Oscilaci

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

• Diciembre - 2006

Celia Sena, Ricardo Franco
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Oscilación de Potencia

• Desarrollo de la presentación
• Definiciones
• Fenómeno de Oscilación de Potencia
• Efectos en los relés de protección de las líneas
  de trasmisión
• Métodos para la detección
• Filosofía de protección

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Definiciones

• Oscilación de potencia (power swing)
• Variación en la potencia trifásica, debida al
  avance o retroceso de los ángulos relativos entre
  generadores, como respuesta a cambios en la
  magnitud de la carga, faltas y otras
  perturbaciones en el sistema.
• Oscilación de potencia estable
• Es estable si los generadores no pierden el paso
  polar y el sistema alcanza un nuevo estado de
  equilibrio.
• Oscilación de potencia inestable
• Es inestable si un generador o grupo de
  generadores pierde el paso polar.

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Definiciones

• Condición de pérdida de paso polar (out-of-step
  condition)
• Oscilación de potencia inestable.
• Centro eléctrico del sistema o tensión cero
  (electrical system center or voltage zero)
• Es el punto o puntos del sistema eléctrico donde
  la tensión se hace cero durante una oscilación de
  potencia inestable.

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Fenómeno

• El sistema de potencia, en régimen estacionario,
  opera muy cerca de su frecuencia nominal y las
  magnitudes de las tensiones en las diferentes
  barras no varían más de un 5.
• Existe una balance entre la potencia activa y
  reactiva generada y la consumida.

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Fenómeno

• Cualquier cambio en la potencia generada,
  potencia demanda o en el sistema de potencia
  causa cambios en la potencia del sistema,
  oscilando hasta alcanzar otro punto de equilibrio
  entre la generación y la carga.
• Estos cambio ocurren permanentemente y son
  compensados por los sistemas de control.

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Fenómeno

• Faltas en el sistema de potencia
• Conexiones de líneas de trasmisión
• Desconexiones de generadores
• Pérdida o aplicación de grandes bloques de carga
• Causan
• Oscilaciones de potencia

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Fenómeno

• Dependiendo de la perturbación y de la acción de
  los controladores las oscilaciones pueden ser
• Estables
• Inestables

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Fenómeno

• La oscilación de potencia puede hacer que la
  impedancia vista por un relé entre en su
  característica de operación.
• La operación de estos relés puede hacer que
  salgan de servicio líneas de trasmisión u otros
  componentes, haciendo más débil el sistema,
  aumentando la gravedad de la perturbación.

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Fenómeno

• Los relés de distancia propensos a operar durante
  una oscilación de potencia deben ser bloqueados
  temporalmente.
• En los relés de distancia modernos se tienen
  disponibles las funciones
• PSB Bloqueo por oscilación de potencia (power
  swing blocking).
• OST Disparo por oscilación de potencia
  (out-of-step tripping).

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Fenómeno

• PSB Bloqueo por oscilación de potencia
• Esta función diferencia entre una falta y una
  oscilación de potencia.
• Bloquea el relé de distancia, previene el
  disparo durante una oscilación de potencia.
• Debe detectar y despejar las faltas que ocurren
  durante una oscilación de potencia.

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Fenómeno

• El disparo indebido de interruptores durante una
  oscilación de potencia puede causar daño al
  equipamiento y contribuir al apagón en varias
  áreas del sistema.
• Es necesario, el disparo controlado de ciertos
  elementos en determinados puntos del sistema para
  evitar daño al equipamiento y minimizar los
  efectos de la perturbación.

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Fenómeno

• OST Disparo por oscilación de potencia
• Esta función diferencia entre una oscilación
  estable de una inestable.
• Permite disparar algunos elementos del sistema
  para evitar el daño de los equipos y que la
  perturbación se extienda por el sistema.

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Fenómeno

• Con la separación del sistema en áreas no siempre
  se alcanza el balance generación-carga, en cada
  una de ellas.
• En estos casos, se implementa un sistema de
  rechazo de carga o disparo de generación, para
  evitar el apagón en esas áreas.

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

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Métodos para la detección Convencionales

• Se basan en el cálculo de la impedancia de
  secuencia positiva.
• Régimen estacionario la impedancia medida es la
  impedancia de carga.
• Durante una falta la impedancia se mueve rápido
  desde la impedancia de carga hasta la de falta.
• Oscilación de potencia la impedancia se mueve
  lento.

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Métodos para la detección Convencionales

• Los esquemas convencionales de PSB utilizan la
  diferencia en la velocidad de la impedancia para
  diferenciar entre una falta y una oscilación de
  potencia.

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Métodos para la detección Convencionales

• Características concéntricas
• Para medir la velocidad de la variación de la
  impedancia, mide el tiempo que requiere la
  impedancia para atravesar dos características
  concéntricas de impedancia.
• La detección de la oscilación de potencia se
  realiza antes que la impedancia entre en la
  característica de operación.

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Métodos para la detección Convencionales
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Métodos para la detección Convencionales

• Características blinder (2 rectas)
• Para medir la velocidad de la variación de la
  impedancia, mide el tiempo que requiere la
  impedancia para atravesar dos rectas.
• Se optimiza el esquema si las rectas son
  paralelas a la impedancia de la línea.

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Métodos para la detección Convencionales
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Métodos para la detección Convencionales

• Características blinder (1 recta)
• Este tipo de esquema se utiliza como OST.
• Este esquema retrasa el disparo hasta que la
  oscilación ya pasó los 180 y están volviendo a
  ponerse en fase las tensiones.

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Métodos para la detección Convencionales

• Características
• Este tipo de esquema se utiliza como OST.
• Algoritmo que describe el esquema

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Métodos para la detección Convencionales
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Métodos para la detección Adicionales

• Cálculo continuo de la impedancia
• Este método determina la condición de oscilación
  de potencia calculando la impedancia en forma
  continua.
• Calcula la impedancia cada 5ms y se compara con
  la calculada 5ms antes.

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Métodos para la detección Adicionales
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Métodos para la detección Adicionales

• Cálculo continuo de la impedancia ?t 5 ms
• N-1
• Cálculo de Zv_N-1
• N
• Cálculo de Zv_N
• Predicción de Zv_N1_esperada, según Zv_N,
  Zv_N-1 y ?t
• N1
• Cálculo de Zv_N1
• Comparación de Zv_N1 con Zv_N1_esperada
• Determinación de si hay oscilación de potencia
• Predicción de Zv_N2_esperada, según Zv_N1,
  Zv_N y ?t

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Métodos para la detección Adicionales

• Sincrofasores
• En una oscilación de potencia el ángulo de las
  tensiones de las barras reflejan cambios en la
  velocidad de rotación.
• Actualmente se puede medir en forma sincronizada
  los ángulos de diferentes barras del sistema.
• Cuando se detecta oscilación de potencia, se
  realiza una separación del sistema o un rechazo
  de carga.

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Métodos para la detección Adicionales

• Sincrofasores
• Considerando un sistema con dos máquinas, medir
  ?d y calcular en tiempo real el criterio de igual
  área, para determinar establilidad o no.
• Usar algoritmos predictivos de la variación de
  d(t) y comparar con la medida de los
  sincrofasores en barras estratégicas.

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Métodos para la detección Adicionales

• Centro de oscilación SCV (swing center voltage)
• SCV se define como el punto del sistema
  (equivalente de 2 fuentes), donde la tensión es
  cero y el ángulo entre los sistemas es d 180.
• Este punto se puede aproximar por
• donde VS tensión local, j ángulo entre la tensión
  y corriente.

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Métodos para la detección Adicionales
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Métodos para la detección Adicionales

• Centro de oscilación SCV
• La derivada de SCV1 es

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Métodos para la detección Adicionales

• Centro de oscilación SCV

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Filosofía de protección ante osc. de potencia

• La filosofía para la aplicación de los esquemas
  PSB y OST es
• Evitar dispara cualquier elemento del sistema
  durante una oscilación de potencia estable.
• Proteger el sistema de potencia durante
  oscilaciones inestables.
• Se debe diseñar un sistema de disparo para
  separar en áreas el sistema, en condiciones de
  oscilación de potencia inestables.

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Filosofía de protección ante osc. de potencia

• Los esquemas de disparo por oscilación de
  potencia están diseñados para proteger el sistema
  durante oscilaciones inestables, separando en
  áreas, de manera de mantener la estabilidad
  dentro de cada área.
• Los esquemas de disparos deben estar instalados
  cerca del centro eléctrico del sistema, para
  mantener el balance entre generación y carga.
• Los esquemas de disparo deben evitar disparar
  cuando el ángulo entre los sistemas es cercano a
  180.

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Filosofía de protección ante osc. de potencia

• Los esquemas de disparo OST están acompañados con
  esquemas de bloqueo PSB para evitar disparos
  indeseados.
• Los esquemas de bloqueo son instalados en otros
  puntos del sistema, para evitar la separación del
  mismo de manera no controlada.
• Estos esquemas están acompañados con sistemas de
  rechazo de carga y disparo de generación.

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Bibliografía

• Power Swing and Out-of-Step Considerations on
  Transmission Lines IEEE PSRC WG D6 Mike
  McDonald, Demetrios 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, D. Hou y D. Tziouvaras.