Oscilación de Oscilación de PotenciaPotencia

Diciembre - Diciembre - 20062006

Proyecto PDT:estudios de estabilidad de escenarios a corto plazo del sistema eléctrico uruguayo (UdelaR – FING – IIE)

Celia Sena, Ricardo Franco

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Oscilación de PotenciaOscilación de PotenciaDesarrollo de la presentaciónDesarrollo de la presentación

DefinicionesDefiniciones Fenómeno de Oscilación de PotenciaFenómeno de Oscilación de Potencia Efectos en los relés de protección de Efectos en los relés de protección de

las líneas de trasmisiónlas líneas de trasmisión Métodos para la detecciónMétodos para la detección Filosofía de protecciónFilosofía de protección

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DefinicionesDefiniciones Oscilación de potencia Oscilación de potencia (power swing)(power swing): :

Variación en la potencia trifásica, debida al Variación en la potencia trifásica, debida al avance o retroceso de los ángulos relativos avance o retroceso de los ángulos relativos entre generadores, como respuesta a entre generadores, como respuesta a cambios en la magnitud de la carga, faltas cambios en la magnitud de la carga, faltas y otras perturbaciones en el sistema.y otras perturbaciones en el sistema.

Oscilación de potencia estable:Oscilación de potencia estable: Es estable si los generadores no pierden el Es estable si los generadores no pierden el

paso polar y el sistema alcanza un nuevo paso polar y el sistema alcanza un nuevo estado de equilibrio.estado de equilibrio.

Oscilación de potencia inestable:Oscilación de potencia inestable: Es inestable si un generador o grupo de Es inestable si un generador o grupo de

generadores pierde el paso polar. generadores pierde el paso polar.

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DefinicionesDefiniciones Condición de pérdida de paso Condición de pérdida de paso

polar polar (out-of-step condition)(out-of-step condition): : Oscilación de potencia inestable.Oscilación de potencia inestable.

Centro eléctrico del sistema o Centro eléctrico del sistema o tensión cero tensión cero (electrical system center or (electrical system center or voltage zero)voltage zero):: Es el punto o puntos del sistema Es el punto o puntos del sistema

eléctrico donde la tensión se hace eléctrico donde la tensión se hace cero durante una oscilación de cero durante una oscilación de potencia inestable.potencia inestable.

55

FenómenoFenómeno El sistema de potencia, en El sistema de potencia, en

régimen estacionario, opera régimen estacionario, opera muy muy cercacerca de su frecuencia nominal y de su frecuencia nominal y las magnitudes de las tensiones las magnitudes de las tensiones en las diferentes barras en las diferentes barras no no varíanvarían más de un 5%. más de un 5%.

Existe una Existe una balancebalance entre la entre la potencia activa y reactiva potencia activa y reactiva generada y la consumida.generada y la consumida.

66

FenómenoFenómeno Cualquier cambio en la potencia Cualquier cambio en la potencia

generada, potencia demanda o en el generada, potencia demanda o en el sistema de potencia causa sistema de potencia causa cambioscambios en la potencia del sistema, oscilando en la potencia del sistema, oscilando hasta alcanzar otro punto de equilibrio hasta alcanzar otro punto de equilibrio entre la generación y la carga.entre la generación y la carga.

Estos cambio ocurren Estos cambio ocurren permanentemente y son compensados permanentemente y son compensados por los sistemas de control.por los sistemas de control.

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FenómenoFenómeno

Faltas en el sistema de potenciaFaltas en el sistema de potencia Conexiones de líneas de trasmisiónConexiones de líneas de trasmisión Desconexiones de generadoresDesconexiones de generadores Pérdida o aplicación de grandes Pérdida o aplicación de grandes

bloques de cargabloques de cargaCausanCausan Oscilaciones de potenciaOscilaciones de potencia

88

FenómenoFenómeno Dependiendo de la perturbación y de la Dependiendo de la perturbación y de la

acción de los controladores las acción de los controladores las oscilaciones pueden seroscilaciones pueden ser EstablesEstables InestablesInestables

99

FenómenoFenómeno La oscilación de potencia puede La oscilación de potencia puede

hacer que la impedancia vista por hacer que la impedancia vista por un relé un relé entre entre en su característica en su característica de operación.de operación.

La La operaciónoperación de estos relés puede de estos relés puede hacer que salgan de servicio líneas hacer que salgan de servicio líneas de trasmisión u otros componentes, de trasmisión u otros componentes, haciendo haciendo más débilmás débil el sistema, el sistema, aumentandoaumentando la gravedad de la la gravedad de la perturbación.perturbación.

1010

FenómenoFenómeno Los relés de distancia propensos a Los relés de distancia propensos a

operar durante una oscilación de operar durante una oscilación de potencia potencia deben ser bloqueadosdeben ser bloqueados temporalmente.temporalmente.

En los relés de distancia modernos En los relés de distancia modernos se tienen disponibles las funciones:se tienen disponibles las funciones: PSBPSB: Bloqueo por oscilación de : Bloqueo por oscilación de

potencia potencia (power swing blocking)(power swing blocking).. OSTOST: Disparo por oscilación de : Disparo por oscilación de

potencia potencia (out-of-step tripping)(out-of-step tripping)..

1111

FenómenoFenómeno PSB: Bloqueo por oscilación de PSB: Bloqueo por oscilación de

potencia:potencia: Esta función diferencia entre una Esta función diferencia entre una

faltafalta y una y una oscilación de potenciaoscilación de potencia. . BloqueaBloquea el relé de distancia, el relé de distancia,

previene el disparo durante una previene el disparo durante una oscilación de potencia.oscilación de potencia.

Debe Debe detectardetectar y y despejardespejar las faltas las faltas que ocurren durante una oscilación que ocurren durante una oscilación de potencia. de potencia.

1212

FenómenoFenómeno El disparo indebido de interruptores El disparo indebido de interruptores

durante una oscilación de potencia durante una oscilación de potencia puede causar daño al equipamiento puede causar daño al equipamiento y contribuir al apagón en varias y contribuir al apagón en varias áreas del sistema.áreas del sistema.

Es necesario, el disparo controlado Es necesario, el disparo controlado de ciertos elementos en de ciertos elementos en determinados puntos del sistema determinados puntos del sistema para evitar daño al equipamiento y para evitar daño al equipamiento y minimizar los efectos de la minimizar los efectos de la perturbación.perturbación.

1313

FenómenoFenómeno OST: Disparo por oscilación de OST: Disparo por oscilación de

potencia:potencia: Esta función diferencia entre una Esta función diferencia entre una

oscilación oscilación estableestable de una de una inestableinestable..

Permite Permite disparardisparar algunos algunos elementos del sistema para evitar el elementos del sistema para evitar el daño de los equipos y que la daño de los equipos y que la perturbación se extienda por el perturbación se extienda por el sistema.sistema.

1414

FenómenoFenómeno Con la separación del sistema en Con la separación del sistema en

áreas no siempre se alcanza el áreas no siempre se alcanza el balance generación-carga, en balance generación-carga, en cada una de ellas. cada una de ellas.

En estos casos, se implementa un En estos casos, se implementa un sistema de sistema de rechazo de cargarechazo de carga o o disparo de generacióndisparo de generación, para , para evitar el apagón en esas áreas.evitar el apagón en esas áreas.

1515

Efecto sobre los relés de protección de Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisiónlas líneas de trasmisión

Los relés de distancia responden a Los relés de distancia responden a los valores de secuencia positiva.los valores de secuencia positiva.

La impedancia medida por el relé La impedancia medida por el relé durante una oscilación de durante una oscilación de potencia varía en función del potencia varía en función del ángulo ángulo entre las tensiones entre las tensiones equivalentes del sistema.equivalentes del sistema.

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Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisión

• Los relés de distancia responden a los valores de secuencia positiva.

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Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisión

• ES está desfasada de ER

• Impedancia medida por los relés de distancia en A

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Efecto sobre los relés de protección de las líneas de trasmisión

• Trayectoria de la impedancia durante una oscilación de potencia

1919

Métodos para la detección: Métodos para la detección: ConvencionalesConvencionales

Se basan en el cálculo de la Se basan en el cálculo de la impedancia de secuencia positiva.impedancia de secuencia positiva.

Régimen estacionario: la Régimen estacionario: la impedancia medida es la impedancia medida es la impedancia de carga.impedancia de carga.

Durante una falta: la impedancia se Durante una falta: la impedancia se mueve mueve rápidorápido desde la impedancia desde la impedancia de carga hasta la de falta.de carga hasta la de falta.

Oscilación de potencia: la Oscilación de potencia: la impedancia se mueve impedancia se mueve lentolento..

2020

Métodos para la detección: Métodos para la detección: ConvencionalesConvencionales

Los esquemas convencionales de Los esquemas convencionales de PSB utilizan la diferencia en la PSB utilizan la diferencia en la velocidadvelocidad de la impedancia para de la impedancia para diferenciardiferenciar entre una falta y una entre una falta y una oscilación de potencia.oscilación de potencia.

2121

Métodos para la detección: Métodos para la detección: ConvencionalesConvencionales

Características concéntricas:Características concéntricas:

Para medir la velocidad de la Para medir la velocidad de la variación de la impedancia, mide el variación de la impedancia, mide el tiempotiempo que requiere la impedancia que requiere la impedancia para atravesar dos características para atravesar dos características concéntricas de impedancia.concéntricas de impedancia.

La detección de la oscilación de La detección de la oscilación de potencia se realiza antes que la potencia se realiza antes que la impedancia entre en la impedancia entre en la característica de operación.característica de operación.

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Métodos para la detección: Convencionales

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Métodos para la detección: Métodos para la detección: ConvencionalesConvencionales

Características blinder (2 rectas):Características blinder (2 rectas):

Para medir la velocidad de la Para medir la velocidad de la variación de la impedancia, mide el variación de la impedancia, mide el tiempotiempo que requiere la impedancia que requiere la impedancia para atravesar dos rectas.para atravesar dos rectas.

Se Se optimizaoptimiza el esquema si las el esquema si las rectas son paralelas a la rectas son paralelas a la impedancia de la línea.impedancia de la línea.

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Métodos para la detección: Convencionales

2525

Métodos para la detección: Métodos para la detección: ConvencionalesConvencionales

Características blinder (1 recta):Características blinder (1 recta):

Este tipo de esquema se utiliza Este tipo de esquema se utiliza como OST.como OST.

Este esquema Este esquema retrasaretrasa el disparo el disparo hasta que la oscilación ya pasó los hasta que la oscilación ya pasó los 180° y están volviendo a ponerse 180° y están volviendo a ponerse en fase las tensiones.en fase las tensiones.

2626

Métodos para la detección: Métodos para la detección: ConvencionalesConvencionales

CaracterísticasCaracterísticas

Este tipo de esquema se utiliza como Este tipo de esquema se utiliza como OST.OST.

Algoritmo que describe el esquema:Algoritmo que describe el esquema:

R

0112 dtdRTRRY

27

Métodos para la detección: Convencionales

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Métodos para la detección: AdicionalesMétodos para la detección: Adicionales

Cálculo continuo de la impedanciaCálculo continuo de la impedancia

Este método determina la condición de Este método determina la condición de oscilación de potencia calculando la oscilación de potencia calculando la impedancia en forma continua.impedancia en forma continua.

Calcula la impedancia cada 5ms y se Calcula la impedancia cada 5ms y se compara con la calculada 5ms antes. compara con la calculada 5ms antes.

29

Métodos para la detección: Adicionales

3030

Métodos para la detección: AdicionalesMétodos para la detección: AdicionalesCálculo continuo de la impedanciaCálculo continuo de la impedancia Δt = 5 msΔt = 5 ms

N-1:N-1:Cálculo de Zv_N-1Cálculo de Zv_N-1

N:N:Cálculo de Zv_NCálculo de Zv_NPredicción de Zv_N+1_esperada, según Zv_N, Zv_N-1 y ΔtPredicción de Zv_N+1_esperada, según Zv_N, Zv_N-1 y Δt

N+1:N+1:Cálculo de Zv_N+1Cálculo de Zv_N+1Comparación de Zv_N+1 con Zv_N+1_esperadaComparación de Zv_N+1 con Zv_N+1_esperadaDeterminación de si hay oscilación de potenciaDeterminación de si hay oscilación de potenciaPredicción de Zv_N+2_esperada, según Zv_N+1, Zv_N y ΔtPredicción de Zv_N+2_esperada, según Zv_N+1, Zv_N y Δt

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Métodos para la detección: AdicionalesMétodos para la detección: Adicionales

SincrofasoresSincrofasores

En una oscilación de potencia el ángulo En una oscilación de potencia el ángulo de las tensiones de las barras reflejan de las tensiones de las barras reflejan cambios en la velocidad de rotación.cambios en la velocidad de rotación.

Actualmente se puede medir en forma Actualmente se puede medir en forma sincronizada los ángulos de diferentes sincronizada los ángulos de diferentes barras del sistema.barras del sistema.

Cuando se detecta oscilación de Cuando se detecta oscilación de potencia, se realiza una separación del potencia, se realiza una separación del sistema o un rechazo de carga.sistema o un rechazo de carga.

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Métodos para la detección: AdicionalesMétodos para la detección: Adicionales

SincrofasoresSincrofasores

Considerando un sistema con dos Considerando un sistema con dos máquinas, medir Δδ y calcular en tiempo máquinas, medir Δδ y calcular en tiempo real el criterio de igual área, para determinar real el criterio de igual área, para determinar establilidad o no.establilidad o no.

Usar algoritmos predictivos de la variación Usar algoritmos predictivos de la variación de δ(t) y comparar con la medida de los de δ(t) y comparar con la medida de los sincrofasores en barras estratégicas.sincrofasores en barras estratégicas.

3333

Métodos para la detección: AdicionalesMétodos para la detección: Adicionales

Centro de oscilación SCV (swing center Centro de oscilación SCV (swing center voltage):voltage):

SCV: se define como el punto del sistema SCV: se define como el punto del sistema (equivalente de 2 fuentes), donde la (equivalente de 2 fuentes), donde la tensión es cero y el ángulo entre los tensión es cero y el ángulo entre los sistemas es sistemas es = 180°. = 180°.

Este punto se puede aproximar por:Este punto se puede aproximar por:

donde Vdonde VSS tensión local, tensión local, ángulo entre la tensión ángulo entre la tensión y corriente.y corriente.

cosSVSCV

34

Métodos para la detección: Adicionales

3535

Métodos para la detección: AdicionalesMétodos para la detección: Adicionales

Centro de oscilación SCV:Centro de oscilación SCV:

La derivada de SCV1 es:La derivada de SCV1 es:

2

cos11ESCV

dtdsenE

dtSCVd

22

11

cosSVSCV

3636

Métodos para la detección: AdicionalesMétodos para la detección: Adicionales

Centro de oscilación SCV:Centro de oscilación SCV:

dtdsenE

dtSCVd

22

11

11 10 SCVpuSCV

máximodtSCVdSCVSi

11 0180

mínimodtSCVdSCVSi

11 10

21120 1 SCVSi

2

cos11ESCV

3737

Filosofía de protección ante osc. de Filosofía de protección ante osc. de potenciapotencia

La filosofía para la aplicación de los La filosofía para la aplicación de los esquemas PSB y OST es:esquemas PSB y OST es: EvitarEvitar dispara cualquier elemento del sistema dispara cualquier elemento del sistema

durante una oscilación de potencia durante una oscilación de potencia estableestable.. ProtegerProteger el sistema de potencia durante el sistema de potencia durante

oscilaciones oscilaciones inestablesinestables.. Se debe diseñar un sistema de disparo Se debe diseñar un sistema de disparo

para separar en áreas el sistema, en para separar en áreas el sistema, en condiciones de oscilación de potencia condiciones de oscilación de potencia inestables.inestables.

3838

Filosofía de protección ante osc. de Filosofía de protección ante osc. de potenciapotencia

Los esquemas de disparo por oscilación de Los esquemas de disparo por oscilación de potencia están diseñados para potencia están diseñados para protegerproteger el sistema durante oscilaciones inestables, el sistema durante oscilaciones inestables, separando en áreas, de manera de separando en áreas, de manera de mantener la estabilidad dentro de cada mantener la estabilidad dentro de cada área.área.

Los esquemas de disparos deben estar Los esquemas de disparos deben estar instalados cerca del instalados cerca del centro eléctricocentro eléctrico del del sistema, para mantener el balance entre sistema, para mantener el balance entre generación y carga.generación y carga.

Los esquemas de disparo debenLos esquemas de disparo deben evitar evitar disparar cuando el ángulo entre los disparar cuando el ángulo entre los sistemas es cercano a sistemas es cercano a 180°180°..

3939

Filosofía de protección ante osc. de Filosofía de protección ante osc. de potenciapotencia

Los esquemas de disparo OST están Los esquemas de disparo OST están acompañadosacompañados con esquemas de bloqueo con esquemas de bloqueo PSB para evitar disparos indeseados.PSB para evitar disparos indeseados.

Los esquemas de bloqueo son instalados Los esquemas de bloqueo son instalados en otros puntos del sistema, para en otros puntos del sistema, para evitarevitar la separación del mismo de manera la separación del mismo de manera no no controladacontrolada..

Estos esquemas están acompañados con Estos esquemas están acompañados con sistemas de sistemas de rechazo de cargarechazo de carga y y disparo de generacióndisparo de generación..

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BibliografíaBibliografía Power Swing and Out-of-Step Considerations on Transmission Power Swing and Out-of-Step Considerations on Transmission

Lines; IEEE PSRC WG D6; Mike McDonald, Demetrios Lines; IEEE PSRC WG D6; Mike McDonald, Demetrios Tziouvaras y otros.Tziouvaras y otros.

GER-3180; Application of Out-of-step Blocking and Tripping Relays; John Berdy.

Out-of-Step Protection Fundamentals and Advancements; Demetrios Tziouvaras y Daqing Hou.

Zero-setting Power-Swing Blocking Protection; G. Benmouyal, Zero-setting Power-Swing Blocking Protection; G. Benmouyal, D. Hou y D. Tziouvaras.D. Hou y D. Tziouvaras.