Mejora de la operación de instalaciones eléctricas aplicando tecnologías de simulación

Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids

Autores

• Rubén Jimeno Morón, Ingeniero de Simulación, Tecnatom
• Ramón Izquierdo Martín, Ingeniero de Simulación Máster, Tecnatom

Resumen

La transición energética conlleva cambios profundos en el sistema eléctrico que modifican el comportamiento de los activos de la red requiriendo acciones sobre ellos. Especial atención requieren los activos críticos, destacando las subestaciones y los centros de transformación. La solución propuesta se apoya en un entorno de entrenamiento basado en simuladores para formar a los operadores de instalaciones eléctricas aeroportuarias, con el objetivo de mejorar la ejecución de maniobras locales, así como las operaciones remotas desde sala de control. De esta forma se refuerzan las habilidades técnicas y prácticas de los equipos de trabajo, reduciendo los tiempos de corte de suministro eléctrico y el impacto negativo que ello conlleva. Con los resultados obtenidos, esta solución se presenta como una plataforma idónea para la formación y entrenamiento para personal de subestaciones eléctricas.

Palabras clave

Simulación, Entrenamiento, Subestaciones, Centros de Transformación, Maniobras Locales, Cabinas Eléctricas, Sala de Control, SCADA

Introducción

Debido al cambio de paradigma en el sistema eléctrico conocido hasta ahora, con una configuración basada en numerosas plantas de generación de poca potencia, descentralizadas, con transporte basado en infraestructuras de menor escala y una distribución de la electricidad bidireccional debido a un consumidor con un rol más activo, se incrementarán las solicitaciones sobre diferentes activos de la red con el consiguiente potencial aumento de incidentes y acciones requeridas para solventarlos.

Unos de los activos más críticos son las subestaciones y los centros de transformación, siendo clave garantizar su disponibilidad para las nuevas exigencias de la red. Por otro lado, existe consenso entre las distribuidoras europeas sobre los elevados costes en personal y económicos asociados al desplazamiento de especialistas a las diferentes subestaciones o centros de transformación que están a lo largo de toda la red para reparaciones, mantenimiento o maniobras de operación.

Como resultado, se identifica la necesidad de tener un entorno de entrenamiento, tanto para el personal destinado a trabajos de campo como para el de las salas de control, con el objetivo principal de reforzar sus habilidades técnicas y su experiencia operativa.

Los simuladores de alcance total de instalaciones eléctricas suponen una de las herramientas más eficientes para el aprendizaje de descripciones técnicas y procedimientos de operación y mantenimiento de los diversos equipos de las subestaciones eléctricas. En ellos los operadores se forman tanto para maniobras locales realizadas en cabinas o armarios eléctricos, como para acciones realizadas desde la sala de control.

Objetivo del proyecto

Los desarrollos que se han realizado y se explicarán son simuladores genéricos de instalaciones eléctricas de media y baja tensión de los aeropuertos de AENA. La propia AENA, impulsada por su carácter proactivo en la formación de su personal, identificó la necesidad de disponer de una herramienta tipo “simulador de entrenamiento” para:

• Capacitar al personal asignado en la correcta operación de sus instalaciones eléctricas
• Validar y establecer buenas prácticas de operación
• Asegurar la eficacia de la operación y la seguridad de la instalación, homogeneizando los modos operativos

Adicionalmente, la solución propuesta también podría utilizarse para actividades de ingeniería asistida por simulación, tales como:

• Verificación de procedimientos de operación.
• Ingeniería de diseño y de operación.
• Simulacro de accidentes y situaciones de emergencia.
• Validación de modificaciones en los Sistemas de Instrumentación y Control (tales como SCADA).
• Evaluación de otros cambios de diseño en la instalación.

Alcance del simulador

El proyecto descrito en este documento tiene como objeto el desarrollo del proyecto SILA (Simulador de Instalaciones ELéctricas Aeroportuarias), basado en un simulador que debe modelar todos los Sistemas Eléctricos de 3-20 kV que son controlados y vigilados por los operadores.

El alcance de las operaciones simuladas contempla:

• Todas las actuaciones que se realizan desde los módulos de mando de los sistemas SCADA y paneles de grupos diésel de emergencia, existentes en la Sala de Control. La interacción del usuario con el simulador se realiza a través de una Interfaz de Usuario Gráfica (o Human Machine Interface‎ (HMI)), réplica adaptada del HMI original proporcionado por los Sistemas SCADA.
• Todas operaciones locales (apertura-cierre de cabinas, carga de muelles, rearme de protecciones, etc.) desde las cabinas y paneles locales situados en las 2 subestaciones de transformación, los 20 centros de transformación y un sistema de baja tensión de un edificio, cuyas localizaciones están repartidas por todo el aeropuerto. La interacción del usuario con el simulador se realiza a través de paneles virtuales.

Los modos de operación objeto del alcance del simulador son:

Operación normal: Maniobras de apertura/cierre de componentes de la instalación, tanto manual como automática, arranque y sincronización a barra en operaciones de forma automática, secuenciador de cargas, arranque y acoplamiento manual a barra, etc.

Anomalías-malfunciones simuladas en los componentes de la instalación:

• Cortocircuito en barra.
• Cortocircuito en línea de anillo.
• Actuación de protecciones de celda.
• Actuación de protecciones de transformadores.
• Actuación de protecciones de interruptor.
• Fallo en mecanismo de disparo (o de cierre) de interruptor.
• Sobrecarga en centros de consumo.
• Variación de potencia en cargas.
• Defectos en grupos diésel de emergencia.

Algunos de los sistemas simulados son 2 subestaciones de transformación (centrales eléctricas), 2 embarrados de 20 kV, 2 embarrados de 3 kV, 2 embarrados de emergencia, 1 embarrado de continuidad, 20 centros de transformación, 9 anillos, con un total 39 sistemas.

Algunos de los equipos simulados son 37 barras de alta tensión, 25 barras de baja tensión, 41 transformadores, 29 líneas de red de suministro, 7 grupos de emergencia, 2 grupos de continuidad, 175 cabinas de alta tensión, interruptores de baja tensión, cargas (agrupadas por barra), 1 UPS (Uninterruptible Power Supply) y transformadores de medida.

Metodología y tecnología aplicada en la solución

Los sistemas y equipos de la instalación se han simulado a través de modelos matemáticos, mediante el uso de diferentes herramientas generadoras tipo ‘model builder’, que permiten obtener el grado de fidelidad requerido para la definición de las maniobras del simulador.

Se han reutilizado los mismos programas, software, y ficheros de datos existentes en los ordenadores SCADA de las diferentes instalaciones eléctricas, y se han estimulado para el funcionamiento de estos sistemas en el propio simulador. El número de señales que intercambian los modelos de simulación con la interfaz de usuario SCADA supera las 3000 señales de entrada/salida tanto analógicas como digitales.

En la siguiente figura se muestra un unifilar del SCADA con el que trabajan y maniobran los operadores en la Sala de Control.

El Simulador cumple con los criterios establecidos de fidelidad física de los elementos de la instalación, disponiendo de una interfaz de usuario basada en pantallas gráficas del tipo ‘panel virtual’, basadas en una simulación fotográfica con capacidad de actuación sobre el proceso simulado.

Por tanto, el usuario tiene acceso a diversas funciones de visualización y operación a través de una emulación gráfica de las cabinas (más de 70 tipos), paneles de los grupos de emergencia y mandos de actuación (más de 3800 instrumentos, incluyendo luces, pulsadores, placas, palancas, manetas, indicadores, etc.).

El diseño de los paneles virtuales tiene en cuenta, además de la representación del proceso asociado a un sistema determinado, la ubicación en la instalación y un acceso sencillo al resto de los diagramas del simulador.

La interfaz de mandos de cabinas locales se distribuye según un esquema jerárquico de acceso a los diferentes niveles accesibles entre sí, los cuales permitirán localizar todos los edificios de una forma sencilla.

Por un lado, se tienen los niveles donde no se pueden ejercer labores de operación: Nivel 1 (plano general de todas las instalaciones), Nivel 2 (planos de los edificios) y Nivel 3 (conjunto de las cabinas).

Por otro lado, el Nivel 4, dónde se realiza la operación (operación en cabinas).

En las siguientes figuras se muestran los diferentes niveles y el método de navegación entre ellas para el entrenamiento.

• Nivel 1 (Plano General). Plano donde se ven todas las instalaciones eléctricas, a las cuales se puede acceder mediante su pulsación.

• NIVEL 2 (Edificios). Plano de todas las cabinas, armarios, paneles, transformadores, etc. del edificio seleccionado en el nivel 1.

• NIVEL 3 (Conjuntos de cabinas). Plano del conjunto de cabinas seleccionado en el nivel 2. Se presenta una interfaz basada en fotos reales del frontal del grupo de cabinas seleccionadas en la cual las luces, placas de señalización, indicadores, llaves, mandos están dinamizados para tener una visión general de las cabinas, pero no se permite la operación de los mandos.

• NIVEL 4 (Operación de cabinas). En este nivel todos los elementos están simulados-dinamizados pudiendo el usuario operar los elementos de entrada (manetas, pulsadores, palancas, llaves, etc.) y actualizándose los elementos de salida (indicadores, placas de señalización, luces, etc.) de acuerdo con los cálculos de los modelos de simulación.

Finalmente, para el entrenamiento del personal de operación, se ha configurado una sala de control distinguiendo tres ambientes diferenciados de entrenamiento.

• Puesto del instructor: diseñado para la administración, control y supervisión de las sesiones de entrenamiento.
• Puesto del alumno (sala de control): la cual tendrá lugar la operación sobre una interfaz gráfica SCADA réplica de sala de control y una operación sobre una representación gráfica de paneles de los grupos de emergencia diésel.
• Puesto de alumno (cabinas locales): proporcionando la posibilidad de operar paneles locales, sobre una representación gráfica de los mismos.

Resultados y conclusiones

Desde la implantación del simulador en las instalaciones de AENA se han formado en él más de 500 técnicos, que han identificado como uno de los puntos fuertes del entrenamiento con simuladores de alcance total, la mejora en la destreza a la hora de realizar distintas operaciones en las cabinas o equipos eléctricos. Lo que ha aumentado significativamente su confianza a enfrentarse a estas operaciones, las cuales implican un alto grado de peligrosidad.

Estos resultados prometedores nos indican que el uso de simuladores para formación y entrenamiento del personal de subestaciones y centros de transformación es una tecnología apropiada para poder cualificar en ellos a personal cercano de las diferentes instalaciones, minimizando los desplazamientos de especialistas y por tanto sus costes derivados, para realizar labores de reparación, mantenimiento y maniobras de operación.

Esta mayor seguridad y cualificación del personal incidirá en minimizar el número de incidentes y acciones ocurridos en estos emplazamientos, lo que garantizará su mayor disponibilidad para las nuevas exigencias de la red.

La simulación tan fidedigna conseguida de la instalación de referencia, gracias a avanzadas tecnologías de simulación, son la base sobre la que realizar desarrollos escalables que desemboquen en el diseño de Digital Twins tanto de equipos, instalaciones como redes eléctricas, que contribuyan a un mejor diseño, planificación, operación y mantenimiento de las Smart Grids.

Referencias

• Tecnatom
• Innovation landscape for a renewable-powered future: solutions to integrate variable renewables, International Renewable Energy Agency (IRENA), febrero 2019
• Smart Grid System Report November 2018.pdf – Energy.gov
• Enhancing the Resilience of the Nation’s Electricity System (2017), Chapter: 6 Restoring Grid Function After a Major Disruption
• JRC SCIENCE FOR POLICY REPORT – Power grid recovery after natural hazard impact