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Sistema de Medición de Sincrofasores, una innovadora solución para decisiones más inteligentes

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El sistema de medición de sincrofasores es una tecnología que se utiliza para proporcionar información en tiempo real, a alta velocidad y coherente en el tiempo, del sistema eléctrico de potencia. Esta capacidad no estaba disponible con los sistemas SCADA previos (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) que ofrecían prestaciones inferiores y que no permitían detectar ni observar perturbaciones, dado que su tasa de muestreo típica era  mayor de 2 segundos.

El sistema se basa en la utilización de unidades de medición fasorial, PMU´s, que muestrean las señales de tensión y corriente muchas veces por segundo con elevada precisión, colocando una estampa de tiempo exacta a cada muestra.

Al respecto hay mucha bibliografía, pero en este artículo la intención es que respondiendo  algunas simples preguntas, se pueda explicar fácilmente el concepto y sus beneficios.

¿Cuál es su origen ?

En el año 2003 luego del Black Out Noreste (Cleveland Separation), la investigación del mismo llevada a cabo entre EEUU y Canadá determinó que si se hubiese contado con un sistema de medición sincrofasorial se habrían detectado a tiempo las diferencias de ángulo de fase entre Cleveland y Michigan. Estas tuvieron una duración de una hora y con un aumento elevado en los últimos 6 minutos y si se hubiese contado con esta tecnología, se habrían podido tomar medidas correctivas para evitar ese enorme apagón.

¿En qué consiste el sistema de medición de sincrofasores ?  ¿En qué se basa ?

El sistema se fundamenta en medir los canales de tensión y corriente muestreando los valores y calculando el ángulo de fase entre esas tensiones y el fasor patrón, que es aquel que está sincronizado con la hora Universal GMT. Para lograr esto se utiliza un GPS como fuente de sincronización horaria.

Los sincrofasores son los valores sincronizados en el tiempo que representan tanto la magnitud como el ángulo de fase de las ondas sinusoidales de tensión y corriente.

Con el GPS se obtiene la información exacta del 1PPS, (1 Pulso Por Segundo), y es a partir de ese momento que se mide la diferencia de tiempo, o diferencia de fase con las señales adquiridas. El momento exacto del PPS puede ser determinado con una precisión de unas pocas decenas de nanosegundos utilizando los GPS de última tecnología.

¿Para que sirven ?

Esta información se puede enviar utilizando el protocolo de sincrofasores a los centros de control, despachos de carga, software de supervisión, etc. a una tasa de una muestra por ciclo de la frecuencia de red, que en nuestro país será a razón de 50 muestras por segundo, por lo que se contará, de acuerdo al teorema de Nyquest, con información fidedigna de 25 Hz de ancho de banda, lo que permite detectar oscilaciones de potencia cuyas frecuencias son normalmente menores de 10 Hz.

Las mediciones tomadas por las PMU en diferentes ubicaciones se sincronizan y se ajustan en el tiempo, y luego se agrupan para proporcionar una representación precisa y completa del estado del sistema eléctrico. La comparación de los sincrofasores entre diferentes puntos de un sistema eléctrico es una manera efectiva de detectar problemas en el mismo. A esto se lo llama Sistema de monitoreo, protección y control de área amplia. (WAMPC, del inglés Wide Area Monitoring, Protection and Control). Se estima que la cantidad total de PMU instalados en el mundo es mayor de 3.500 unidades.

¿Qué se necesita ?

Para implementar un sistema de monitoreo por sincrofasores es necesario:

  • GPS

El GPS, Global Positioning System, es un dispositivo muy utilizado para la ubicación geográfica de vehículos o naves. En realidad, el sistema se basa en la medición precisa del tiempo entre los satélites GPS y los receptores en tierra. Conociendo ese tiempo y conocida la velocidad de la luz es posible calcular la distancia que los separa. Utilizando triangulación entre más de tres satélites se puede calcular la posición geográfica.

Pero, para el caso de los sincrofasores, se utiliza la capacidad innata de los GPS de tener tiempos muy exactos, y dado que están ubicados en distintos puntos del sistema eléctrico, se pueden determinar los valores instantáneos de los fasores en forma sincronizada.

  • PMU

La unidad de medida fasorial (PMU) es un dispositivo que estima la magnitud y el ángulo de fase de tensiones y corrientes en la red eléctrica utilizando una fuente de tiempo común para la sincronización.

Las PMU´s capturan las muestras instantáneas de las formas de onda de entrada en rápida sucesión y luego reconstruyen la cantidad fasorial, compuesta por una medición de ángulo y una medición de magnitud. Las PMU también pueden medir la frecuencia en la red eléctrica y su derivada con elevada exactitud. Una PMU comercial típica puede informar mediciones con una resolución temporal muy alta, hasta 2 mediciones por ciclo de la red. Una PMU puede ser un dispositivo dedicado, o la función PMU puede incorporarse en un relé de protección o registrador de fallas eléctricas.

Los valores de tensiones, fases y frecuencias se transmiten utilizando un standard cuya primera versión se publicó en 1995. El trabajo pasó por revisiones posteriores, hasta la versión actual denominada IEEE C37.118.2.

  • Comunicaciones

Los sincrofasores son transmitidos a los Centros de Control vía PDC (Concentradores de Datos Fasoriales) utilizando el protocolo IEEE C37.118. Los PDC´s se comunican a través de de redes IP al sistema SCADA - EMS (Energy Management System)

Los PDC son dispositivos inteligentes (puede ser una PC) que reciben la información de los fasores que llegan de las distintas PMU y utilizando las marcas de tiempo, los arregla de forma de que correspondan a un mismo instante de tiempo. Los PDC pueden almacenar datos en un buffer por un corto período de tiempo, pero no almacenan datos. Además, permiten validar datos y convertir los que lleguen en distintos formatos y también posibilitan la conversión de distintas tasas de entrada especificadas en la norma. Un PDC puede también compartir información con otros PDC´s.

¿Finalmente, para que se utilizan estos datos ?

Aplicaciones de análisis final

En general, en los centros de control se utiliza un PDP (Phasor Data Processor) cuya función es:

  • Monitorear los procesos dinámicos y estados en redes de energía (Wide Area Monitoring).
  • Detectar y dar una alerta temprana (situational awareness) cuando se acerca a estados críticos (estabilidad de frecuencia, estabilidad de voltaje, estabilidad de transmisión y oscilaciones de potencia). Los umbrales críticos se pueden definir individualmente y modificar en cualquier momento. Además del monitoreo en tiempo real, también ofrece soporte en el análisis del sistema eléctrico al quedar todas las mediciones y cálculos almacenadas en su base de datos.

Otras funciones

• Detección de estabilidad en la tensión

• Detección de inestabilidad de pequeña señal

• Control de Islas

• Control de fuentes de generación intermitentes e interconexión de red

• Detección de cortocircuitos

• Pérdida de carga

• Pérdida de generación

Los sincrofasores mejoran ampliamente la confiabilidad de los datos obtenidos por los sistemas SCADA, al establecer una referencia de tiempo única para todas las medidas del sistema, reduciendo la incertidumbre ocasionada por los retardos en las vías de comunicación y la transferencia de los datos obtenidos entre las subestaciones y los centros de control con métodos convencionales.

En el país CAMMESA ha emprendido una auspiciosa campaña de instalación de PMU´s, ya cuenta en proceso de instalación alrededor de 20 PMU´s. Desde hace varios meses está activo y funcionando su Phasor Data Processor que ha sido muy útil para comprobar el estado de la red eléctrica, localizar cortocicuitos con la información de los tipos de los mismos, así como también detectar islas y oscilaciones de potencia.

Entre los objetivos futuros se encuentran

  • Monitoreo de la red EAT y AT
  • Intercambio entre áreas del SADI
  • Uso en interconexiones internacionales
  • Entrega de datos al estimador de estados
  • Validación del comportamiento de generadores
  • Comportamiento de la demanda para su modelado

Como una forma de encaminarse hacia la consolidación de este sistema de medición, CAMMESA en su P.T. N°4 solicita que los nuevos generadores instalen equipamiento de medición de sincrofasores. Esto sin duda redundará en un mayor conocimiento del comportamiento de la red eléctrica.

ELSPEC y Computec

Computec comercializa el Registrador de Fallas y PMU ELSPEC modelo G5DFR que en un mismo equipo posee características de Registrador de Fallas, Analizador de Calidad de Energía y de PMU (Unidad de Medición de Fasores).

Puede realizar una transmisión continua de Sincrofasores con una tasa de envío de 100 frames /seg.

El equipo almacena permanentemente a 1.024 muestras/ciclo la información de todos los canales adquiridos gracias a su algoritmo de compresión PQZIP, pudiendo ser posteriormente analizada en cualquier instante de tiempo.

El software de Gestión Energética Sapphire con su módulo de investigación presenta gráficamente: tendencias, osciloperturbografía, armónicos, histogramas, listas de eventos, cuadros de resumen y resúmenes estadísticos de los parámetros almacenados. El usuario puede analizar sags/dips, swells, interrupciones o cualquier otro tipo de incidentes. En su versión actual también cumple las funciones de PDC (Concentrador de Datos Fasorial)

El equipo ha demostrado ser de una ayuda invalorable para la operación de plantas generadoras y transmisoras, al contar con la posibilidad de monitorear en tiempo real y de realizar investigaciones históricas, utilizando herramientas de gráficos y tendencias. www.computecsrl.com.ar

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