria o la conexi´on/desconexi´on de DER. Como consecuencia a lo anterior, en este trabajo se analizan los principales inconvenientes y restricciones del enfoque de protecci´on convencional, el cual present´o dificultades para mantener la coordinaci´on de los rel´es en las diferentes condiciones operativas propuestas. Una de las dificultades identificadas para mantener la coordinaci´on utilizando el esquema convencional radica principalmente en que se mantienen fijos los ajustes de los rel´es, mientras la ADN presenta variaciones en las corrientes de falla y pre-falla. Producto de esto, los tiempos de operaci´on principal y de respaldos de los rel´es pueden sufrir incrementos que llevan principalmente a la descoordinaci´on entre rel´es. Adicionalmente, los cambios en el estado de la ADN pueden conducir a falsos disparos o cegamientos en las protecciones.

Los enfoques de protecci´on adaptivos son una posible soluci´on al problema de coordinaci´on, ya que se adaptan al comportamiento de dichas redes el´ectricas. Sin embargo, los enfoques adaptivos pueden presentar limitantes como la necesidad de los valores de corriente de falla, el uso de esquemas de comunicaci´on, dispositivos adicionales y/o un centro de control de operaciones que permita centralizar la informaci´on. Teniendo en cuenta lo anterior, el desempe˜no de las protecciones puede verse afectados por la perdida de informaci´on, tomar tiempos adicionales de operaci´on y actualizaci´on e incrementos en costos de implementaci´on.

Teniendo en cuenta lo anterior, en este trabajo se propuso un esquema de protecci´on adaptivo sencillo, con una baja carga computacional e independi-

p. 53

Cap´ıtulo ente de esquemas de comunicaci´on, lo que lo hace ventajoso en comparaci´on con otras propuestas.

Sin embargo, el esquema propuesto es lo suficientemente robusto para satisfacer los criterios de fiabilidad, selectividad, velocidad, econom´ıa y seguridad considerando la posibles conexi´on/desconexi´on y variaci´on de los DERs para las condiciones operativas conectado a la red y e isla, para sistemas radiales y mallados, y finalmente para DERs basados en inversores y s´ıncronos.

La soluci´on de protecci´on propuesta es fiable, el enfoque propuesto sin comunicaci´on utiliza ´unicamente medidas locales para determinar los ajustes adaptativos del rel´e y de esta manera, mantener la coordinaci´on del rel´e bajo diferentes condiciones operativas de la ADN. Los resultados obtenidos para los diferentes sistemas implementados y diferentes condiciones operativas resaltan las ventajas de la protecci´on adaptativa propuesta, ya que se pudo garantizar la coordinaci´on de los rel´es en todos las condiciones evaluados. Finalmente, como resultado de este trabajo de investigaci´on se obtuvieron cuatro productos de nuevo conocimiento, tal como se presenta, de forma detallada, en el numeral 1.6.

4.2

Trabajos futuros Como trabajo futuro con el fin de proponer mejorar la protecci´on de los sistemas de distribuci´on activos, se identificaron los siguientes aspectos espec´ıficos:

• Probar diferentes modelos de optimizaci´on que permitan obtener una co-

ordinaci´on de referencia ´optimas.

• Implementar modelos de DERs m´as precisos que permitan simular de

manera detallada el comportamiento estas las fuentes integradas a la red.

• Integrar cambios de topolog´ıa de la red en las pruebas de los algoritmos

de protecci´on.

• Considerar estrategias de protecci´on para ADNs que incluyan diferentes

tipos de protecci´on como fusibles, rel´es de distancia y diferencial.

p. 54

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Cita: Grisales Soto, Brayner Steven (2023), Estrategia de proteccion de sobrecorriente adaptiva para redes de distribucion activas, Universidad Tecnológica de Pereira, p. N. https://hdl.handle.net/11059/14790