Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Quintín Corrionero Salinero, EDP HC Energía
- Pablo Nicolás Álvarez, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Oviedo
- José Coto Aladro, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Oviedo
Resumen
EDP HC Energía y la Universidad de Oviedo están desarrollado un sistema de localización de faltas en las redes de distribución de esta compañía. El sistema asume como principales requerimientos su eficiencia, su universalidad y su bajo coste. El sistema se basa en el cálculo, mediante una metodología propia desarrollada a lo largo del proyecto, de la impedancia equivalente de la falta vista desde la subestación y su confrontación con la impedancia de la red monitorizada, dando como resultado la localización de la falta. El sistema está actualmente instalado y en periodo de pruebas en la red de distribución de la zona de Cangas de Narcea. En la comunicación se detallan los algoritmos y herramientas desarrolladas así como los resultados de su implantación en la red de distribución de la compañía.
Introducción
Para las compañías distribuidoras de energía eléctrica resulta fundamental asegurar excelentes índices de calidad de suministro de energía eléctrica. En este contexto, la continuidad del servicio y los tiempos de reposición resultan parámetros fundamentales que es necesario optimizar.
La localización de faltas en redes eléctricas ha resultado desde hace años un aspecto de gran interés para los ingenieros e investigadores, concentrándose los esfuerzos en la localización de defectos en las líneas de transporte debido a su gran impacto en la explotación de los sistemas y al elevado tiempo de localización física de un defecto en líneas mucho más largas que en el caso de distribución. Actualmente, la localización de defectos en la red de distribución ha despertado un gran interés entre las compañías debido a las mayores exigencias de calidad de suministro, así como un ambiente empresarial más competitivo. El desarrollo e implantación de este tipo de sistemas conllevará una mejora en la continuidad del servicio y en los tiempos de reposición, lo que se traduce en una mejora de la calidad del servicio.
Entre los beneficios que un sistema de localización de faltas puede aportar a la explotación de redes de distribución cabe destacar:
- Reducción en el tiempo de localización de la falta, tarea actualmente desarrollada de forma manual por las brigadas de reparación.
- Reducción del tiempo de resolución de incidencias.
- Reducción de los costes de operación. La rápida localización permite a las brigadas comenzar y realizar los trabajos de reparación en tiempos menores. Los costes de operación también disminuyen al reducirse el número total de brigadas en espera.
- Aumento de la satisfacción del cliente, debido a una reducción en el tiempo de resolución de las incidencias.
- Optimización del mantenimiento preventivo. La identificación de zonas con un número alto de faltas transitorias permite programar mantenimiento preventivo como poda de árboles o termografía.
En este artículo se presenta el desarrollo e implantación de un sistema integral de localización y clasificación de faltas para el Sistema de Distribución de HC Energía para un régimen de explotación de neutro puesto a tierra a través de una resistencia limitadora de la corriente de la falta. El sistema usa los registros de las tensiones y corrientes medias en la subestación de cabecera de cada línea, proporcionado información sobre la pre-falta y la falta que permite calcular la impedancia de defecto así como descriptores para la clasificación de la falta. Se propone una técnica para mejorar la localización de faltas fase-tierra donde la resistencia del defecto es elevada (mayor de los 50 ohmios).
Los requisitos pedidos al sistema a desarrollar son:
- Eficacia. El sistema debe ser capaz de localizar y clasificar las faltas en las redes en que se implemente con una capacidad de resolución suficiente para reducir los tiempos de reposición de servicio actuales y el TIEPI de la compañía, en cualquier escenario de explotación de la red considerada y responder de forma efectiva a los cambios en la topología que la red pueda sufrir.
- Universalidad. El sistema debe ser capaz de ser implementado de forma sencilla en cualquiera de las redes de distribución de la compañía, independientemente de su topología y sus condiciones técnicas de explotación.
- Bajo coste. El sistema debe aprovechar en la mayor medida posible los equipos y dispositivos con los que actualmente cuenta la compañía.
- Facilidad de implementación. El nivel de intrusismo necesario en las instalaciones necesario para su implementación debe ser el mínimo posible.
Para el desarrollo de este proyecto, EDP ha contado con financiación del Plan de Ciencia, Tecnología e Innovación del Principado de Asturias, cofinanciado con fondos FEDER de la Unión Europea, IE13-051- LOCALIZA 2013.
Descripción solución
En esta exposición se propone un sistema de recogida en tiempo real de la información de las faltas ocurridas en líneas de distribución que permita un rápido tratamiento y resolución de los incidentes. La recogida de la información de falta se basa en dispositivos electrónicos inteligentes (IEDs) [1]-[2] existentes en el mercado y ampliamente utilizado por las compañías de distribución eléctrica. Estos equipos además de realizar la función de protección son capaces de monitorizar los parámetros eléctricos de la instalación protegida antes, durante y después del incidente. Estos equipos de protección (IEDs) pueden estar situados en una subestación o en un centro de reparto e instalados en la cabecera de cada línea o “feeder”.
La información recogida por el IED instalado en el “feeder” de la línea es agrupada en dos tipos:
- Información del disparo: tipo y magnitud de la corriente máxima de cortocircuito de las fases en falta expresada en amperios.
- Registro osciloperturbógrafo: donde se registran las formas de onda de las intensidades y tensiones de fase, junto a señales digitales asociadas a la actuación de la protección.
En la figura 1 se muestra un esquema general del sistema implementado. Los IEDs están comunicados con la UCS (Unidad Central de la Subestación). Esta unidad se encarga de la monitorización y almacenaje de todos los eventos que sucedan en cada una de las líneas de la subestación o centros de reparto que tenga asociados. Todos los datos recogidos por el IED se almacenan localmente en el propio equipo. En este punto, es necesario tener en cuenta que la limitada capacidad de almacenamiento que presentan los IEDs provocaría la pérdida de información de incidentes relevantes. La solución adoptada ha obligado al desarrollo de una aplicación local en la UCS (Unidad de Control de la Subestación) que, tras producirse un incidente, descargue la información en un repositorio local evitando de esta manera la pérdida de información. Dicho repositorio se replica en un repositorio central ubicado en el sistema DMS (Distribution Management System), para permitir a los operadores el acceso a dichos oscilos. El DMS se encarga de la monitorización y control de la red de distribución. La UCS envía toda la información del disparo, usando el mismo canal de comunicaciones existente para el envío de la información de telecontrol hacía el sistema DMS.
La información del disparo se almacena en formato COMTRADE (Common format for Transient Data Exchange for power systems) [3]. Este formato sigue el estándar IEEE C37.111-1991, usado por la mayoría de los programas de visualización y análisis de faltas.
En el momento en que la protección del IED actúa, la aplicación integrada en la UCS detecta dicha actividad, solicitando de forma inmediata la información del disparo al IED (ver figura 1) para ser enviada al DMS. En este punto el operador del despacho de distribución puede disponer de forma inmediata de la información referente al tipo de disparo producido y la intensidad de cortocircuito. Esta información permite al operador actuar en consecuencia en base a los protocolos de actuación del despacho establecidos por la compañía eléctrica. A la vez esa misma información es enviada al algoritmo de cálculo que permite estimar la localización de la falta producida.
El algoritmo de cálculo se aloja en un servidor dedicado exclusivamente a esta tarea. En el momento que recibe la información de la falta eléctrica solicita la topología de la red y el modelo de la red al DE400 del DMS que es la herramienta de ingeniería de datos del DMS. La salida del “algoritmo de cálculo” definirá los segmentos o tramos de línea en los cuales es más probable que se localice el defecto. Esta información será cargada tanto en el DMS, para que el operador de la red pueda actuar, como en el GIS (Graphic Information System) para que la brigada encargada de reparar el defecto tenga la información cartográfica de su localización.
Método de localización del defecto
Los métodos de localización de faltas relatados en la literatura técnica, pueden ser agrupan en categorías: métodos basados en el conocimiento y métodos basados en el modelo. Los métodos de localización de faltas basados en el modelo fundan sus resultados en la medida de la componente fundamental o componentes simétricas de la intensidad y la tensión en los puntos de medida. Estos métodos presentan como principal ventaja su simplicidad y su bajo coste. Por su parte, los métodos basados en el conocimiento requieren disponer de una gran cantidad de registros de incidentes para “entrenar” el algoritmo y por lo general, no permiten adoptar soluciones universales aplicables a cualquier subestación o feeder en la red. Para este sistema se ha optado por utilizar métodos basados en el modelo por su simplicidad y bajo coste. En la bibliografía se puede encontrar un amplio análisis de distintas metodologías, [4]-[5]-[6]-[7]-[8]. El mayor inconveniente derivado de los métodos basados en el modelo es que requieren un modelado de la red muy preciso, tarea también abordada en este proyecto.
Además, estos métodos pueden dar como resultado múltiples localizaciones, como consecuencia de la alta ramificación que presentan las redes de distribución. Esta alta ramificación puede dar lugar a varios tramos de la línea con la misma impedancia vista desde el feeder. Para convertir estas soluciones múltiples no adyacentes en una solución simple es necesario el uso de un sistema adicional a la localización de la falta. En el sistema desarrollado, y dado el amplio despliegue de detectores de paso de falta en las redes de la compañía, este método de discriminación de las soluciones no factibles resulta suficientemente preciso.
Modelado de la red
Las características intrínsecas de las líneas de distribución: no homogeneidad, tipología radial, alta ramificación y cargas intermedias, son factores que hacen que el modelado de la red sea una tarea complicada.
Para realizar el modelado se ha desarrollado una aplicación que realiza los cálculos de los parámetros eléctricos de cada tramo de línea tanto aéreo como subterráneo. El cálculo de los parámetros eléctricos de líneas áreas se ha determinado utilizando los parámetros geométricos del apoyo y el tipo de conductor mientras que para líneas subterráneas se han utilizado las características y dimensiones del cable junto con el tipo de tendido. Todos los parámetros eléctricos de las líneas se calculan mediante las ecuaciones de Carson [9].
El sistema desarrollado permite obtener en tiempo real y a demanda del usuario mediante consulta al DMS, la topología de la línea considerada y las características geométricas y técnicas de cada uno de los segmentos que la conforman, realizando el cálculo de los parámetros eléctricos de la línea en falta.
Resultados
Para determinar la precisión de los métodos utilizados sin la necesidad de esperar a la ocurrencia de faltas reales, se ha modelado en DigSilent Power Factory varias líneas de la red de distribución objeto de estudio. Con el modelo de las líneas, es posible simular varios tipos de falta en distintas localizaciones a lo largo de la red y determinar la precisión de los métodos utilizados así como sus sensibilidades. En la Figura 2 se muestran los errores medios obtenidos en las simulaciones en función de la resistencia de falta:
La figura 3 es un ejemplo real de un registro osciloperturbógrafico de una falta monofásica a tierra. En él se pueden observar las intensidades por las fases y la intensidad homopolar registradas por el IED.
En la figura 3 se puede ver la vista que tendría el operador del despacho de distribución. Previamente al sistema de localización de faltas, la forma tradicional de localizar este tipo de averías consistía en enviar una brigada a recorrer la línea haciendo pruebas hasta dar con la localización de la avería. En este caso, la longitud total de la línea es de 14,5km mientras que la avería se produjo a 13,5km, casi al final de la misma. Actualmente, con la información proporcionada por el sistema de localización se consigue una gran disminución en el tiempo de reparación de la avería y por lo tanto una mejora en la continuidad del suministro eléctrico.
En la Figura 5 se muestra un lisado de faltas reales registradas durante la puesta en marcha del sistema de localización. En la tabla se destacan las faltas para las que el sistema obtuvo de forma exacta la localización del segmento de línea en el que se produjo la falta. Cabe destacar que existen varios defectos para los cuales es dificil de determinar la localización real de la falta, ya que en muchas ocasiones el defecto desaparece tras el disparo, por lo que las líneas admiten el reenganche, impidiendo encontrar evidencias del defecto previo al recorrer la línea. En estos casos resulta imposible determinar el margen de error cometido por el sistema de localización ya que no se dispone de la ubicación real.
Conclusiones
El sistema de localización de faltas en redes de distribución actualmente en desarrollo en HC Distribución está obteniendo resultados muy precisos en la identificación del tramo de red afectado por un incidente, especialmente en el caso de faltas monofásicas deba resistencia de defecto, bifásicas y trifásicas, por lo que se ha convertido en una herramienta fundamental para la operación y mantenimiento de la red, reduciendo considerablemente los tiempos de reposición de servicio.
Actualmente el proyecto está acometiendo distintas mejoras de los algoritmos que afectan a distintos factores de la metodología desarrollada:
- Parámetros de la línea: En muchos casos las bases de datos de instalaciones no cuentan con datos precisos sobre el tipo de cable, tipo de apoyo y/o armado, etc. de los segmentos lo que compromete el cálculo de la impedancia.
- Resistividad del terreno. El valor de la resistividad del terreno afecta al valor de los parámetros, principalmente a la reactancia homopolar, que tiene especial relevancia en faltas monofásicas.
- Cables subterráneos: los resultados obtenidos por los métodos de localización utilizados para faltas monofásicas en redes puramente subterráneas no son lo suficientemente precisos como consecuencia de los retornos de corriente por las pantallas de otros cables adyacentes.
- Grupos de Generación: Los generadores distribuidos, que aportan energía a la falta, deben ser tenidos en cuenta en la metodología de localización.
- Osciloperturbógrafos complejos: en ocasiones, los osciloperturbógrafos registrados presentan transitorios muy complejos que deben sufrir un tratamiento especial para obtener las medidas de corriente y tensión que permitan localizar la falta.
Referencias
- [1] Control y protección de líneas de ABB: www.abb.es/product/es/9AAC30200300.aspx?country=ES
- [2] Oy, A., 2013, 615 series Technical Manual.
- [3] Oy, A., 2005, Feeder Terminal REF54_,Technical Reference Manual, General.
- [4] R. Das, 1998, Determining the locations of faults in distribution system.
- [5] Tenschert W., 1993, Fault location using fault distance measurement of digital relays.
- [6] Saha M., Provoost F. & Rosolowski E., 2001, Fault location method for MV cable network.
- [7] Novosel D., Hart D. & Hu Y., 1998, System for locating faults estimating fault resistance in distribution with tapped loads.
- [8] Oy, A., Distribution Automation Handbook, Impedance-based Fault Location.
- [9] Hermann W. Dommel, 1996, EMTP Theory Book.