TENDENCIAS EN EL DESARROLLO DE PROTECCIONES EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA DEL FUTURO
David Celeita Ms.C, Ph.D(c) 08/23/2017
CONTEXTO Y EVOLUCIÓN DE LAS PROTECCIONES D E V IC E N U M B E R S A N D E V O L U T IO N O F R E L AY TECH N O LO G Y 180 2008 – C37.2 revision and IEC 61850
160
1991 /1999 /2013 COMTRADE C37.111
Device numbers C37.2
140
120
1988 PMU based relay (Phadke) 1979 1st Microprocessor based relay on industry
100
1962 ANSI 24
80
1928 AIEE No. 26 (1st version of C37.2) ANSI 27,40,49,50,51 ,52,72,79 (...)
60
Big Data Cloud
1987 ANSI 11 – Multifunctional relay CSP & SIPS
ANSI IEEE C37.2 adds 1960's Microprocessor
1923 Distance
40
GPS 1990
Wide Area P.
3RD GENERATION: DIGITAL RELAYS (1980-Present)
1912 Directional
20
SETTING-LESS PROTECTION (2012 EPRI & Meliopoulos) Current research and applications
1909 Differential
2ND GENERATION: SOLID STATE / STATIC RELAYS (1956-2005/Present)
1905 First EM OC relay
1ST GENERATION: ELECTROMECHANICAL RELAYS (1900-1990)
0 1900
1920
1940
1960
1980
Ye a r
2000
2020
2040
APORTES RECIENTES DE LA INDUSTRIA • Integración de relés numéricos dentro de la arquitectura de automatización de la subestación.
• Separación de la adquisición de datos del sistema desde los relés con “Merging Units (MUs)”, convirtiendo así los relés numéricos en dispositivos computacionales que reciben información de las MUs por medio del Process Bus. • Estándares: CIGRE: The Digital Substation (IEC Standards) IEEE: Centralized Substation Protection
ESTADÍSTICAS (NERC 2017) Tomado de NERC Misoperations by Cause Code (2Q 2011–3Q 2016) From NERC State of Reliability June 2017
Other / explainable 7%
DC System 5%
AS-left personnel error 9%
Incorrect setting / logic / Design error 28%
AC System 9%
Unknown / unexplainable 9%
Communication failures 14%
Relay failure / malfunctions 19%
RETOS ACTUALES • Los equipos de protección actuales cuentan con sistemas de adquisición de señales (voltaje y corriente) y su operación depende intrínsecamente de estas mediciones. • Las funciones de protección basadas en principios estáticos necesitan ser coordinadas en un sistema de potencia dinámico.
• Complejidad de coordinación de equipos de protección, detección de fallas especiales y topologías atípicas. • Mucha información y datos disponibles sin usar. • Protección por zonas → Protección por subsistemas (substation based protection).
FORTALECIMIENTO DE INNOVACIÓN Industria
Protección de sistemas de potencia del futuro
Normatividad
Academia
RT-HIL Testing
SETTING-LESS PROTECTION METHOD (Puede ser entendida como una generalización de la protección diferencial)
Protección diferencial clásica: Protege el elemento monitoreando corrientes (KCL)
I1 ; I2 ; I3
Protección “Setting-less”: Protege el elemento o subsistema monitoreando las leyes físicas asociadas: (KCL, KVL, propiedades termomecánicas, etc) por observación usando estimación dinámica de estados.
I1 ; I2 ; I3 ; V1 ; V2 ; V3 Temperatura Velocidad Ángulos (…)
Zona de protección
Zona de protección
SETTING-LESS: LÓGICA DE PROTECCIÓN
By A.P Meliopoulos et al. EPRI, “Program on technology innovation: Setting-less protection methods, prototype setting-less protective relay laboratory demonstration,” Tech. Rep. 3002004095, Electric Power Research Institute, 3420 Hillview Avenue Palo Alto, CA 94304-1338, June 2014.
SETTING-LESS: LÓGICA DE PROTECCIÓN
By A.P Meliopoulos et al. EPRI, “Program on technology innovation: Setting-less protection methods, prototype setting-less protective relay laboratory demonstration,” Tech. Rep. 3002004095, Electric Power Research Institute, 3420 Hillview Avenue Palo Alto, CA 94304-1338, June 2014.
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN El método depende de un modelo de la zona de protección, elemento o subsistema de alta fidelidad. Protección centralizada subestaciones:
de
• Integración de protección y estimación de estados. • Validación autónoma del modelo de la zona de protección. • Automatización de estimación de estados de la subestación. • Elimina la necesidad de coordinar funciones de protección. • Modelamiento orientado a objetos consistente con IEC 61850 By A.P Meliopoulos et al. EPRI, “Program on technology innovation: Setting-less protection methods, prototype setting-less protective relay laboratory demonstration,” Tech. Rep. 3002004095, Electric Power Research Institute, 3420 Hillview Avenue Palo Alto, CA 94304-1338, June 2014.
EJEMPLO: LÍNEAS COMPENSADAS EN SERIE
Complicaciones típicas: OC y Pr. Distancia: El relé I puede disparar incorrectamente ante F1, ya que los condensadores en serie reducen la impedancia entre ambos. Otros esquemas comparten algunas limitaciones:
• • • •
Directional overcurrent protection Pilot distance protection Direction comparison scheme Line differential protection (*)
EJEMPLO: LÍNEAS COMPENSADAS EN SERIE Diagrama de Y. Liu; A. P. Meliopoulos; R. Fan; L. Sun; Z. Tan, "Dynamic State Estimation Based Protection on Series Compensated Transmission Lines," in IEEE Transactions on Power Delivery , vol.PP, no.99, pp.1-1
PROTOCOLO DE PRUEBA CONTROLADA REAL-TIME HARDWARE IN THE LOOP
EJEMPLO: LÍNEAS COMPENSADAS EN SERIE Evento 1: Falla interna monofásica A-G de baja impedancia cerca al compensador en serie.
Tomado de Y. Liu; A. P. Meliopoulos; R. Fan; L. Sun; Z. Tan, "Dynamic State Estimation Based Protection on Series Compensated Transmission Lines," in IEEE Transactions on Power Delivery , vol.PP, no.99, pp.1-1
EJEMPLO: LÍNEAS COMPENSADAS EN SERIE Evento 1: Falla interna monofásica A-G de baja impedancia cerca al compensador en serie.
Otros eventos: Falla externa monofásica A-G de baja impedancia en la primera barra Falla externa monofásica A-G de alta impedancia en la primera barra
Tomado de Y. Liu; A. P. Meliopoulos; R. Fan; L. Sun; Z. Tan, "Dynamic State Estimation Based Protection on Series Compensated Transmission Lines," in IEEE Transactions on Power Delivery , vol.PP, no.99, pp.1-1
EJEMPLO: DETECCIÓN DE TIEMPOS DE ONDAS VIAJERAS Objetivo: Utilizar estimación dinámica de estados para mejorar el desempeño de protecciones con ondas viajeras utilizando infraestructura existente. l-d
d
eL(t) t=0
F K
M
eR(t) t=0
tk,m tm,k
Δt=(tF,k-tk,m) tF,k
Δt=(tm,k-tk,m)
EJEMPLO: DETECCIÓN DE TIEMPOS DE ONDAS VIAJERAS
(a)
(b)
Eventos:
Three phase fault to ground ABCG and Rf=15 Ohm Two phase AB and Rf=10 Ohm Single phase fault to ground CG and Rf=0.01 Ohm Two phase AC and Rf=2 Ohm Two phase fault to ground BCG and Rf=5 Ohm Single phase fault to ground BG and Rf=50 Ohm
(c)
OTRAS APLICACIONES Desarrollo de esquemas de protección “Setting-less” usando estimación dinámica de estados: Líneas con acople mutuo Transformadores(*) Bancos de condensadores(*) Generador(*) Micro-redes Páneles solares Detección de cyberataques Ondas viajeras y localización de falla (*) Aplicaciones en campo
Actual
Contribución Velocidad de disparo
Autonomía en validación
Compatibilidad con infraestructura
Detección de fallas especiales
Estimación dinámica de estados
POTENCIAL DE DESARROLLO Relay study
Future power system automation
Testing environments
Standardization
• Virtual relay design for feeder protection including COMTRADE generator, ANSI 50/51 P/N, 27P, 59P, 79 RECLOSING SEQUENCE.
•SIPS – System integrity protection schemes •Setting-less protection / Centralized substation based protection •IEC 61850 and GPS test consistency
• Real-time platform of protective relaying control for distribution systems • GridTeractions • Power Factory co-simulation for tranmission systems (SCADA)
• Std IEEE 242-2001 validation and implementation in a real-time architecture • C37.111 COMTRADE std implemented in a virtual relay.
PLATAFORMAS Y HERRAMIENTAS DSSIM-PC Distribution system simulator – free download (9,217)
SCADA interactive platform with PowerFactory - Digsilent Protective relaying test bed for Smart grids
Gridteractions –a scalable framework for teaching and testing advanced distribution automation strategies in smart grids. Real Time Simulator for Power Quality Signals
Control Center Emulator
RESUMEN • Cambio de filosofía de protección por zonas con funciones estáticas a protección por subsistemas con condiciones dinámicas. • Implementación de soluciones compatibles infraestructura existente y normatividad vigente.
con
• Ambientes de prueba especializados y desarrollo de prototipos en arquitecturas de tiempo real. • Evaluación de eventos reales con modelos consistentes. • La estimación dinámica de estados a una tasa rápida como metodología de protección para el uso adecuado de la información.
GRACIAS 2018 Georgia Tech Annual • Fault and Disturbance Analysis Conference • Protective Relaying Conference
CALL FOR PAPERS
David Celeita M.Sc., Ph.D(c)
[email protected] 08/23/2017