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