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AN´ALISIS DE ESTRATEGIAS DE COORDINACI´ON DE

PROTECCIONES USANDO RECONECTADORES Y FUSIBLES

EN REDES DE DISTRIBUCI´ON INCLUYENDO RECURSOS

ENERG´ETICOS DISTRIBUIDOS.

JULIO C´ESAR ARISTIZABAL ROMERO

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al t´ıtulo de Ingeniero Electricista Pereira, Octubre 2025

UNIVERSIDAD TECNOL´OGICA DE PEREIRA

Programa de Ingenier´ıa El´ectrica

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AN´ALISIS DE ESTRATEGIAS DE COORDINACI´ON DE PROTECCIONES USANDO RECONECTADORES

Y FUSIBLES EN REDES DE DISTRIBUCI´ON INCLUYENDO RECURSOS ENERG´ETICOS DISTRIBUI-

DOS.

©JULIO C´ESAR ARISTIZABAL ROMERO

Director: ANDR´ES RICARDO HERRERA OROZCO Pereira, Octubre de 2025 Programa de Ingenier´ıa El´ectrica. Universidad Tecnol´ogica de Pereira La Julita. Pereira(Colombia)

TEL: (+57)(6)3137122

www.utp.edu.co Versi´on web disponible en: http://recursosbiblioteca.utp.edu.co/tesisd/index.html

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Agradecimientos A mi familia, por su permanente apoyo; a mis padres, Luz Mary Romero y Clareth Antonio Aristiz´abal, por su ejemplo de constancia; y a mi hermana, Paola Milena Aristiz´abal, por su compa˜n´ıa incondicional. Extiendo mi gratitud a mi director, Andr´es Ricardo Herrera, por su acompa˜namiento t´ecnico y acad´emico, y por las ense˜nanzas que cimentaron los fundamentos t´ecnicos y ´eticos de esta investigaci´on.

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Resumen El presente trabajo se enfoca en analizar la coordinaci´on entre reconectadores y fusibles en redes de distribuci´on con presencia de recursos energ´eticos distribuidos (DER - Distributed Energy Resources). Se abordan dos enfoques adaptativos y complementarios, presentados de manera general para facilitar su comprensi´on desde las primeras secciones del documento. En primer lugar, se estudia un esquema basado en reconectadores direccionales de doble ajuste (DSDR – Dual Setting Directional Recloser), los cuales permiten modificar los par´ametros de protecci´on como el TDS (Time Dial Setting, que regula el desplazamiento de la curva de tiempo–corriente) y la corriente de arranque o pickup, de acuerdo con las condiciones operativas vigentes. Este enfoque incluye un proceso iterativo que calcula los tiempos de operaci´on de los fusibles mediante sus curvas (TCC - Time–Current Characteristic) y valida la selectividad entre dispositivos. Cuando se detectan posibles conflictos de coordinaci´on, por ejemplo, entre fusibles consecutivos o entre el reconectador y un fusible aguas abajo, se aplican acciones correctivas, tales como reajustes del TDS o la selecci´on de un fusible alternativo, siguiendo criterios como la separaci´on m´ınima recomendada entre curvas (com´unmente referida como margen del 75%, explicada posteriormente en el documento).

En segundo lugar, se eval´ua una estrategia basada en un Factor de Modificaci´on (MF – Modification Factor), definido como la relaci´on entre la impedancia aparente de secuencia positiva asignada al reconectador y la impedancia estimada en tiempo real a partir de mediciones locales de tensi´on y corriente. Este factor permite ajustar de forma adaptativa la curva r´apida del reconectador, mediante un TDS efectivo, para conservar el margen de coordinaci´on (CTI – Coordination Time Interval) frente a variaciones operativas, cambios en la topolog´ıa o fluctuaciones de los aportes de DER. A diferencia del enfoque anterior, esta estrategia no requiere intercambio de informaci´on entre dispositivos, sino que opera ´unicamente con mediciones locales del propio reconectador. Se consideran distintos niveles de penetraci´on de DER, escenarios de carga variables y varios tipos de falla, tanto cercanas como remotas respecto a los dispositivos de protecci´on. El an´alisis compara el desempe˜no de cada estrategia en t´erminos de preservaci´on del CTI, robustez ante cambios operativos y capacidad para mantener la selectividad en redes activas.

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Tabla de contenido

Introducci´on

1.1

Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Justificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

Objetivos

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

1.3.1

Objetivo general

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

1.3.2

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

1.4

Estado del arte

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

Aspectos te´oricos

2.1

Reconectadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.1

Funci´on y coordinaci´on

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

2.1.2

Caracter´ısticas y operaci´on

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

2.1.3

Tipos avanzados de reconectadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.4

TDS: Time Dial Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2

Fusibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1

Caracter´ısticas operacionales

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

2.3

Software de simulaci´on escogidos: ATP/EMTP y Python

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

Propuestas esquemas de coordinaci´on reconectador-fusible

3.1

Estrategia N1: Esquema de protecci´on adaptativa por sobrecorriente para la coordinaci´on de DSDR y fusibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.1

Problema de coordinaci´on reconectador-fusible . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

Definici´on de la estrategia N1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1

Tiempos de operaci´on y corriente pickup DSDR

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

3.2.2

Tiempo de operaci´on fusible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3

Etapas de la estrategia N1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.1

Etapa 1: Preparaci´on del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.2

Etapa 2: An´alisis de fallas y par´ametros del sistema . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.3

Etapa 3: Detecci´on de fallas y validaci´on de la coordinaci´on . . . . . . . . . .

3.3.4

Etapa 4: Acciones correctivas y ajuste adaptativo . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4

Estrategia N2: Estrategia de coordinaci´on entre reconectador y fusible basada en factor de modificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1

Implementaci´on pr´actica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.2

Factor de modificaci´on (MF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.3

Ajuste din´amico del TDS del reconectador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5

Etapas de la estrategia N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.1

Etapa 1. Adquisici´on y c´alculo de impedancia . . . . . . . . . . . . . . . . . .

p. 6

TABLA DE CONTENIDO

3.5.2

Etapa 2. Aplicaci´on del factor de modificaci´on y ajuste del reconectador

. . .

Resultados y an´alisis comparativo

4.1

Esquema de red de distribuci´on de prueba escogida

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

4.2

Estudios de caso analizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.1

Estrategia N1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.2

Estrategia N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3

Resultados obtenidos estrategia N1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3.1

Caso de referencia sin generaci´on distribuida

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

4.3.2

Escenario con DER moderada (DER1)

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

4.3.3

Escenario con inyecci´on significativa (DER1+DER2)

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

4.3.4

Escenario con inyecci´on significativa (DER1+DER2+DER3) . . . . . . . . . .

4.4

Resultados obtenidos estrategia N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4.1

An´alisis comparativo de CTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4.2

An´alisis de impacto de integraci´on DER

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

4.4.3

Evaluaci´on de la estrategia MF en laterales largos del sistema IEEE 34 Nodos con dos reconectadores

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

4.5

Evaluaci´on cruzada de estrategias de coordinaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5.1

Estrategia MF aplicado en el sistema estrategia DSDR . . . . . . . . . . . . . .

4.5.2

Estrategia DSDR aplicado en el sistema estrategia MF . . . . . . . . . . . . . .

4.5.3

Propuesta de mejora: Estrategia MF con ajuste de corriente pickup por escenario en laterales largos del sistema IEEE 34 Nodos con dos reconectadores

Conclusiones y trabajos futuros

5.1

Conclusiones

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

5.2

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

5.2.1

Revisi´on y adaptaci´on continua de la estrategia DSDR

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

5.2.2

Estrategia basada en Factor de Modificaci´on (MF) . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.3

Implementaci´on de operaci´on online, optimizaci´on y anal´ıtica de datos.

. . .

Apendices

p. 7

Lista de Figuras

3.1

Curvas tiempo-corriente (TCC) propuestas para un reconectador de doble ajuste en un esquema de guardado de fusibles. Fuente: [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

Metodolog´ıa propuesta para la coordinaci´on entre reconectadores y fusibles utilizando DSDR en redes de distribuci´on. Fuente: [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3

Diagrama de flujo del algoritmo de protecci´on por rel´es propuesto . . . . . . . . . . .

4.1

Esquema simplificado de alimentador IEEE de 34 nodos modificado estudiado . . . .

4.2

Esquema simplificado de alimentador IEEE de 34 nodos con ubicaci´on de reconectadores y fusibles para la estrategia N1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3

Esquema simplificado de alimentador IEEE de 34 nodos con lateral largo propuesto. .

4.4

Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para todos los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR sin DER . .

4.5

Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para todos los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR con DER1.

4.6

Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR con DER1+DER2. 35

4.7

Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para todos los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR con

DER1+DER2+DER3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.8

Comparaci´on de CTI para fallas monof´asicas a tierra (LG) con y sin estrategia MF . .

4.9

Comparaci´on de CTI para fallas trif´asicas a tierra (LLLG) con y sin estrategia MF . . .

4.10 Esquema simplificado de alimentador IEEE 34 nodos con laterales largos evaluados. .

4.11 Esquema simplificado de alimentador IEEE 34 nodos con distribuci´on de DER evalu-

ado con estrategia DSDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.12 Clasificaci´on de protecci´on para sistema IEEE 34 nodos propuesto en estrategia MF .

4.13 Esquema simplificado de alimentador IEEE 34 nodos con distribuci´on de DER evalu-

ado con estrategia MF

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

p. 8

Lista de Tablas

4.1

Escenarios de integraci´on de DER y tipos de falla analizados en el sistema IEEE 34 nodos modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2

Par´ametros de recursos energ´eticos distribuidos estrategia N1 . . . . . . . . . . . . .

4.3

Par´ametros iniciales de dispositivos de protecci´on para la estrategia N1. . . . . . . . .

4.4

Escenarios de integraci´on de DER y tipos de falla analizados en el sistema IEEE 34 nodos modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5

Par´ametros de recursos energ´eticos distribuidos estrategia N2 . . . . . . . . . . . . .

4.6

Par´ametros iniciales de dispositivos de protecci´on para la estrategia N2 . . . . . . . .

4.7

Comparaci´on global de coordinaci´on reconectador–Fusible con y sin estrategia MF

4.8

P´erdidas de coordinaci´on por escenario de generaci´on distribuida (DER) . . . . . . .

4.9

Resumen consolidado de CTI y p´erdidas de coordinaci´on por lateral largo, Sin estrategia y Con estrategia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.10 MF en el sistema DSDR: p´erdidas y CTI (Sin coordinaci´on o Con coordinaci´on)

. . .

4.11 Par´ametros iniciales de dispositivos de protecci´on para la estrategia MF en laterales largos y ajuste de corriente pickup por escenario

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

4.12 An´alisis comparativo de CTI, sin estrategia, con estrategia MF y estrategia MF con

ajuste de corriente pickup en nodo 842 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.13 An´alisis comparativo de CTI, sin estrategia, con estrategia MF y estrategia MF con

ajuste de corriente pickup en nodo 858 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

p. 9

Cap´ıtulo 1 Introducci´on En los ´ultimos a˜nos, las redes de distribuci´on el´ectrica han cambiado de manera significativa debido a la incorporaci´on creciente de recursos energ´eticos distribuidos (DER), como plantas solares, peque˜nos generadores y otras fuentes conectadas directamente a los alimentadores. Estos nuevos elementos han aportado beneficios importantes, pero tambi´en han introducido una complejidad operativa que no estaba presente en los sistemas tradicionales, dise˜nados para funcionar con flujos de energ´ıa en un solo sentido.

Uno de los retos m´as importantes es que la presencia de m´ultiples fuentes de generaci´on modifica la forma como se comporta la red durante una falla el´ectrica. Las corrientes que circulan pueden ser diferentes en magnitud y direcci´on, y esto afecta directamente el funcionamiento de los dispositivos de protecci´on encargados de aislar la zona afectada. Como consecuencia, esquemas de protecci´on que antes eran confiables pueden perder selectividad, lo que aumenta la probabilidad de que una falla local termine causando interrupciones m´as amplias de lo necesario. Dentro de estos esquemas, la coordinaci´on entre reconectadores y fusibles es esencial para minimizar interrupciones. En condiciones convencionales, el reconectador act´ua primero, principalmente durante fallas transitorias, permitiendo que el fusible solo opere cuando realmente es necesario (falla permanente). Sin embargo, cuando existen DER en distintos puntos del alimentador, esta coordinaci´on puede verse comprometida debido a los cambios en las corrientes de falla y a la variaci´on de los escenarios de operaci´on a lo largo del d´ıa.

Este contexto ha motivado la b´usqueda de estrategias de protecci´on m´as flexibles, capaces de adaptarse a las condiciones reales de la red sin depender de infraestructura adicional costosa ni de la desconexi´on masiva de los generadores distribuidos. La necesidad central es mantener la coordinaci´on y evitar que fallas sencillas generen interrupciones prolongadas o afecten la continuidad del servicio.

En este marco, el presente trabajo tiene como prop´osito analizar y evaluar alternativas que permitan mejorar la coordinaci´on entre reconectadores y fusibles en redes de distribuci´on con alta penetraci´on de DER. Se busca identificar soluciones que fortalezcan la selectividad de la protecci´on bajo diversos escenarios operativos, manteniendo niveles adecuados de confiabilidad y reduciendo la probabilidad de interrupciones sostenidas.

Para lograrlo, se plantean varios objetivos espec´ıficos enfocados en estudiar la problem´atica, revisar estrategias adaptativas y evaluar su desempe˜no en condiciones representativas.

p. 10

CAP´ITULO 1.

INTRODUCCI´ON

1.1

Planteamiento del problema La creciente integraci´on de recursos energ´eticos distribuidos (DER), ha impulsado el desarrollo de nuevas tecnolog´ıas, buscando reducir las emisiones de CO2 y mitigar el cambio clim´atico. Si bien la DER ofrece beneficios como la mejora de la calidad y fiabilidad del suministro, as´ı como la reducci´on de p´erdidas, su presencia modifica significativamente las caracter´ısticas operativas y de falla de las redes de distribuci´on de energ´ıa el´ectrica [1].

Estas redes, tradicionalmente dise˜nadas para un flujo de potencia unidireccional desde la subestaci´on hacia los consumidores, enfrentan ahora flujos bidireccionales debido a la presencia de DER [1]. Este cambio fundamental altera la l´ogica convencional de dise˜no, operaci´on y protecci´on del sistema. M´as importante a´un, la DER modifica sustancialmente las corrientes de falla en magnitud, direcci´on y duraci´on, presentando un desaf´ıo cr´ıtico para los esquemas de protecci´on existentes, que a menudo no consideran la contribuci´on de falla proveniente de la DER [2]. El problema principal se manifiesta en la p´erdida de coordinaci´on entre los dispositivos de protecci´on, particularmente en el esquema reconectador-fusible, vital para la fiabilidad de las redes de distribuci´on. Este esquema busca el “salvamento de fusibles” mediante la operaci´on r´apida de los reconectadores ante fallas temporales, permitiendo que los fusibles despejen solo las fallas permanentes aguas abajo. Sin embargo, la DER puede alimentar las corrientes de falla tanto desde la subestaci´on como desde las unidades de DER, alterando los valores de corriente vistos por los dispositivos y, por consiguiente, llevando a una operaci´on incorrecta o a la descoordinaci´on. Por ejemplo, la magnitud del cortocircuito puede diferir considerablemente entre el modo conectado a red y el modo isla. Adem´as, muchas unidades DER, al estar acopladas electr´onicamente, no presentan el mismo comportamiento de aporte de corriente que las m´aquinas s´ıncronas convencionales, lo que agrava la situaci´on [1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, 8].

Esta problem´atica se ve intensificada por las normativas modernas de capacidad de soporte de fallas (FRT - Fault Ride-Through), que exigen que la DER permanezca conectada e incluso inyecte corriente durante las fallas. Esta exigencia, aunque beneficiosa para la estabilidad de la red, puede interferir con los esquemas de protecci´on tradicionales, llevando potencialmente a la descoordinaci´on y a la desconexi´on innecesaria de cargas. Esta situaci´on afecta directamente la continuidad del servicio el´ectrico y repercute negativamente en indicadores de calidad como la duraci´on promedio de interrupciones (SAIDI - System Average Interruption Duration Index) y la frecuencia promedio de interrupciones (SAIFI - System Average Interruption Frequency Index), esenciales para evaluar el desempe˜no del sistema [1, 4, 7].

Si bien se han propuesto diversas soluciones, como la desconexi´on de la DER, el uso de limitadores de corriente, la modificaci´on de ajustes de rel´es o el empleo de rel´es m´as avanzados, muchas presentan desventajas, como altos costos, limitaciones tecnol´ogicas o complejidad. Por lo tanto, es indispensable estudiar soluciones innovadoras o adaptativas que puedan operar de manera fiable y coordinada en redes con alta penetraci´on de DER. Frente a esta problem´atica, una estrategia prometedora es tener un esquema de protecci´on adaptativo, enfocado a mantener la coordinaci´on entre reconectadores y fusibles [1]. Esta aproximaci´on busca dotar a los reconectadores de la capacidad de modificar din´amicamente sus tiempos de respuesta en funci´on de la localizaci´on de las fallas, ya sean aguas arriba o aguas abajo [5], con el objetivo de minimizar las interrupciones prolongadas, mejorar la selectividad del sistema de protecci´on y mantener los´ındices SAIDI y SAIFI dentro de los rangos aceptables [9, 1].

Considerando lo anteriormente expuesto, la presente investigaci´on realiza un an´alisis detallado de algunos esquemas de protecci´on adaptativos, enfocados en la coordinaci´on de reconectadores y fusibles, en sistemas de distribuci´on de energ´ıa el´ectrica con una alta penetraci´on de DER. El

p. 11

objetivo final es realizar un an´alisis comparativo y presentar posibles estrategias de mejora en las estrategias analizadas.

1.2

Justificaci´on La integraci´on creciente de DER en las redes de distribuci´on ha adquirido una importancia estrat´egica en Colombia, especialmente a partir de las disposiciones regulatorias que promueven su incorporaci´on y operaci´on segura. Normativas como la Resoluci´on CREG 030 de 2018, que establece el marco para la conexi´on de generaci´on distribuida y autoconsumo, y la Resoluci´on CREG 174 de 2021, que refuerza criterios t´ecnicos para la operaci´on de activos de distribuci´on ante la presencia de DER, impulsan una r´apida modernizaci´on del sistema el´ectrico. Sin embargo, estas exigencias tambi´en obligan a garantizar que los sistemas de protecci´on evolucionen acorde con las nuevas condiciones operativas, lo cual constituye un desaf´ıo t´ecnico cr´ıtico para la operaci´on. En este contexto, resolver los problemas de protecci´on derivados de la presencia de DER, particularmente la p´erdida de coordinaci´on entre reconectadores y fusibles, se vuelve fundamental para cumplir con los requisitos de continuidad y calidad del servicio definidos por la Resoluci´on CREG 097 de 2008. La descoordinaci´on causada por aportes de corriente de falla provenientes tanto de la red como de los DER afecta directamente indicadores como SAIDI y SAIFI, que no solo miden el desempe˜no t´ecnico del sistema sino que tambi´en determinan responsabilidades regulatorias y posibles sanciones para los operadores de red. Por lo tanto, mantener esquemas de protecci´on selectivos y fiables no es ´unicamente un requerimiento t´ecnico, sino una obligaci´on regulatoria para garantizar la operaci´on segura y econ´omica de las redes.

Adicionalmente, los requisitos modernos de permanencia ante fallas (FRT), integrados en los lineamientos de conexi´on de DER y exigidos por la CREG en coherencia con est´andares internacionales, obligan a que las unidades distribuidas permanezcan conectadas e inyectando corriente durante perturbaciones. Esto intensifica los desaf´ıos para el esquema tradicional reconectador–fusible, que fue dise˜nado para redes radiales y flujos unidireccionales. Por esta raz´on, se requiere avanzar hacia metodolog´ıas de protecci´on m´as flexibles, capaces de adaptarse din´amicamente a la variabilidad operativa generada por los DER, evitando operaciones indebidas, mejorando la selectividad y asegurando un desempe˜no consistente bajo diferentes escenarios de falla. En este marco, el desarrollo y an´alisis de esquemas de protecci´on adaptativos constituye una necesidad real para el sistema el´ectrico colombiano. Estos esquemas permiten ajustar par´ametros de operaci´on en funci´on del estado de la red, garantizando una coordinaci´on adecuada aun cuando cambien las condiciones de generaci´on distribuida. Su estudio contribuye directamente a la modernizaci´on de la protecci´on de las redes de distribuci´on, aline´andose con los objetivos regulatorios de la CREG y con los principios de calidad, continuidad y seguridad establecidos en la normativa vigente. As´ı, la presente investigaci´on se justifica plenamente al aportar conocimientos y estrategias que favorecen una integraci´on de DER segura, fiable y compatible con el marco regulatorio colombiano.

1.3

Objetivos

1.3.1

Objetivo general Analizar estrategias de coordinaci´on de protecciones utilizando dispositivos reconectadores y fusibles en redes de distribuci´on, incluyendo DER.

p. 12

CAP´ITULO 1.

INTRODUCCI´ON

1.3.2

Objetivos espec´ıficos

• Buscar informaci´on en la literatura especializada para construir el estado de arte de la tem´atica.

• Seleccionar estrategias de coordinaci´on de protecciones en redes de distribuci´on en presencia

de DER usando reconectadores y fusibles.

• Estudiar y analizar cada una de las estrategias seleccionadas anteriormente. Se van a consid-

erar aspectos como facilidad de implementaci´on, claridad del modelo matem´atico, requerimientos de hardware, entre otros.

• Implementar y codificar estrategias de coordinaci´on de protecciones en redes de distribuci´on

en presencia de DER usando reconectadores y fusibles.

• Validar las estrategias implementadas en un sistema de prueba estandarizado que ser´a simu-

lado en alg´un software especializado para tal fin (Simulink, PowerFactory, ETAP, entre otros).

• Realizar un an´alisis de los resultados de las diferentes estrategias implementadas, presentando

su ventajas y desventajas, con el fin de proponer posibles mejoras futuras.

1.4

Estado del arte Los esquemas de protecci´on convencionales, basados en rel´es de sobrecorriente, fusibles y reconectadores, ofrecen la ventaja de ser sencillos, econ´omicos y de f´acil implementaci´on en las redes radiales t´ıpicas. El rel´e de sobrecorriente de tiempo inverso, en particular, goza de un amplio uso debido a su buena selectividad, ventajas econ´omicas, simplicidad y eficiencia, [10]. Sin embargo, estos esquemas muestran limitaciones significativas ante la incorporaci´on de DER y las modificaciones en la red, [10]. Los cambios en la topolog´ıa, los flujos de energ´ıa bidireccionales y la variabilidad en los niveles de corriente de falla, especialmente provenientes de la DER s´ıncrona, comprometen su coordinaci´on, [11]. Esto se traduce en nuevos problemas como la inhibici´on de la protecci´on del alimentador, disparos inducidos, fallas en la operaci´on de los reconectadores y descoordinaci´on entre fusibles y reconectadores, [10]. La coordinaci´on se torna compleja en redes malladas o con flujos bidireccionales, [12], pudiendo requerir ajustes manuales frecuentes. Sin embargo, los dispositivos de protecci´on com´unmente utilizados en las redes de distribuci´on tradicionales y modernizadas, adem´as de los rel´es de sobrecorriente, incluyen fusibles y reconectadores. Las redes de distribuci´on tradicionales suelen tener una configuraci´on radial con flujo de potencia unidireccional, donde la coordinaci´on entre rel´es y fusibles a menudo sigue un esquema de ”salvamento de fusibles” [4], en el que los rel´es operan primero para despejar fallas antes de que los fusibles operen. Este enfoque tradicional de coordinaci´on rel´e-fusible proporciona protecci´on primaria y de respaldo, y la coordinaci´on efectiva de estos dispositivos es crucial para minimizar las corrientes de falla y mejorar la estabilidad del sistema.

Existe una gran cantidad de documentos que abordan los problemas de coordinaci´on de reconectadores y fusibles cuando se integran sistemas de DER, algunos enfoc´andose en la degradaci´on de la fiabilidad de la coordinaci´on de protecciones entre reconectadores y fusibles a medida que se aumenta la integraci´on de DER [3]. Otros explorando las nuevas t´ecnicas de protecci´on en microredes con alta concentraci´on de inversores, esto representando nuevos desafios que no han tenido precedente, debido a las caracteristicas din´amicas limitadas de las corrientes de falla, y finalmente m´etodos que proponen la coordinaci´on ´optima de diferentes tipos de dispositivos de protecci´on,

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incluyendo rel´es direccionales de sobrecorriente y rel´es de frecuencia, en redes de distribuci´on con DER y microrredes que operan tanto conectadas a la red como en modo isla [6]. El DER puede interferir con la coordinaci´on existente al cambiar la magnitud y la direcci´on de la corriente de falla. En la pr´actica, el reconectador en modo r´apido debe discriminar las fallas temporales, que ocurren principalmente en el sistema de distribuci´on, y operar m´as r´apido que un fusible lateral. Cuando un fusible opera (se funde) en lugar del reconectador en modo r´apido, las fallas temporales se vuelven permanentes, lo que reduce significativamente la confiabilidad del sistema [3].

Se han propuesto algunas estrategias adaptativas que modifican los par´ametros de los dispositivos, el caso espec´ıfico se centra en el uso de DSDR, ´estos proporcionan un rango de coordinaci´on flexible y configuraci´on de protecci´on m´as precisas, debido a que proporciona dos pares de configuraciones ajustables para direcci´on de avance como de retroceso (Ajustes de de dial de tiempo dual y ajuste de corriente dual), y permitiendo la operaci´on independiente en ambas direcciones, con ´esto incrementando el control del operador de red sobre el sistema y abriendo la posibilidad de la disminuci´on del n´umero de dispositivos de protecci´on. La implementaci´on supone que se deba instalar dispositivos de medida en todos los nodos del sistema, para preveer con el suficiente tiempo el cambio de par´ametros a los cuales se debe ajustar los DSDR, obligando a implementar un sistema de comunicaci´on robusto y un centro de control (lo cual no siempre est´a disponible). Por otro lado, la estrategia se puede ver truncada por problemas en la programaci´on, ´esto en similitud con los rel´es con doble ajuste (DOCR - Directional Overcurrent Relays) [1].

Los rel´es DOCR han sido modificados para adaptarse a las exigencias de sistemas con DER. Las variantes de doble ajuste (DS-DOCR) permiten adaptar la protecci´on a diferentes estados operativos y topol´ogicos de la red [13].

El uso de esquemas adaptativos, particularmente los que emplean m´ultiples grupos de ajuste conmutables, ha demostrado una mejora significativa en la selectividad y rapidez de respuesta. Sin embargo, estos esquemas dependen de una infraestructura de telecomunicaciones confiable, cuyo mal funcionamiento puede afectar la operaci´on del sistema de protecci´on [13]. Como alternativa, se han desarrollado m´etodos sin comunicaci´on que, aunque m´as robustos frente a ciberamenazas y fallos de comunicaci´on, requieren considerar m´ultiples configuraciones del sistema en su dise˜no, lo que aumenta la complejidad computacional y puede comprometer la velocidad de respuesta [11].

La modificaci´on de la caracter´ıstica tiempo-corriente (TCC) del reconectador se propone como una alternativa para mejorar la selectividad del sistema, y sugiere que ´estos deben de tener una capacidad adaptativa para cambiar su caracter´ıstica de operaci´on r´apida en presencia de DER. Lo anterior obteniendose a trav´es del c´alculo de un factor de modificaci´on (MF) basado en la impedancia de secuencia positiva aparente vista por el reconectador y que se usa para ajustar el retardo de tiempo (TDS) del reconectador, permitiendo la detecci´on firme de fallas mediante la modificaci´on continua de de la configuraci´on de arranque del rel´e en tiempo real. Debemos tener en cuenta que tenemos un elemento de protecci´on con caracter´ısticas fijas (fusibles), lo que restringe la flexibilidad de ´estas estrategias de protecci´on, adem´as de que adaptar la TCC r´apida del reconectador durante la condici´on de falla conlleva una carga de c´alculo adicional y un retraso en la operaci´on, dejando de lado de que se debe garantizar el suficiente ancho de banda para el canal de comunicaci´on. Tambi´en se debe considerar que ´estos esquemas adaptativos, cuya estrategia se procesa en un centro de control se puede ver afectada por los ataques de inyecci´on de datos falsos, en caso de que se encuentren brechas en la seguridad [7].

La protecci´on diferencial se ha redise˜nado para su uso en redes activas. La protecci´on diferencial de corriente se ha complementado con elementos incrementales para mejorar su selectividad y

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CAP´ITULO 1.

INTRODUCCI´ON

reducir el n´umero de transformadores de corriente requeridos. Este tipo de esquema resulta adecuado tanto para topolog´ıas radiales como en anillo, adapt´andose a diferentes modos de operaci´on de microrredes [14].

Por otro lado, la protecci´on diferencial de impedancia ha surgido como una alternativa que reduce los requerimientos de sincronizaci´on y ancho de banda en la transmisi´on de datos, manteniendo buena selectividad. No obstante, su implementaci´on pr´actica a´un enfrenta barreras de infraestructura [15].

Finalmente, la protecci´on diferencial multielemento introduce una estructura jer´arquica de zonas de protecci´on graduadas en tiempo, permitiendo una operaci´on r´apida y selectiva con respaldo ante fallas externas y condiciones de desconexi´on parcial. Este enfoque resulta altamente eficaz en redes cerradas con alta penetraci´on de DER [16].

Ante las limitaciones de los m´etodos basados en corriente en presencia de fallas con baja corriente de cortocircuito (como aquellas de alta impedancia o en modo isla), se han desarrollado t´ecnicas de protecci´on basadas en caracter´ısticas de voltaje [12]. Estos m´etodos utilizan ´unicamente medici´on de tensi´on local para determinar condiciones de falla, lo que los hace econ´omicos, robustos e independientes de la DER . La correcta selecci´on de la curva de disparo basada en voltaje permite una respuesta eficaz ante fallas distantes o de baja magnitud. No obstante, algunos enfoques presentan tiempos de respuesta prolongados debido a la falta de optimizaci´on de par´ametros [12].

Los esquemas de protecci´on basados en distancia, comunes en sistemas de transmisi´on, han sido adaptados para su posible uso en redes de distribuci´on . Aunque conceptualmente s´olidos, enfrentan limitaciones pr´acticas asociadas al elevado n´umero de l´ıneas cortas y ramas, as´ı como a la sensibilidad del rel´e frente a los flujos variables inducidos por la DER [12]. La necesidad de infraestructura adicional y la falta de adecuaci´on de los rel´es convencionales a redes de baja tensi´on hacen que estos m´etodos a´un no sean ampliamente adoptados, aunque su integraci´on con sensores avanzados podr´ıa representar una v´ıa de investigaci´on futura. Partiendo de que las DER hacen un aporte importante de corriente en condiciones de falla, se ha sugerido usar limitadores de corriente de falla (FCL - Fault current Limiter) o su subcategor´ıa avanzada que emplea materiales superconductores (SFCL -Superconducting Fault Current Limiter) para suprimir marginalmente el nivel de falla y retener la coordinaci´on reconectador-fusible, para que ´esta t´ecnica resulte efectiva se requiere que se instalen estos dispositivos en todos las ubicaciones posibles de la red de distribuci´on existente lo que podr´ıa conducir a p´erdidas debido a su uso continuo en el circuito, lo que imposibilita su implementaci´on desde el punto de vista t´ecnico y econ´omico [8].

Siguiendo la misma filosof´ıa anterior, se presenta una estrategia que se enfoca en usar FCL, usando m´etodos descentralizados donde bas´andose en mediciones locales (como el voltaje terminal) y centralizados/optimizados (donde se calcula una limitaci´on ´optima para las DER) se pretende limitar la corriente de falla de la DER para garantizar que la coordinaci´on de los dispositivos no se vea afectada [4].

Los est´andares modernos de capacidad de permanencia ante fallas (FTR) requieren que las DER no se desconecten durante una falla, sin embargo el aporte de corriente durante la falla puede interrumpir la coordinaci´on, por lo tanto, implementar ´este m´etodo permite cumplir con el c´odigo de tolerancia a fallas de cada pa´ıs, ya que limita ligeramente la corriente hasta que se restablece la coordinaci´on entre reconectador y fusibles; esto lo hace a trav´es de una implementaci´on sencilla, con un solucionador de cortocircuitos convencional sin necesidad de un software de optimizaci´on.

No requiere equipos de comunicaci´on r´apidos, ya que transmite los FCL a las DER peri´odicamente o bajo demanda (tras un cambio de topolog´ıa). En algunas de las metodolo´ıas de calculo de los FCL se presentaron casos en donde eran muy altos y no se lograba

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evitar un fallo en la coordinaci´on [4].

Ya que las intervenciones extensivas en redes de distribuci´on pueden generar complejidades t´ecnicas y altos costos econ´omicos, surgen propuestas basadas en la desconexi´on estrat´egica de unidades de DER, que no necesita cambios significativos en el esquema de protecci´on existente, reduciendo la corriente de cortocircuito a un nivel satisfactorio restaurando la coordinaci´on reconectadorfusible, permitiendo que las unidades DER a peque˜na escala puedan permanecer conectadas al sistema, y deconectando las unidades DER significativas que producen una p´erdida de la coordinaci´on. Lo anterior con una implicaciones importantes, ya que en redes con alta penetraci´on de DER no es preferible la desconexi´on, y ´esta estar´ıa condicionada con la cantidad de energ´ıa que se puede perder durante la interrupci´on obligando a la asignaci´on de prioridades de desconexi´on, lo que en consecuencia puede causar p´erdida parcial o total de los beneficios de las DER. Adicionalmente, el est´andar IEEE 1457 requiere que la DER se desconecte durante una anormalidad del sistema, con el riesgo de que contin´ue operando y contribuya a la corriente de falla, y y no existe certeza de que las DER se desconecten en un tiempo inferior al de respuesta de los dispositivos de protecci´on del sistema [6, 1, 2].

As´ı como la limitaci´on de corriente es una soluci´on t´ecnica para controlar la contribuci´on de corriente de las DER, existe el umbral de generaci´on que marca el l´ımite en la capacidad de las DER donde surge el problema de p´erdida de coordinaci´on debido a la contribuci´on de corriente. Esta metodolog´ıa se basa en analizar diferentes ubicaciones de falla y comparar el umbral de DER resultante en cada ubicaci´on. El valor de generaci´on m´as bajo obtenido se establece como el umbral de DER real para la p´erdida de coordinaci´on entre reconectador y fusible. El c´alculo se realiza considerando los aportes de corriente de las DER seg´un los est´andares FTR. La capacidad m´axima de penetraci´on y la ubicaci´on de la interconexi´on de la DER m´as all´a de la cual se pierde la coordinaci´on tambi´en se consideran en enfoques relacionados con la determinaci´on de este umbral. Este umbral sirve como herramienta prometedora para prevenir la degradaci´on de la fiabilidad y puede ser utilizado para la toma de decisiones sobre la instalaci´on de DER en planes de expansi´on [3, 6]. La aplicaci´on de algoritmos de optimizaci´on, como los basados en programaci´on no lineal entera mixta (MINLP -Mixed Integer Nonlinear Programming), se ha convertido en una herramienta clave para coordinar protecciones en redes con m´ultiples configuraciones [13]. Mediante estos algoritmos, se optimizan par´ametros como la corriente de disparo, el tiempo de operaci´on, la curva caracter´ıstica y los puntos de quiebre [11].

Algoritmos h´ıbridos como GA(Genetic Algorithm), PSO(Particle Swarm Optimization), LP(Linear Programming) han demostrado eficiencia en resolver problemas complejos y garantizar la coordinaci´on bajo m´ultiples escenarios, incluyendo contingencias N-1. A pesar de sus beneficios, estos m´etodos presentan desaf´ıos computacionales importantes y requieren formulaciones precisas para evitar soluciones no ´optimas [12]. Finalmente, ante lo expuesto anteriormente, se observa la necesidad de seguir realizando estudios y an´alisis sobre esquemas de protecci´on adaptativos que sean confiables y seguros. Adem´as, es necesario considerar las caracter´ısticas actuales y los dispositivos de protecci´on convencionales presentes en la red de distribuci´on actual, tales como reconectadores y fusibles.

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Cap´ıtulo 2 Aspectos te´oricos Este cap´ıtulo presenta algunos de los conceptos fundamentales que son necesarios para la aplicaci´on de las estrategias implementadas. En este sentido, para entender a fondo las dos estrategias de protecci´on de ADN estudiadas en este proyecto de investigaci´on, es necesario definir algunos conceptos importantes. Algunos conceptos m´as detallados se pueden encontrar en los documentos citados en la presente investigaci´on.

2.1

Reconectadores

2.1.1

Funci´on y coordinaci´on Los reconectadores y los fusibles est´an mutuamente coordinados para la operaci´on selectiva en el despeje de fallas. El reconectador es fundamental para la implementaci´on del esquema de salvamento de fusibles, cuya intenci´on es evitar que las interrupciones moment´aneas se conviertan en interrupciones sostenidas. En las redes de distribuci´on radiales t´ıpicas, la coordinaci´on de protecci´on generalmente consiste en un interruptor de circuito (CB-Circuit Breaker), un reconectador y un fusible lateral aguas abajo del mismo. El principio de la coordinaci´on reconectador-fusible se basa en que, cuando ocurre una falla en el alimentador lateral, el reconectador debe operar primero en su modo r´apido para discriminar las fallas temporales, que son frecuentes en el sistema de distribuci´on.

• La operaci´on r´apida del reconectador (RFast o TRC,fa) se ajusta para operar antes del tiempo

m´ınimo de fusi´on (MMT- Minimum Melting Time) del fusible asociado.

• El reconectador realiza una secuencia de operaciones r´apidas de cierre y apertura, enviando

pulsos cortos de corriente a la l´ınea, para dar la oportunidad de que una posible falla transitoria se auto-despeje. El ingeniero de la red el´ectrica establece el n´umero de disparos r´apidos antes de que el reconectador se bloquee permanentemente.

• Si la falla persiste despu´es del reconexi´on (reclosing), y si el fusible lateral falla en su funci´on,

el reconectador en su modo lento (RDelayed o TRC,sl) actuar´a como protecci´on de respaldo.

• Para fallas persistentes, la operaci´on de bloqueo del reconectador (RDelayed ) despejar´a la

secci´on fallada.

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2.1.2

Caracter´ısticas y operaci´on Los reconectadores normalmente est´an equipados con dispositivos de disparo por sobrecorriente de tiempo inverso. Las caracter´ısticas generales de estos dispositivos se describen mediante una ecuaci´on de tiempo de operaci´on (top,rec) que depende de constantes para la curva caracter´ıstica inversa (A, B, p), y la corriente de falla (Ifault), la corriente pickup (Ipickup), y el ajuste del TDS.

2.1.3

Tipos avanzados de reconectadores El concepto de DSDR representa un avance en el dise˜no de rel´es.

• Una unidad DSDR proporciona dos pares de ajustes: doble ajuste de dial de tiempo y doble

ajuste de corriente pickup.

• La necesidad de un doble ajuste se debe a que la corriente de falla experimentada por el

reconectador puede ser diferente en las direcciones de avance y retroceso, lo que requiere ajustes distintos.

• El DSDR permite que el reconectador funcione de manera aut´onoma en ambas direcciones,

independientemente del nivel de falla experimentado. Esto proporciona un rango flexible para la coordinaci´on reconectador-fusible.

• El despliegue de DSDR puede reducir el n´umero de dispositivos de protecci´on requeridos,

simplificando el dise˜no del esquema de protecci´on.

2.1.4

TDS: Time Dial Setting El TDS es el ajuste de tiempo o un factor multiplicador utilizado en la formulaci´on matem´atica para calcular el tiempo de operaci´on (t) de los dispositivos con caracter´ısticas de sobrecorriente de tiempo inverso [7]. Un valor peque˜no de TDS permite obtener tiempos de operaci´on m´as cortos ante una falla observada aguas abajo del rel´e. Para los reconectadores y fusibles, el TDS se selecciona para garantizar que el reconectador opere antes que el fusible lateral asociado, lo cual es esencial para el esquema de salvamento de fusibles.Los ajustes ´optimos de TDS se definen para todos los reconectadores para su operaci´on en avance y retroceso[1].

2.2

Fusibles El fusible es un dispositivo de protecci´on esencial en las redes de distribuci´on. Su funci´on principal es garantizar la operaci´on selectiva en la eliminaci´on de fallas, trabajando de manera coordinada con el reconectador [1].

2.2.1

Caracter´ısticas operacionales

• Los fusibles poseen una curva de sobrecorriente de tiempo inverso. Las curvas caracter´ısticas

de un fusible incluyen el Tiempo M´ınimo de Fusi´on (MMT) y el Tiempo Total de Despeje (TCT-Total Clearing Time) [3].

• La coordinaci´on con el reconectador r´apido se establece para que la operaci´on r´apida del

reconectador ocurra antes del tiempo m´ınimo de fusi´on (FMMT ) del fusible, evitando as´ı que el fusible se funda ante fallas transitorias [1].

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CAP´ITULO 2. ASPECTOS TE´ORICOS

• Los fusibles generalmente requieren entre tres y cinco ciclos para despejar completamente

una falla, dependiendo de sus especificaciones [1].

• A diferencia de muchos reconectadores avanzados, los fusibles son dispositivos de protecci´on

no direccionales [1].

2.3

Software de simulaci´on escogidos: ATP/EMTP y Python El Alternative Transient Program (ATP/EMTP), de distribuci´on gratuita y desarrollado en Fortran, se emplea para el estudio riguroso de transitorios electromagn´eticos y electromec´anicos [17]. Dado que la evaluaci´on de fallas es central en la ingenier´ıa de sistemas el´ectricos, se recurre a ATPDraw, el procesador gr´afico de ATP/EMTP, por su uso extendido, facilidad de aprendizaje en comparaci´on con alternativas similares y confiabilidad demostrada.

El esquema en Python [18] posibilita explorar escenarios con diferentes niveles y distribuciones de DER, procesando cada evento bajo criterios uniformes para producir tablas comparativas de tiempos y CTI. Lo anterior permite un an´alisis cuantitativo de la efectividad de la estrategia. Python permiti´o codificar las ecuaciones de operaci´on de reconectadores y fusibles, automatizar el ciclo de ajustes (TDS →fusible →pickup), integrando restricciones de coordinaci´on (CTI m´ınimo y regla del 75 % en fusibles en serie) y evaluando de forma homog´enea la penetraci´on de DER. Herramientas como NumPy y pandas soportaron el manejo y an´alisis de datos.

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Cap´ıtulo 3 Propuestas esquemas de coordinaci´on reconectador-fusible En el presente trabajo se analizan dos estrategias de coordinaci´on de protecciones en redes de distribuci´on con DER con enfoques diferentes. Como primera estrategia, se plantea un esquema de protecci´on adaptativa por sobrecorriente para la coordinaci´on de DSDR y fusibles, con el fin de garantizar la implementaci´on efectiva del esquema de guardado de fusibles en redes de distribuci´on. La segunda estrategia adaptativa pretende conservar la coordinaci´on entre reconectadores y fusibles ante la penetraci´on de DER, basada en un factor de modificaci´on que est´a definido por la relaci´on entre el valor preestablecido de la impedancia de secuencia positiva vista por el reconectador y el valor calculado en tiempo real. El presente cap´ıtulo presenta la metodolog´ıa utilizada por cada estrategia y los fundamentos matem´aticos con los que se modelan los elementos de protecci´on.

3.1

Estrategia N1: Esquema de protecci´on adaptativa por sobrecorriente para la coordinaci´on de DSDR y fusibles La estrategia de protecci´on adaptativa estudiada se enfoca principalmente en el problema de coordinaci´on de reconectadores ante escenarios en los que proliferan los DERs, lo que hace que el flujo de potencia pase de ser unidireccional a bidireccional. En consecuencia, se producir´an variaciones en las corrientes de cortocircuito, lo que implica que los ajustes de los reconectadores deben modificarse. Esta estrategia busca mejorar la fiabilidad de la red, garantizando que el esquema de protecci´on responda apropiadamente a las fallas el´ectricas en tiempos que prevengan el da˜no de los componentes de la red; ajustando los intervalos de coordinaci´on establecidos. En una red de distribuci´on los diferentes estados operativos que se pueden presentar est´an asociados a la conexi´on o desconexi´on de una unidad DER, o a variaciones en la potencia entregada por las mismas unidades en diferentes periodos de tiempo.

3.1.1

Problema de coordinaci´on reconectador-fusible El problema de coordinaci´on de reconectadores y fusibles se puede volver critico con la integraci´on de DERs. En redes de distribuci´on, esta coordinaci´on se vuelve esencial para evitar la conversi´on de fallas el´ectricas moment´aneas en sostenidas. Con el objetivo de garantizar la correcta coordinaci´on de protecciones en una red de distribuci´on interconectada con la red externa, determinar los valores

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CAP´ITULO 3. PROPUESTAS ESQUEMAS DE COORDINACI´ON RECONECTADOR-FUSIBLE

´optimos de TDS y realizar la selecci´on apropiada de fusibles se vuelve de gran importancia para cumplir con las distintas condiciones de protecci´on requeridas. El problema de coordinaci´on se centra en garantizar que el tiempo de disparo de los reconectadores sea el m´as r´apido posible, conservar el esquema de salvamento de fusibles y asegurar una correcta coordinaci´on entre pares de reconectadores.

3.2

Definici´on de la estrategia N1 Para la implementaci´on del esquema de protecci´on adaptativa, debemos utilizar un reconectador con un rango de par´ametros flexible que nos permita minimizar los tiempos de respuesta ante fallas aguas arriba y abajo de este, siempre en respuesta a proteger los fusibles asociados, como lo podemos observar en la figura [3.1]. Cabe destacar que se realiza un ajuste din´amico de los fusibles en funci´on de los TDSfw k y TDSrv k seleccionados para el reconectador . Todo lo anterior en funci´on de las corrientes en operaci´on normal y en cortocircuito para cada tipo de falla.

3.2.1

Tiempos de operaci´on y corriente pickup DSDR El DSDR debe operar de forma independiente en la operaci´on hacia adelante y en reversa, por lo tanto, se plantean tiempos de operaci´on r´apida y lenta para cada caso. Donde Afw/rv k , Bfw/rv k , nfw/rv k son las constantes de la curva de operaci´on del reconectador, y ”k ”es el identificador para la localizaci´on de la falla ”l”. If y Ip se definen como la corriente de falla y la corriente pickup seleccionada en el reconectador.

tfw/rv k,l,F = TDSfw/rv k,F         Afw/rv k   If,l Ifw/rv p,k nfw/rv k −1   + Bfw/rv k        

(3.1)

tfw/rv k,l,D = TDSfw/rv k,D         Afw/rv k   If,l Ifw/rv p,k nfw/rv k −1   + Bfw/rv k        

(3.2)

TDSk,min < TDSfw/rv k,F , TDSfw/rv k,D < TDSk,max

(3.3)

Por otro lado, se define la corriente pickup como el producto de la corriente nominal en estado estacionario Ifw/rv nom,k por un factor de sobrecarga OLF, como se expresa a continuaci´on: Ifw/rv p,k = OLF ∗Ifw/rv nom,k

(3.4)

Ip,k,min < Ifw/rv p,k < Ip,k,max

(3.5)

p. 21

Figura 3.1: Curvas tiempo-corriente (TCC) propuestas para un reconectador de doble ajuste en un esquema de guardado de fusibles. Fuente: [1]

3.2.2

Tiempo de operaci´on fusible El tiempo de operaci´on del fusible puede ser determinado usando las curvas TCC del fusible, que comprenden tanto las curva MMT y TCT expresadas como la pendiente de la linea recta de I2tlog − log expresada en (3.6).

log(tfuse(i)) = ai ∗log(If,i) + bi

(3.6)

Donde tfuse(i) es el tiempo de operaci´on del fusible ante una falla de corriente If,i.El coeficiente ai es el mismo para todos los fusibles, ya que estos son similares en todas las redes de distribuci´on y representa la pendiente de la recta de I2tlog−log. El coeficiente bi se calcula mediante el estudio de coordinaci´on para el esquema de salvamento de fusibles. El coeficiente bi se puede calcular como el promedio de los tiempos de operaci´on r´apida y lenta del reconectador asociado para una corriente de falla en particular como se muestra en (3.7). Para cumplir con la selectividad para fusibles en serie se establece que el 75 % de la curva MMT del fusible aguas arriba debe ser superior a la curva TCT del fusible aguas abajo como se expresa en (3.8) .

bi = log

tfw/rv k.F + tfw/rv k.D

−ai ∗log(If,i)

(3.7)

tMMT fuse(i) > 1.33 ∗tTCT fuse(i+1)

(3.8)

En los laterales largos, donde se tienen m´ultiples fusibles se plantea una opci´on mas robusta que tiene en cuenta el numero total de fusibles z en la trayectoria de la falla y el n´umero del fusible mas cercano a la falla i, dando garant´ıa de selectividad fusible-fusible y reconectador-fusible (3.9) .

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CAP´ITULO 3. PROPUESTAS ESQUEMAS DE COORDINACI´ON RECONECTADOR-FUSIBLE

bi = log

tfw/rv k.F + i ∗(tfw/rv k.F + tfw/rv k.D

)

z + 1 !

−ai ∗log(If,i)

(3.9)

3.3

Etapas de la estrategia N1 La estrategia de protecci´on adaptativa implementada en este proyecto se divide en cuatro etapas, vistas en la figura [3.2] y que se explican a continuaci´on.

3.3.1

Etapa 1: Preparaci´on del sistema Se realiza un an´alisis de flujo de carga con el fin de conocer los par´ametros el´ectricos de la red (corrientes, tensiones y flujos de potencia), considerando la ubicaci´on y el nivel de penetraci´on ´optimos de DER. Esta informaci´on permite establecer la configuraci´on inicial de los ajustes de protecci´on. Posteriormente, se implementan los DSDR y los fusibles, definiendo zonas de protecci´on que minimizan la cantidad de dispositivos de protecci´on sin comprometer la confiabilidad de la red. En esta etapa se fijan los valores iniciales de los TDS y de las corrientes pickup para ambas direcciones de operaci´on (forward y reverse).

3.3.2

Etapa 2: An´alisis de fallas y par´ametros del sistema Se calculan los coeficientes caracter´ısticos de los fusibles (a, b) a partir de los tiempos de operaci´on de los reconectadores, aplicando las ecuaciones de coordinaci´on propuestas. A continuaci´on, se lleva a cabo un an´alisis completo de fallas para obtener los niveles de cortocircuito en diferentes escenarios y tipos de falla en presencia de DER. Con estos resultados se establecen las condiciones de ajuste, garantizando que los valores de pickup de cada dispositivo sean inferiores a la corriente m´ınima de falla (If,min) en la zona de protecci´on correspondiente, asegurando as´ı la operaci´on confiable de las protecciones.

3.3.3

Etapa 3: Detecci´on de fallas y validaci´on de la coordinaci´on El esquema monitorea de manera continua la magnitud de la corriente nominal en los distintos puntos de protecci´on, lo que permite detectar incrementos asociados a fallas. Una vez detectada la condici´on an´omala, se identifica el tipo y la localizaci´on de la falla utilizando los datos del an´alisis previo. Posteriormente, se valida el estado de coordinaci´on entre reconectadores y fusibles:

1. Si la coordinaci´on se mantiene , no es necesario modificar los ajustes y se puede definir direc-

tamente una capacidad permisible de DER para la zona.

2. Si la coordinaci´on se pierde, se deben aplicar medidas correctivas.

3.3.4

Etapa 4: Acciones correctivas y ajuste adaptativo Cuando la coordinaci´on se pierde, el esquema aplica un proceso adaptativo para restablecerla. Primero, se revisan y ajustan los TDS de los DSDR en pasos proporcionales a la relaci´on entre la corriente de falla en el reconectador y en el fusible (If,Rec/If,Fuse), lo que permite ampliar el rango de coordinaci´on. Si con este ajuste no se logra la coordinaci´on, se procede a la revisi´on del tama˜no de los fusibles (fuse size upgradation). En caso de existir fusibles en serie sobre laterales largos, se

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Comienzo Análisis del flujo de potencia para la ubicación y el nivel de penetración óptimos de la generación distribuida Implementación de reconectadores direccionales de doble ajuste y fusibles Irv p,k = OLF x Irv nom,k TDSk,min < TDSrv k,F , TDSrv k,D < TDSk,max Ifw p,k = OLF x Ifw nom,k TDSk,min < TDSfw k,F , TDSfw k,D < TDSk,max Calcular los coeficientes a,b para todos los fusibles Realizar el análisis completo de fallos para todas las ubicaciones/tipos de fallos.

Medición de corrientes de ramal Imeasure > OLF x Inom Falla detectada Determinar el tipo y localización de falla Validación del estado de coordinación Se mantiene Se pierde Aumento del tamaño del fusible ¿Coordinación fusible-fusible existe?

¿Coordinación reconectador-fusible establecida?

Capacidad DER permisible No Si Si No Parada TDSfw/rv k,D ≥ TDSk,max TDSfw/rv k,F ≤ TDSk,min TDSk,min < TDSrv k,F , TDSrv k,D < TDSk,max TDSfw/rv k,F/D = If,Rec / If,Fuse Dirección en reversa Dirección hacia adelante

ETAPA 1

ETAPA 2

ETAPA 3

ETAPA 4

Figura 3.2: Metodolog´ıa propuesta para la coordinaci´on entre reconectadores y fusibles utilizando DSDR en redes de distribuci´on. Fuente: [1].

p. 24

CAP´ITULO 3. PROPUESTAS ESQUEMAS DE COORDINACI´ON RECONECTADOR-FUSIBLE

garantiza la coordinaci´on fusible–fusible aplicando la regla del 75 %, que establece que el tiempo de fusi´on m´ınima del fusible aguas arriba debe ser al menos 1.33 veces el tiempo de despeje total del fusible aguas abajo. Una vez restaurada la coordinaci´on tanto entre reconectadores y fusibles como entre fusibles en serie, se define la capacidad m´axima permisible de DER para la cual la estrategia de protecci´on es v´alida. Adem´as, se establece que esta estrategia debe ser revisada peri´odicamente en futuras expansiones de la red con la incorporaci´on de nuevas unidades de DER.

3.4

Estrategia N2: Estrategia de coordinaci´on entre reconectador y fusible basada en factor de modificaci´on Esta estrategia de coordinaci´on de protecciones entre reconectadores y fusibles en redes de distribuci´on con presencia de DER se fundamenta en un factor de modificaci´on (MF). Dicho factor se define como la relaci´on entre la impedancia de secuencia positiva asignada al reconectador (Z1preset) y la impedancia calculada en tiempo real (Z1calc). Este valor ajusta din´amicamente la curva r´apida tiempo–corriente del reconectador, utilizando las mediciones instant´aneas de corrientes y tensiones en el propio dispositivo.

Una de las principales ventajas de esta estrategia es que no requiere instalar mediciones de corriente en todos los fusibles asociados al reconectador, evitando as´ı la necesidad de un canal de comunicaci´on adicional entre reconectadores y fusibles a lo largo de la red. Adem´as, al proponer la modificaci´on continua de la curva r´apida del reconectador, se elimina la carga computacional que supondr´ıa modificar las curvas TCC ´unicamente durante una condici´on de falla, mejorando la eficiencia y la simplicidad de la operaci´on del esquema de protecci´on.

3.4.1

Implementaci´on pr´actica La estrategia se basa inicialmente en tomar muestras de las tensiones y corrientes instant´aneos con la ayuda de transformadores de corriente y potencial en la localizaci´on del reconectador. A partir de estas se˜nales se obtienen los fasores fundamentales de corriente y tensi´on mediante t´ecnicas espectrales (MDFT - Modified Discrete Fourier Transform), y posteriormente, los componentes de secuencia positiva, negativa y cero.

Con estos valores se determina la impedancia de secuencia positiva aparente en el reconectador, la cual se recalcula en cada escenario operativo, considerando la influencia de la generaci´on distribuida conectada. Este valor se compara con la impedancia asignada en condiciones base, permitiendo calcular el factor de modificaci´on (MF). Dicho factor es el que ajusta din´amicamente el TDS del reconectador, logrando que la curva r´apida tiempo–corriente (TCC) se desplace de forma adaptativa y se conserve el intervalo m´ınimo de coordinaci´on con los fusibles.

3.4.2

Factor de modificaci´on (MF) Este valor se define como la relaci´on entre la impedancia de secuencia positiva asignada en el reconectador (Z1preset) y la impedancia calculada en tiempo real (Z1calc) en presencia de DER [3.10].

MF = Z1preset Z1calc

(3.10)

El valor de Z1preset es definido como la impedancia de secuencia positiva vista por el reconectador en condici´on de m´axima carga sin DER integrados en la redes de distribuci´on. En esta condici´on

p. 25

la tension de fase en el reconectador es practicamente constante, mientras que la corriente de fase depende de la impedancia de la carga (ZLoad) y de la impedancia aguas arriba de la red (ZNetwork). Cuando el interruptor de la DER (DGCB) se encuentra abierto, la corriente de fase ser´a definida como se muestra en [3.11]. Cuando el DGCB se encuentra cerrado la impedancia equivalente vista por el reconectador incluir´a la contribuci´on de la impedancia del DER (ZDER) modificando la corriente de fase vista por el reconectador [3.12].

I = V ZNetwork + ZLoad

(3.11)

I = V ZNetwork + ZLoad + ZDER

(3.12)

Por lo tanto, el factor de modificacion MF adquiere valores menores que la unidad cuando se integra DER, lo cual reduce el valor efectivo del TDS del reconectador desplazando su curva r´apida tiempo-corriente y conservando el esquema de guardado de fusibles.

3.4.3

Ajuste din´amico del TDS del reconectador El valor del TDS se ajusta en funci´on del MF, este ajuste desplaza la curva r´apida del reconectador hacia abajo (cuando MF < 1), mejorando el tiempo de respuesta y manteniendo el esquema de guardado de fusibles. Teniendo esto presente y para un reconectador cuya curva TCC responde a la forma inversa estandarizada (IEC/IEEE C37.112 o C37.104), el tiempo de operaci´on se expresar´ıa como se muestra en [3.13].

top rec =   A Ifault Ipickup p −1 + B 

× MF × TDS

(3.13)

En donde se relaciona la corriente de falla medida (If), la corriente pickup del reconectador (Ip) y las constantes de la curva inversa A, B, n. Dado que el algoritmo se basa en conservar el esquema de guardado de fusibles se propone el modelo planteado en [3.14] y cumplir con la condici´on de coordinaci´on para garantizar selectividad [3.15] log(topfuse) = a ∗log(Ifuse) + b

(3.14)

tFuse −tRec ≥CTImin

(3.15)

3.5

Etapas de la estrategia N2 La estrategia de protecci´on adaptativa implementada en este proyecto se divide en dos etapas, vistas en la figura [3.3] y que se explican a continuaci´on.

3.5.1

Etapa 1. Adquisici´on y c´alculo de impedancia En una primera fase, se establece la impedancia de referencia Z1preset correspondiente a la condici´on base del sistema, es decir, cuando opera con la carga m´axima sin integraci´on de generaci´on distribuida. Posteriormente, el reconectador adquiere muestras de corriente y tensi´on de las tres fases mediante transformadores de corriente (TC) y de potencial (TP). Estas se˜nales se procesan para

p. 26

CAP´ITULO 3. PROPUESTAS ESQUEMAS DE COORDINACI´ON RECONECTADOR-FUSIBLE

obtener los fasores fundamentales de corriente y tensi´on, a partir de los cuales se calculan los componentes de secuencia positiva (I1, V1). Con esta informaci´on, se determina la impedancia positiva aparente vista por el reconectador mediante la relaci´on Z1calc = V1 I1 . Finalmente, se compara este valor con la referencia Z1preset, lo que permite identificar si la presencia de generaci´on distribuida modifica de manera significativa la impedancia observada por el dispositivo. Comienzo Se define Z1preset Adquirir muestras de tensión y corriente en un ciclo completo de TCs y TPs Derivación de los componentes fundamentales de la corriente (I) y la tensión(V) mediante el cálculo de fasores.

Derivación de la secuencia positiva de corriente y tensión para los componentes fundamentales de I1 y V1, respectivamente.

Cálculo de la impedancia vista por el reconectador. (Z1calc = V1 / I1) Comprueba el estado de DCGB MF = (Zpreset/Z1calc) Se modifica la Curva TCC del reconectador Si No Abierto Cerrado

ETAPA 1

ETAPA 2

Figura 3.3: Diagrama de flujo del algoritmo de protecci´on por rel´es propuesto

p. 27

3.5.2

Etapa 2. Aplicaci´on del factor de modificaci´on y ajuste del reconectador Cuando el valor calculado Z1calc resulta mayor que la referencia, se procede a calcular el factor de modificaci´on (MF). Este factor cuantifica la variaci´on de la impedancia positiva en el punto de instalaci´on del reconectador y se utiliza para ajustar de manera din´amica su caracter´ıstica tiempo–corriente. En particular, el valor del MF se aplica sobre el TDS, de modo que la curva r´apida del reconectador se desplace en funci´on de las condiciones reales de operaci´on. As´ı, el nuevo tiempo de operaci´on se expresa como en [3.13] lo que garantiza que la curva del reconectador se adapte en presencia de generaci´on distribuida y se conserve la coordinaci´on adecuada con los fusibles asociados en la red. Por el contrario, si no se cumple la condici´on, se asume que la impedancia calculada corresponde al escenario base del sistema sin DER, por lo que no es necesario modificar la curva r´apida del reconectador.

p. 28

Cap´ıtulo 4 Resultados y an´alisis comparativo Una vez definida la metodolog´ıa correspondiente para cada una de las estrategias en el Cap´ıtulo 3, se procede a su implementaci´on con el fin de obtener los resultados que permiten evaluar su desempe˜no en la red de distribuci´on bajo estudio. En este Cap´ıtulo 4 se presentan dichos resultados, considerando los distintos escenarios operativos planteados y las diversas condiciones de falla analizadas.

Asimismo, se realiza un an´alisis detallado de los resultados obtenidos, incluyendo una comparaci´on entre las estrategias evaluadas, con el objetivo de verificar su correcto funcionamiento y destacar sus fortalezas y limitaciones. Finalmente, se plantean posibles aspectos de mejora y l´ıneas de investigaci´on futura que podr´ıan ser consideradas en trabajos posteriores.

4.1

Esquema de red de distribuci´on de prueba escogida La red analizada corresponde a una versi´on modificada del alimentador IEEE de 34 nodos, un sistema ampliamente utilizado en la validaci´on de metodolog´ıas de protecci´on en redes de distribuci´on. El modelo original opera a 24,9 kV, incluye reguladores de tensi´on, bancos de capacitores y un transformador de 500 kVA hacia un subsistema de 4,16 kV; sin embargo, para los fines de este trabajo se consider´o una versi´on adaptada con las siguientes caracter´ısticas:

• Tensi´on nominal: 24.9 kV (l´ınea–l´ınea).

• Topolog´ıa: sistema radial con 34 nodos principales.

• Equipos excluidos: reguladores de tensi´on (nodos 814 y 852), bancos de capacitores (nodos

844 y 848) y el transformador de 500 kVA (24,9/4,16 kV) que alimenta la rama de baja

tensi´on.

• Elementos relevantes: l´ıneas de media tensi´on con distintas configuraciones f´ısicas, cargas

distribuidas a lo largo de los nodos, y dispositivos de protecci´on (reconectadores y fusibles) ubicados en puntos estrat´egicos de la red.

Estas modificaciones buscan simplificar la representaci´on del sistema y, al mismo tiempo, generar un escenario m´as exigente para la coordinaci´on de protecciones, dado que la ausencia de compensaci´on reactiva y regulaci´on local incrementa la ca´ıda de tensi´on y modifica las corrientes de falla vistas por los dispositivos. De esta manera, el alimentador de 34 nodos modificado se convierte en un caso de estudio adecuado para evaluar la efectividad de las estrategias de coordinaci´on adaptativa propuestas en este trabajo.

p. 29

En este cap´ıtulo se presenta un diagrama unifilar simplificado de la red [4.1], resaltando los elementos m´as relevantes para el an´alisis de protecciones: la ubicaci´on de los reconectadores, los fusibles, las cargas principales y los puntos seleccionados para la inserci´on de generaci´on distribuida.

800

802

806

808

812

814

850

824

826

818

820

822

828

830

854

856

864

832

852

888

890

858

834

860

836

840

862

838

842

844

846

848

810

Figura 4.1: Esquema simplificado de alimentador IEEE de 34 nodos modificado estudiado

4.2

Estudios de caso analizados

4.2.1

Estrategia N1 El estudio contempl´o la ocurrencia de cuatro tipos de falla representativos: monof´asica a tierra (LG), bif´asica (LL), trif´asica (LLL) y trif´asica a tierra (LLLG), en el sistema IEEE de 34 nodos modificado. Dichas contingencias se analizaron bajo cuatro escenarios de integraci´on progresiva de generaci´on distribuida (DER0, DER1+DER2, DER1+DER2+DER3) como se muestra en las tablas [4.1] y [4.2], con el fin de evaluar el impacto de la penetraci´on de DER en la coordinaci´on de protecciones.

p. 30

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

Tabla 4.1: Escenarios de integraci´on de DER y tipos de falla analizados en el sistema IEEE 34 nodos modificado Escenario LG LL

LLL

LLLG

Sin DER ✓ ✓ ✓ ✓

DER1

✓ ✓ ✓ ✓

DER1+DER2

✓ ✓ ✓ ✓

DER1+DER2+DER3

✓ ✓ ✓ ✓

800

DG1 DG2 DG3

802

806

808

812

814

850

824

826

818

820

822

828

830

854

856

F854

864

832

852

888

890

858

834

860

836

840

862

838

842

844

846

848

F808

810

F824

RDG

F818 F808 F858 F832 F844 F842 F862

RDG

F834 F836 R1 Figura 4.2: Esquema simplificado de alimentador IEEE de 34 nodos con ubicaci´on de reconectadores y fusibles para la estrategia N1.

Tabla 4.2: Par´ametros de recursos energ´eticos distribuidos estrategia N1

DER

Potencia (kVA) Tensi´on (kV) Nodo

DER1

750

0.69

806

DER2

500

824

DER3

600

6.6

840

Par´ametros iniciales de reconectadores y fusibles Se definieron los par´ametros iniciales para los dispositivos de protecci´on que conforman la red de estudio. Para el reconectador se utilizan las mismas curvas seleccionadas por el autor, y la corriente pickup se determina mediante el an´alisis de flujo de potencia del sistema para cada escenario de penetraci´on de DER, como se muestra en la tabla 4.2, con conexi´on a la red (Ifw pickup) y sin conexi´on (Irv pickup); se establece un valor de 0.1 para el TDS hacia adelante (TDSfw) y hacia atr´as (TDSrv). Para los fusibles, seleccionamos el valor de la pendiente a igual para todos los fusibles, y el valor de bi se ajusta de forma din´amica en el flujo de trabajo. En la tabla 4.3 podemos observar

p. 31

los par´ametros seleccionados:

Tabla 4.3: Par´ametros iniciales de dispositivos de protecci´on para la estrategia N1. Dispositivo Tipo A fw B fw n fw A rv B rv n rv TDS fw/ rv fast TDS fw/ rv delayed

OLF

a fuse R1 Reconectador

4.988

0.0129

2.0469

0.1

1.25

R2 Reconectador

4.988

0.0129

2.0469

4.988

0.0129

2.0469

0.1

1.25

F8## Fusible

-1.8

4.2.2

Estrategia N2 Para el desarrollo de la estrategia, se us´o como base el sistema IEEE de 34 nodos presentado en la figura 4.1, se modific´o para contar con un reconectador en la cabecera del alimentador (R1), un lateral largo en el nodo 808 con un fusible con el cu´al se evaluar´a el esquema de salvamento de fusibles y las DER como se presenta en la figura 4.3.

800

802

806

808

812

814

850

824

826

818

820

822

828

830

854

856

864

832

852

888

890

858

834

860

836

840

862

838

842

844

846

848

810

LOAD

Local End Fault Fuse Far End Fault R1 DG1

DGCB1

DG2

DGCB2

DG3

DGCB3

DG4

DGCB4

Figura 4.3: Esquema simplificado de alimentador IEEE de 34 nodos con lateral largo propuesto. Se evaluaron dos tipos de escenarios: uno sin estrategia que se convierte en el punto de referencia, donde el reconectador cuenta con un TDS fijo, independiente de la entrada en operaci´on de las DER. Por otro lado, se eval´ua la estrategia que ajusta el TDS din´amicamente en funci´on de la impedancia de secuencia positiva vista por el equipo, con el fin de mantener la coordinaci´on ante la presencia de DER como se presenta en la tabla 4.4 y 4.5. Se realizan pruebas con fallas monof´asicas a tierra (LG) y fallas trif´asicas a tierra (LLLG), tanto en puntos cercanos, como en puntos lejanos respecto al reconectador. En cada caso, se eval´uan diferentes configuraciones de DER, para estudiar su efecto sobre las corrientes vistas por el reconectador y fusible. Con el fin de evaluar para cada evento sus tiempos de operaci´on y calculando el CTI para determinar si se manten´ıa o se perd´ıa la coordinaci´on bajo distintos escenarios.

p. 32

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

Tabla 4.4: Escenarios de integraci´on de DER y tipos de falla analizados en el sistema IEEE 34 nodos modificado Escenario LG

LLLG

Sin DER ✓ ✓

DER1

✓ ✓

DER2

✓ ✓

DER3

✓ ✓

DER4

✓ ✓

DER4+DER1

✓ ✓

DER4+DER1+DER2

✓ ✓

DER4+DER1+DER2+DER3

✓ ✓ Tabla 4.5: Par´ametros de recursos energ´eticos distribuidos estrategia N2

DER

Potencia (kVA) Tensi´on (kV) Nodo

DER1

500

854

DER2

1000

840

DER3

1500

832

DER4

300

860

Par´ametros iniciales de reconectadores y fusibles Se definen los par´ametros iniciales para los dispositivos de proteccion de la red, c´omo lo establece el autor. A diferencia de la estrategia anterior, el valor de la corriente pickup es un dato fijo determinado por el esudio de flujo de carga, as´ı como los valores de a y b de los fusibles.El valor de TDS inicial se fija en [0.2], y de all´ı la La curva del reconectador es modificada por el valor de TDS de forma iterativa, en la tabla 4.6 podemos ver los par´ametros mencionados. Tabla 4.6: Par´ametros iniciales de dispositivos de protecci´on para la estrategia N2 Dispositivo Tipo A B n

TDS

OLF

a fuse b fuse R1 Reconectador

0.2

1.25

F8## Fusible

-2.58

6.81

4.3

Resultados obtenidos estrategia N1

4.3.1

Caso de referencia sin generaci´on distribuida La referencia base sin DER, sirve para contrastar el efecto de la generaci´on distribuida. En la condici´on base (DER0), las corrientes de falla corresponden ´unicamente al aporte de la red de transmisi´on y subestaci´on. Esto se traduce en una coordinaci´on estable entre reconectadores y fusibles, donde los ajustes convencionales de TDS y corriente de pickup resultan suficientes para garantizar la selectividad.

p. 33

LG LL

LLL

LLLG

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

LG LL

LLL

LLLG

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

SIN ESTRATEGIA

CON ESTRATEGIA

Existe Existe (TDS ajustado) Existe (Cambio de fusible) No existe Existe (Cambio de fusible y TDS ajustado) No aplica Existe (Ipickup ajustada) No existe (Ipickup ajustada/no se cumple

CTI)

Figura 4.4: Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para todos los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR sin DER Comportamiento de la estrategia por tipo de falla

• LG: La mayor´ıa de los casos cumplen la coordinaci´on, pero en nodos cr´ıticos (810, 818 y 856)

se perdi´o coordinaci´on. La causa fue la elevada sensibilidad de los fusibles en laterales largos, cuyo tiempo m´ınimo de fusi´on (MMT) result´o ser demasiado corto frente al tiempo r´apido del reconectador. La coordinaci´on se recuper´o mediante ajustes de TDS y, en los nodos mencionados, el cambio de fusibles para retrasar el disparo. Esto es consistente con lo se˜nalado en el paper: el upgrade de fusibles es un recurso de ´ultimo nivel, empleado cuando los diales ya no pueden reducir m´as los tiempos sin romper la selectividad en cascada.

• LL: En este caso base, se observ´o una p´erdida generalizada de coordinaci´on entre los reconec-

tadores. Algunos nodos, como 814 y 824, mostraron que el reconectador R2 no llegaba a actuar porque no circulaba corriente significativa en el escenario simulado. Esto implica que en ciertos trayectos la coordinaci´on se reduce a la interacci´on R1–fusible, sin participaci´on de R2. La recuperaci´on se logr´o mediante ajustes de TDS, ya que en la mayor´ıa de estos casos no se involucraban m´as dispositivos de protecci´on en cascada.

• LLL/LLLG: La mayor´ıa de escenarios cumplieron adecuadamente. Sin embargo, se identific´o

el nodo 856 como conflictivo, dado que el fusible operaba antes de lo previsto, rompiendo el margen de CTI. El problema se corrigi´o con cambio de fusible en el nodo 856, restableciendo el esquema de salvamento de fusibles y cumpliendo la regla del 75 % para fusibles en serie.

p. 34

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

4.3.2

Escenario con DER moderada (DER1) La inserci´on de una unidad de DER introduce cambios significativos en los perfiles de corriente de falla. La reducci´on de la impedancia equivalente y el incremento de la corriente aguas arriba del punto de conexi´on disminuyen la ventana temporal disponible para la coordinaci´on reconectador–fusible.

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

SIN ESTRATEGIA DER1

CON ESTRATEGIA DER1

LG LL

LLL

LLLG

LG LL

LLL

LLLG

Existe Existe (TDS ajustado) Existe (Cambio de fusible) No existe Existe (Cambio de fusible y TDS ajustado) No aplica Existe (Ipickup ajustada) No existe (Ipickup ajustada/no se cumple

CTI)

Figura 4.5: Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para todos los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR con DER1. Comportamiento de la estrategia por tipo de falla

• LG: La mayor´ıa de los casos con coordinaci´on directa entre reconectadores se mantienen esta-

bles, sin p´erdida de CTI. No obstante, en fallas localizadas en nodos intermedios, el aporte de la DER modifica el nivel de corriente visto por R2, lo que estrecha el margen de coordinaci´on con los fusibles asociados. Se aplican ajustes de TDS en R2 para mejorar el comportamiento en modo r´apido y asegurar que el disparo ocurra antes del tiempo m´ınimo de fusi´on (MMT) del fusible. En varios nodos, adem´as del ajuste de TDS, se recurre al cambio de fusibles para retrasar la fusi´on y restablecer el margen de coordinaci´on.

• LL: Se detectan conflictos en la coordinaci´on, especialmente en nodos de ramales largos,

donde el fusible tiende a operar antes de que el reconectador r´apido intervenga. El nodo 856 destaca como cr´ıtico, al no cumplir el CTI en la condici´on base.En este nodo se aplic´o un cambio de fusible combinado con el ajuste de TDS del reconectador asociado, lo que

p. 35

permiti´o restablecer la selectividad. En el resto de nodos afectados, los ajustes de TDS fueron suficientes para recuperar la coordinaci´on.

• LLL/LLLG:En las fallas m´as severas, la DER incrementa significativamente la corriente de

cortocircuito, reduciendo los tiempos de fusi´on de los fusibles. Esto provoca que, en algunos nodos, el fusible opere antes de que la curva r´apida del reconectador pueda operar.La soluci´on aplicada fue el ajuste de TDS de los reconectadores, desplazando su curva de operaci´on hacia tiempos m´as r´apidos para garantizar la selectividad y recuperar el margen de 200 ms respecto a la fusi´on de los fusibles. No fue necesario un cambio masivo de fusibles en este caso, ya que los ajustes de TDS resultaron efectivos.

4.3.3

Escenario con inyecci´on significativa (DER1+DER2) Con dos unidades DER, la red enfrenta un aumento considerable en los aportes de corriente de falla, tanto en fusibles como en los reconectadores aguas arriba. Este incremento intensifica los conflictos de coordinaci´on tanto reconectador–fusible (R–F) como reconectador–reconectador (R–R).

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

SIN ESTRATEGIA DER1+DER2

CON ESTRATEGIA DER1+DER2

LG LL

LLL

LLLG

LG LL

LLL

LLLG

Existe Existe (TDS ajustado) Existe (Cambio de fusible) No existe Existe (Cambio de fusible y TDS ajustado) No aplica Existe (Ipickup ajustada) No existe (Ipickup ajustada/no se cumple

CTI)

Figura 4.6: Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR con DER1+DER2. Comportamiento de la estrategia por tipo de falla

• LG:Se aplicaron de forma sistem´atica ajustes de TDS en los reconectadores y, en casos pun-

tuales, cambios de fusibles, lo que permiti´o desplazar la MMT y restaurar el margen de co-

p. 36

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

ordinaci´on. Este patr´on coincide con lo visto en DER0 y DER1: los laterales largos (fusibles sensibles) son los m´as propensos a perder coordinaci´on y requieren intervenci´on adicional.

• LL:El factor diferencial de DER2 es la introducci´on de ajustes de pickup (Ipickup) en los re-

conectadores, adem´as del TDS, para garantizar la sensibilidad adecuada y mejorar los tiempos de respuesta. Con esta medida, no fue necesario recurrir a cambios masivos de fusibles.

• LLL/LLLG: Los ajustes de pickup, junto con TDS, resultaron suficientes para recuperar la co-

ordinaci´on. El nodo 856 sigue siendo conflictivo porque siempre se sugiere cambiar el fusible, aunque sin modificar el TDS del reconectador asociado.

4.3.4

Escenario con inyecci´on significativa (DER1+DER2+DER3) La contribuci´on simult´anea de DERs eleva al m´aximo las corrientes de falla y desplaza los tiempos de fusi´on a valores muy bajos, reduciendo dr´asticamente la ventana de coordinaci´on.

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

810 814 818 820 824 832 842 844 846 836 838 852 856 860 862 864

TIPO DE FALLA

NODO EN FALLA

SIN ESTRATEGIA DER1+DER2+DER3

CON ESTRATEGIA DER1+DER2+DER3

Existe Existe (TDS ajustado) Existe (Cambio de fusible) No existe Existe (Cambio de fusible y TDS ajustado) No aplica Existe (Ipickup ajustada) No existe (Ipickup ajustada/no se cumple

CTI)

LG LL

LLL

LLLG

LG LL

LLL

LLLG

Figura 4.7: Clasificaci´on de la coordinaci´on de protecci´on para todos los nodos frente a diferentes tipos de fallos utilizando la estrategia de protecci´on propuesta con DSDR con DER1+DER2+DER3.

p. 37

Comportamiento de la estrategia por tipo de falla

• LG:No se observan cambios mayores con respecto a escenarios previos. La combinaci´on de

ajustes de TDS y, en casos puntuales, ajustes de pickup en los reconectadores fue suficiente para restablecer la coordinaci´on.

• LL: Se implementaron ajustes en la corriente de pickup y calibraci´on de TDS. Sin embargo,

aun con estas modificaciones, no fue posible recuperar plenamente el CTI. Lo que s´ı se logr´o fue mantener la selectividad m´ınima, es decir, garantizar que la operaci´on siguiera un orden jer´arquico correcto, aunque con margen temporal reducido.

• LLL/LLLG: Aunque los ajustes de TDS y pickup logran mejorar tiempos de disparo, los prob-

lemas de coordinaci´on en nodos como 814 y 824 persisten. No hay mejoras sustanciales respecto a lo observado en LL.

4.4

Resultados obtenidos estrategia N2

4.4.1

An´alisis comparativo de CTI El estudio de la coordinaci´on reconectador–fusible bajo la aplicaci´on del MF evidencia un desempe˜no diferenciado dependiendo del tipo de falla y de la ubicaci´on del cortocircuito. Los resultados obtenidos de los cuatro escenarios (LG cerca, LG lejos, LLLG cerca y LLLG lejos) permiten extraer conclusiones generales sobre la robustez de la estrategia, as´ı como identificar sus limitaciones en condiciones cr´ıticas.

Tabla 4.7: Comparaci´on global de coordinaci´on reconectador–Fusible con y sin estrategia MF Escenario CTI promedio (s) CTI m´ınimo (s) Eventos sin coordinaci´on Total eventos Sin Con Sin Con Sin Con Sin Con LG cerca

1.158

0.423

0.758

0.349

LG lejos

1.856

0.837

1.343

0.727

LLLG cerca

0.016

1.066

0.005

1.023

LLLG lejos

2.908

1.012

2.753

0.538

• Falla monof´asica a tierra (LG)

En los escenarios de fallas LG, los resultados muestran que, aun sin estrategia, el sistema conserva m´argenes de coordinaci´on adecuados, como se muestra en la figura 4.8. En el caso de fallas cercanas, el CTI promedio fue de 1.16 [s] y el m´ınimo de 0.76 [s], mientras que en fallas lejanas el promedio se increment´o a 1.86 [s] con m´ınimos de 1.34 [s]. En ambos casos no se presentaron eventos sin coordinaci´on.

Con la aplicaci´on de la estrategia MF, los CTI se redujeron (0.42 [s] en fallas cercanas y 0.84 [s] en fallas lejanas), lo que implica una respuesta m´as r´apida del reconectador sin comprometer la selectividad. El margen de 0.2 [s] siempre se mantuvo, y no se registraron p´erdidas de coordinaci´on. En este sentido, la estrategia MF aporta mayor velocidad y consistencia al sistema, aunque en fallas LG no era estrictamente necesaria para garantizar la selectividad.

• Falla trif´asica (LLLG)

En el caso de fallas trif´asicas se observa la mayor diferencia entre operar con y sin estrategia, como se muestra en la figura 4.9. Sin estrategia, las fallas cercanas presentaron una condici´on

p. 38

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

Figura 4.8: Comparaci´on de CTI para fallas monof´asicas a tierra (LG) con y sin estrategia MF Figura 4.9: Comparaci´on de CTI para fallas trif´asicas a tierra (LLLG) con y sin estrategia MF cr´ıtica: aunque el CTI promedio fue de 1.17 [s], en seis de los ocho eventos analizados los valores m´ınimos cayeron por debajo de 0.2 [s] (hasta 0.005[s]), lo que implica p´erdida de coordinaci´on y riesgo de que los fusibles operen antes que el reconectador. Al aplicar la estrategia MF, esos mismos eventos cr´ıticos incrementaron su CTI a valores entre

p. 39

1.02 y 1.20 [s], recuperando la coordinaci´on en todos los casos y eliminando las p´erdidas de selectividad. En fallas lejanas, donde sin estrategia ya se contaban con m´argenes elevados (CTIpromedio ≈2.9[s]), la estrategia MF ajust´o los valores a un rango m´as operativo (≈1.0[s]), lo que aporta un margen suficiente pero no excesivo, garantizando seguridad y evitando tiempos demasiado largos de despeje.

4.4.2

An´alisis de impacto de integraci´on DER La integraci´on progresiva DER introduce un cambio sustancial en el comportamiento de la coordinaci´on entre el reconectador y el fusible. Al analizar los ocho escenarios planteados (E-001 a E-008), se observa una clara diferencia entre los resultados de fallas monof´asicas (LG) y trif´asicas (LLLG), as´ı como entre los casos con y sin la aplicaci´on de la estrategia MF. Tabla 4.8: P´erdidas de coordinaci´on por escenario de generaci´on distribuida (DER) Evento Configuraci´on DER LG

LLLG

Sin Con Sin Con E-001 Sin DER

E-002

DER1

E-003

DER2

E-004

DER3

E-005

DER4

E-006

DER4+DER1

E-007

DER4+DER1+DER2

E-008

DER4+DER1+DER2+DER3

• Escenarios sin estrategia

En el escenario base sin DER (E-001) no se presentan p´erdidas de coordinaci´on, lo que confirma que el sistema de protecci´on est´a correctamente ajustado bajo condiciones convencionales. Sin embargo, a partir de la incorporaci´on de una primera unidad de DER (E-002), se empiezan a evidenciar p´erdidas de coordinaci´on en fallas trif´asicas cercanas, las cuales persisten y se repiten en los escenarios siguientes (E-003 a E-007). En total, se contabilizan 6 eventos con CTI por debajo del umbral de 0.2 [s], todos ellos asociados a configuraciones con DER. Este efecto se explica porque la inyecci´on de corriente de cortocircuito proveniente de la DER acelera la operaci´on de los fusibles, reduciendo los m´argenes de coordinaci´on respecto al reconectador. As´ı, mientras que en fallas monof´asicas (LG) no se evidencian problemas, en fallas trif´asicas (LLLG) la integraci´on de DER compromete directamente la selectividad.

• Escenarios con estrategia MF

La aplicaci´on de la estrategia MF corrige las deficiencias descritas. En los mismos escenarios cr´ıticos (E-002 a E-007), los CTI se incrementan hasta valores superiores a 1.0 [s], eliminando por completo las p´erdidas de coordinaci´on. De este modo, el reconectador vuelve a actuar siempre antes que los fusibles, preservando el esquema de salvamento de fusibles incluso con penetraciones significativas de DER.

En escenarios con m´ultiples DER (E-006 y E-007), donde sin estrategia se presentaba la mayor vulnerabilidad, la estrategia MF demuestra su efectividad al garantizar nuevamente la coordinaci´on en el 100 % de los eventos. Por su parte, en fallas lejanas y en fallas monof´asicas, donde la coordinaci´on ya estaba asegurada, la estrategia act´ua m´as como un mecanismo de ajuste y normalizaci´on de m´argenes que como una medida correctiva.

p. 40

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

4.4.3

Evaluaci´on de la estrategia MF en laterales largos del sistema IEEE 34 Nodos con dos reconectadores La aplicaci´on de la estrategia MF en los laterales largos del sistema IEEE 34 nodos de la figura 4.10 permite observar c´omo la coordinaci´on reconectador–fusible se ve afectada por la ubicaci´on relativa de los dispositivos de protecci´on y la distribuci´on de la generaci´on distribuida (DER). El desempe˜no de la estrategia MF en los laterales de mayor longitud del sistema IEEE de 34 nodos depende de manera marcada tanto de la localizaci´on de la falla (cerca/lejos) como de la jerarqu´ıa de protecci´on establecida por los dos reconectadores. Aguas arriba del nodo 828 predomina la coordinaci´on con el reconectador R1, mientras que, aguas abajo, la coordinaci´on involucra a R2 con los fusibles asociados. La tabla 4.9 presenta un resumen consolidado de CTI y p´erdidas de coordinaci´on por lateral largo, Sin estrategia y Con estrategia.

800

802

806

808

812

814

850

824

826

818

820

822

828

830

854

856

864

832

852

888

890

858

834

860

836

840

862

838

842

844

846

848

810

R1 DG1

DGCB1

DG2

DGCB2

DG3

DGCB3

DG4

DGCB4

F818 F858 F842 F836 R2 L818 L842 L858 L836 Figura 4.10: Esquema simplificado de alimentador IEEE 34 nodos con laterales largos evaluados. Tabla 4.9: Resumen consolidado de CTI y p´erdidas de coordinaci´on por lateral largo, Sin estrategia y Con estrategia CTI prom (s) CTI min (s) P´erdidas Eventos Falla Distancia Lateral Sin Con Sin Con Sin Con Sin Con LG cerca F818

25.094

20.624

LG cerca F842

62.503

LG cerca F858

LG lejos F818

126.490

LG lejos F842

LG lejos F858

LLLG

cerca F836

82.645

LLLG

lejos F836

83.846

• Fallas monof´asicas a tierra (LG)

El lateral F818 constituye la excepci´on relevante. En condici´on cerca, la estrategia MF restaura la coordinaci´on (p´erdidas pasan de altas a nulas y se observan CTI v´alidos), evidenciando

p. 41

que, cuando la distancia al reconectador no penaliza la corriente de falla, el ajuste MF es efectivo para recuperar la secuencia de despeje. No obstante, incluso en F818-lejos persisten p´erdidas en la mayor´ıa de eventos, lo que subraya el efecto de la distancia sobre la corriente disponible y la selectividad. Para los laterales F842 y F858—ambos aguas abajo de R2 y ubicados lejos del reconectador—la tabla consolidada muestra p´erdidas sistem´aticas tanto sin como con estrategia y ausencia de CTI v´alidos, sugiriendo que, con los par´ametros actuales, el MF no compensa la ca´ıda de corriente debida a la impedancia del ramal ni corrige la precedencia de disparo del fusible.

• Fallas trif´asicas (LLLG)

El lateral F836 (tambi´en dependiente de R2 y distante) presenta un patr´on consistente: 7 de 8 eventos se marcan como p´erdida tanto sin como con la estrategia MF, y solo un caso aislado conserva CTI v´alido con m´argenes holgados. Este comportamiento refuerza la conclusi´on anterior: en laterales largos y alejados del reconectador, la corriente de cortocircuito en el punto de falla no resulta suficiente para garantizar que el reconectador anticipe al fusible; la estrategia MF, aplicada con un ´unico conjunto de coeficientes, no alcanza a revertir ese condicionamiento f´ısico del circuito.

Los resultados sugieren que la efectividad de la estrategia MF es fuertemente local y dependiente de la distancia del lateral largo al reconectador.

4.5

Evaluaci´on cruzada de estrategias de coordinaci´on Se presenta una evaluaci´on cruzada cuyo prop´osito es comprobar la transferibilidad y robustez de dos estrategias de coordinaci´on reconectador–Fusible frente a DER: MF y DSDR Para ello, se aplic´o DSDR en el sistema base donde se desarroll´o MF y, rec´ıprocamente, MF en el sistema de referencia del paper DSDR. La comparaci´on se realiza bajo un criterio homog´eneo: el indicador principal es el CTI ; se analizan p´erdidas, CTI m´ınimo y CTI promedio, en LG y LLLG, cerca y lejos del reconectador y para diferentes niveles de DER. Este dise˜no permite aislar qu´e parte del desempe˜no depende de la metodolog´ıa y cu´al de la topolog´ıa/impedancia del sistema, ofreciendo una lectura imparcial sobre la eficacia y las condiciones de sinton´ıa que cada estrategia requiere.

4.5.1

Estrategia MF aplicado en el sistema estrategia DSDR La evaluaci´on de la estrategia MF sobre el sistema de referencia DSDR se realiz´o comparando, para fallas LG y LLLG, condiciones cerca y lejos del reconectador, con un sistema de referencia. Se valida el desempe˜no de la estrategia basado CTI promedio y m´ınimo para eventos que s´ı coordinan, de lo contrario se designa como p´erdida de coordinaci´on. Se adopta, adem´as, una ventana objetivo para el margen de coordinaci´on: CTI ≈0,4–1,0 [s].

Valores muy por debajo comprometen la selectividad; valores muy por encima implica que los reconectadores act´uan en tiempo muy largos.

p. 42

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

800

DG1 DG2 DG3

802

806

808

812

814

850

824

826

818

820

822

828

830

854

856

F854

864

832

852

888

890

858

834

860

836

840

862

838

842

844

846

848

F808

810

F824

RDG

F818 F808 F858 F832 F844 F842 F862

RDG

F834 F836 R1

LOAD

Local End Fault Fuse Far End Fault Figura 4.11: Esquema simplificado de alimentador IEEE 34 nodos con distribuci´on de DER evaluado con estrategia DSDR Tabla 4.10: MF en el sistema DSDR: p´erdidas y CTI (Sin coordinaci´on o Con coordinaci´on) P´erdidas (eventos) CTI prom (s) CTI min (s) Falla Distancia Sin Con Sin Con Sin Con LG cerca

50.459

67.798

35.061

61.984

LG lejos

72.946

107.472

40.125

102.153

LLLG

cerca

0.655

0.832

0.239

0.360

LLLG

lejos

1.650

2.413

0.643

1.498

• Fallas LG: En condici´on cerca, se reduce las p´erdidas de coordinaci´on, pero los CTI resultan

ser muy altos, lo que nos da a entender que la corriente de falla se encuentra muy cercana a la corriente pickup asignada al reconectador. Para las fallas lejanas se repite el mismo comportamiento que con las cercanas, se logra selectividad pero en tiempos fuera de lo tolerable. En ambos casos podemos apreciar una incapacidad del reconectador para adaptarse a estos cambio m´ınimos de corriente cercanos a la corriente pickup, lo que sugiere que ´esta deba ser modificada din´amicamente.

• Fallas LLLG: Se elimina las p´erdidas de coordinaci´on presentes sin estrategia y eleva los

m´argenes de tiempo–corriente, especialmente el CTI m´ınimo, que es el indicador m´as sensible de robustez. En proximidad al reconectador, el CTI queda pr´oximo al valor objetivo. A mayor distancia, los m´argenes tienden a incrementarse por efecto de la impedancia del tramo, conservando la selectividad. Para las fallas lejanas la estrategia tendi´o a aumentar el CTI en un rango tolerable, pero se podr´ıa acotar.

p. 43

4.5.2

Estrategia DSDR aplicado en el sistema estrategia MF El desempe˜no de la estrategia DSDR fue evaluado en el sistema IEEE de 34 nodos de la figura [4.13] bajo diferentes niveles de integraci´on de generaci´on distribuida, desde la condici´on base sin DER (DER0) hasta un escenario de alta penetraci´on con cuatro unidades de generaci´on (DER1+DER2+ DER3+DER4). Los resultados obtenidos permiten identificar un patr´on progresivo en el que la coordinaci´on de protecciones se degrada conforme crece el aporte de DER, y al mismo tiempo se hace m´as necesaria la aplicaci´on sistem´atica de la estrategia para restablecer la selectividad. An´alisis de impacto de integraci´on de DER DG1 DG1+DG2 DG1+DG2 +DG3 DG1+DG2 +DG3+DG4

814 824 832 852 856 860

PENETRACION DE DER

NODO EN FALLA

Existe Existe (Tiempos de despeje >1 s) Existe (Ajuste Ipickup, tiempos de despeje <1 s) No existe Existe (Cambio de fusible y TDS ajustado) DG0

SIN ESTRATEGIA

CON ESTRATEGIA

DG1 DG1+DG2 DG1+DG2 +DG3 DG1+DG2 +DG3+DG4

814 824 832 852 856 860

PENETRACION DE DER

NODO EN FALLA

DG0 Despeje sin coordinación R-R Figura 4.12: Clasificaci´on de protecci´on para sistema IEEE 34 nodos propuesto en estrategia MF

• Escenario base

En el escenario DER0, sin generaci´on distribuida, se evidenciaron varios casos sin coordinaci´on en la condici´on convencional, principalmente en fallas severas de tipo LLLG en ramales lejanos (ej. nodo 856). Esto muestra que incluso en ausencia de DER la severidad de la corriente de falla puede estrechar la ventana de coordinaci´on entre reconectadores y fusibles. Con la aplicaci´on de la estrategia, los diez casos inicialmente conflictivos se corrigieron mediante ajustes de TDS y cambios puntuales de fusibles, alcanzando el 100 % de coordinaci´on

• Penetraci´on moderada (DER1)

El incremento de corriente de falla reduce el tiempo m´ınimo de fusi´on de los fusibles y provoca que en algunos nodos el reconectador no logre disparar antes que el fusible. En la condici´on sin estrategia aumentan los casos “No existe”, pero al aplicar la estrategia la coordinaci´on se recupera. Las correcciones m´as frecuentes consistieron en ajustes de TDS, acompa˜nados en ciertos nodos cr´ıticos de cambios de fusible o modificaciones de pickup, destacando nuevamente el nodo 856 como punto sensible.

p. 44

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

800

802

806

808

812

814

850

824

826

818

820

822

828

830

854

856

F854

864

832

852

888

890

858

834

860

836

840

862

838

842

844

846

848

F808

810

F824 F818 F808 F858 F832 F844 F842 F862

RDG

F834 F836 R1 DG1

DGCB1

DG2

DGCB2

DG3

DGCB3

DG4

DGCB4

R2 Figura 4.13: Esquema simplificado de alimentador IEEE 34 nodos con distribuci´on de DER evaluado con estrategia MF

• Penetraci´on significativa (DER1+DER2)

La condici´on base mostr´o m´ultiples p´erdidas de coordinaci´on, y para restablecerlas fue necesario combinar ajustes de TDS con modificaciones de pickup en los reconectadores, a fin de asegurar su participaci´on efectiva. Los cambios de fusibles se tornaron m´as frecuentes en los laterales en el nodo 856, siendo imprescindibles para sostener el esquema de salvamento de fusibles. Aunque la estrategia logr´o recuperar la coordinaci´on global, el esfuerzo de intervenci´on aument´o considerablemente respecto a DER0 y DER1.

• Penetraci´on alta (DER1+DER2+DER3)

En este escenario se mantuvo la selectividad, es decir, el orden correcto de disparo, pero no siempre fue posible alcanzar el criterio de 200 [ms] en la coordinaci´on reconectador–reconectador. En nodos como 814 y 824, a´un despu´es de aplicar ajustes de TDS y pickup, el margen de CTI se redujo por debajo del umbral. Ello refleja que, con alta penetraci´on de DER, la estrategia sigue siendo efectiva para evitar operaciones indebidas, pero no garantiza los m´argenes temporales establecidos.

• Penetraci´on muy alta, peor caso (DER1+DER2+DER3+DER4)

En la condici´on sin estrategia, se presentaron p´erdidas de coordinaci´on generalizadas, y aunque la aplicaci´on de DSDR permiti´o conservar el orden jer´arquico de operaci´on (selectividad), en varios nodos cr´ıticos (814, 824, 856, 860) no se logr´o recuperar el CTI requerido. Las intervenciones m´as dr´asticas incluyeron cambios de fusibles combinados con ajustes de TDS e incrementos en pickup. Este resultado evidencia que, a muy alta penetraci´on de DER, el esquema tradicional de reconectador–fusible no es suficiente y se requieren soluciones adicionales.

p. 45

4.5.3

Propuesta de mejora: Estrategia MF con ajuste de corriente pickup por escenario en laterales largos del sistema IEEE 34 Nodos con dos reconectadores En aquellos eventos donde el reconectador no supera su corriente de pickup con los ajustes base, el c´alculo de tiempo del reconectador no se activa y, en consecuencia, el margen frente al fusible no mejora. La estrategia MF con ajuste din´amico de la corriente pickup (MFpickup) aborda precisamente esa brecha. Al incorporar un ajuste de pickup por escenario y seleccionar por evento la alternativa que coordina y es m´as r´apida, se habilita el disparo del reconectador en situaciones que antes quedaban sin respuesta, y se recupera un conjunto significativo de eventos del sistema sin estrategia o incluso con estrategia MF permanec´ıan sin coordinaci´on. El resultado agregado es una mejora adicional sobre MF, que se evidencia tanto en el aumento de la proporci´on de eventos que pasan de no coordinar a coordinar. En los escenarios donde MF ya entregaba coordinaci´on suficiente, MFpickup conserva ese margen y tiende a reducir el tiempo del reconectador, aportando rapidez sin sacrificar selectividad.

Par´ametros iniciales de reconectadores y fusibles Se fijan los par´ametros iniciales para el reconectador como en la estrategia MF, el valor de la corriente pickup es determinado por el estudio de flujo de carga para cada escenario, los valores de a y b de los fusibles se modificaron a partir de los vistos en la tabla 4.6 a trav´es de la ecuaci´on [4.1] volviendo a mas negativo y re-calcula bi para mantener el mismo tiempo en una corriente de referencia Iref , permitiendo bajar los tiempos de disparo de los mismos al volver su curva mas inversa, es decir, m´as r´apidas a corrientes altas, pero casi igual en bajas, en la tabla 4.11 podemos ver los par´ametros mencionados.

bnuevo = bviejo + (aviejo −anuevo) ∗log10(Iref)

(4.1)

Tabla 4.11: Par´ametros iniciales de dispositivos de protecci´on para la estrategia MF en laterales largos y ajuste de corriente pickup por escenario Dispositivo Tipo A B n

TDS

OLF

a fuse b fuse R1 Reconectador

0.2

1.25

F8## Fusible

-2.8

6.53

Tabla 4.12: An´alisis comparativo de CTI, sin estrategia, con estrategia MF y estrategia MF con ajuste de corriente pickup en nodo 842 Escenario Cerca Lejos CTI base [s]

CTI MF

[s]

CTI

MF+pickup [s] CTI base [s]

CTI MF

[s]

CTI

MF+pickup [s] E-001

62.503

56.555

E-002

3.493

3.651

E-003

2.208

2.282

E-004

2.274

2.410

E-005

2.359

2.467

E-006

1.727

1.825

E-007

1.627

1.704

E-008

625.724

1.621

p. 46

CAP´ITULO 4. RESULTADOS Y AN´ALISIS COMPARATIVO

Tabla 4.13: An´alisis comparativo de CTI, sin estrategia, con estrategia MF y estrategia MF con ajuste de corriente pickup en nodo 858 Escenario Cerca Lejos CTI base [s]

CTI MF

[s]

CTI

MF+pickup [s] CTI base [s]

CTI MF

[s]

CTI

MF+pickup [s] E-001

231.590

225.545

E-002

9.337

9.906

E-003

7.139

7.608

E-004

6.026

6.467

E-005

7.231

7.757

E-006

6.090

6.518

E-007

6.025

6.328

E-008

5.485

5.782

La ganancia m´as visible de MF se observa en escenarios “cerca” y en fallas LG, donde el incremento del CTI m´ınimo reduce las situaciones con CTI cercano al objetivo; la ganancia distintiva de MFpickup se aprecia en escenarios “lejos” , donde el ajuste por evento habilita coordinaciones que MF no pod´ıa garantizar, como se muestra en la tabla 4.12 y 4.13.El resultado final logra un buen equilibrio entre seguridad y rapidez en la respuesta, algo especialmente ´util cuando ocurren fallas importantes en la red.

p. 47

Cap´ıtulo 5 Conclusiones y trabajos futuros

5.1

Conclusiones En este trabajo se analizaron dos esquemas de protecci´on adaptativos para garantizar la coordinaci´on de reconectador-fusible bajo el esquema de salvamento de fusibles. En este sentido, se extraen las siguientes conclusiones:

1. En la red de IEEE34 nodos con dos reconectadores en cascada (R1 en cabecera y R2 en el

nodo 828), los fusibles aguas abajo de 828,ligados a R2, se ubican mayoritariamente en laterales largos y, por tanto, ven corrientes de falla reducidas por la alta impedancia del trayecto. Este hecho explica la aparici´on y persistencia de p´erdidas de coordinaci´on cuando el reconectador no supera su corriente pickup, as´ı como la sensibilidad a la presencia de generaci´on distribuida, especialmente en fallas de tipo LLLG cercanas.

2. En ese marco, la estrategia MF demostr´o ser eficaz como capa de normalizaci´on y robustec-

imiento de m´argenes. En donde existe coordinaci´on, se cumple la condici´on de corriente pickup superada y orden de disparo correcto. MF eleva el CTI m´ınimo a un piso seguro y homogeneiza los m´argenes, lo que se reflej´o con claridad en fallas LLLG tanto cerca como lejos del reconectador, y tambi´en en LG cerca del sistema DSDR. No obstante, cuando la causa de la p´erdida es una corriente pickup insuficiente por distancia/impedancia, la estrategia por s´ı sola no es suficiente para lograr la coordinaci´on.

3. La aplicaci´on de la estrategia DSDR en el sistema IEEE de 34 nodos permiti´o evaluar con

detalle la respuesta del esquema de protecci´on frente a distintos niveles de integraci´on de generaci´on distribuida. Los resultados muestran un comportamiento coherente y progresivo; a medida que aumenta la penetraci´on de DER, se incrementa la complejidad de la coordinaci´on y la estrategia debe desplegar m´as recursos correctivos. De manera general, puede concluirse que la estrategia DSDR es altamente efectiva hasta niveles intermedios de integraci´on de DER, donde asegura tanto la selectividad como los tiempos de coordinaci´on. Sin embargo, en escenarios con penetraci´on elevada alcanza un l´ımite funcional, si bien evita disparos indebidos y conserva la selectividad m´ınima, no logra garantizar los m´argenes de tiempo exigidos por la coordinaci´on convencional.

4. Los hallazgos presentados refuerzan lo se˜nalado en la literatura y ponen de manifiesto la

necesidad de estrategias m´as avanzadas, adaptativas y jer´arquicas para redes con alta penetraci´on de generaci´on distribuida. La evaluaci´on cruzada refuerza esta lectura.

p. 48

CAP´ITULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

5. Al aplicar MF en el sistema de referencia del usado para la estrategia DSDR, se observ´o la elim-

inaci´on de p´erdidas en LLLG y un incremento consistente de los m´argenes de coordinaci´on, validando la transferibilidad del enfoque y su capacidad de estabilizar la respuesta temporizada del sistema. En LG, si bien MF redujo p´erdidas en condici´on cercana, aparecieron CTI excesivos (tiempos de despeje demasiado largos), debido a la operaci´on en proximidad a la corriente pickup con curvas inversas. Estos CTI altos, aunque preservan la selectividad, son operativamente indeseables debido al aumento de energ´ıa de falla y la degradaci´on de la calidad de servicio. La soluci´on pasa por combinar MF con ajustes de pickup/TDS/curvas.

6. En la evaluaci´on de DSDR sobre el sistema usado para la estrategia MF, la estrategia mejor´o 10

de 14 casos inicialmente clasificados como no coordinados, lo que evidencia una capacidad de recuperaci´on del 71% bajo el criterio operativo adoptado. Esta mejora confirma la viabilidad de DSDR en la red con dos reconectadores, siempre que la sinton´ıa de pickups/TDS y la selecci´on direccional de grupos se realice por zona y por lateral. Para los 4 casos restantes, la falta de coordinaci´on se asocia a limitaciones de pickup y/o elecci´on de grupo no ´optima; en ellos, la combinaci´on de ajustes de parametros del reconectador (pickups, TDS, curvas, umbrales direccionales) y, de ser necesario, ajustes en fusibles, deber´ıa permitir alcanzar la selectividad.

5.2

Trabajos futuros Con base en los resultados obtenidos y en las implicaciones estrat´egicas identificadas en la literatura especializada, se plantean las siguientes l´ıneas de trabajo futuro para la consolidaci´on de esquemas de protecci´on adaptativa en ADN:

5.2.1

Revisi´on y adaptaci´on continua de la estrategia DSDR La l´ogica del reconectador direccional de doble ajuste (DSDR) debe someterse a revisi´on peri´odica conforme se expanden los alimentadores, cambian las impedancias por tramo y se reconfiguran las topolog´ıas. Cada ampliaci´on o reubicaci´on de cargas/ramales debe activar la verificaci´on de m´argenes (CTI) y el eventual c´alculo de TDS/pickups y nuevas curvas bidireccionales. Y para la incorporaci´on o retiro de DER (tama˜no, ubicaci´on y modo de operaci´on) debe acompa˜narse de un ciclo de revalidaci´on de la coordinaci´on para los modos forward/reverse del DSDR, incluyendo escenarios de inversi´on temporal del flujo de potencia. Debido a que el uso de DSDR apunta a mejorar indicadores de continuidad; se propone medir de forma sistem´atica el impacto en los ´ındices SAIDI

Y SAIFI.

En redes extensas con m´ultiples fusibles en cascada, se sugiere profundizar en la coordinaci´on flexible del DSDR (zonas forward/reverse ampliadas) para robustecer la selectividad ante perfiles de DER variables y laterales de alta impedancia.

5.2.2

Estrategia basada en Factor de Modificaci´on (MF) Formalizar la implementaci´on del Factor de Modificaci´on (MF) como relaci´on entre la impedancia de secuencia positiva preestablecida y la calculada, de modo que la TCC r´apida del reconectador se adapte en el momento de integrar el DER, evitando recalcular bajo condiciones de falla y reduciendo la carga computacional del proceso.

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Se propone validar con m´as profundidad la eficacia del MF para restablecer la selectividad, independientemente del tipo de falla (LG, LL, LLL, LLLG) y del nivel de penetraci´on de DER, incluyendo casos con m´ultiples fuentes y variaciones de tensi´on, implementando el ajuste din´amico de la corriente pickup para cada caso de an´alisis.

5.2.3

Implementaci´on de operaci´on online, optimizaci´on y anal´ıtica de datos. Se propone mejorar los canales de comunicaci´on, implementando la se˜nalizaci´on del estado del interruptor de la DER (DGCB “abierto/cerrado”) mediante GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) (IEC-61850) u otros mensajes de banda baja. El uso de IEEE-802.11 con puentes inal´ambricos Ethernet de largo alcance como alternativa costo-efectiva; para distancias <30 km, y latencias sub-milisegundo (0.1 ms). Y disponer de modos como el fail-safe (congelar ajustes o retornar a curva base), en el caso de la p´erdida de informaci´on en los canales de comunicaci´on. Con estos canales de comunicaci´on resueltos se puede proponer una capa online en donde se pueda integrar SCADA/AMI y, cuando sea posible, micro-PMUs para estimar estado y autorizar ajustes (DSDR/MF) con pruebas autom´aticas de CTI antes de aplicarlos.

Por otro lado, se puede formular la selecci´on de TDS/pickups/curvas como un problema de optimizaci´on (seguridad, selectividad, rapidez, m´ınima operaci´on indebida) bajo restricciones operativas.

Con la informaci´on recolectada de escenarios simulados con operaci´on real en asociaci´on con operadores de red, desarrollar clasificadores que anticipen casos cr´ıticos (p ej., R1 sin superar Ipickup, tiempos elevados en R2, laterales de alta impedancia) y recomienden el m´etodo de restauraci´on (DSDR vs MF) m´as eficaz por ruta y tipo de falla, cuantificando mejoras en selectividad, tiempos de despeje e ´ındices de continuidad.

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Cita: Aristizabal Romero, Julio César (2025), Análisis de estrategias de coordinación de protecciones usando reconectadores y fusibles en redes de distribución incluyendo recursos energéticos distribuidos, Universidad Tecnológica de Pereira, p. N. https://hdl.handle.net/11059/16566