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PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERÍA INDUSTRIAL ESTUDIO DE SISTEMAS PROTECTIVOS EN REDES ELÉCTRICAS EN ALTA TENSIÓN. ESTUDIO Y MEJORA DE PROCEDIMIENTOS PARA EL ANÁLISIS DE INCIDENTES MENCIÓN: SISTEMAS ELÉCTRICOS AUTOR VÍCTOR MANUEL PERALES GRACIA DIRECTOR FRANCISCO JAVIER GRACIA GÓMEZ PONENTE MIGUEL GARCÍA GRACIA Zaragoza, Julio 2011 Endesa Distribución Eléctrica, S.L. Departamento de Protecciones y Telecontrol Departamento de Ingeniería Eléctrica UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Agradecimientos Deseo expresar mi gratitud a todas las persona que han hecho posible la consecución de este trabajo Proyecto Fin de Carrera gracias a su colaboración. En primer lugar quisiera agradecer a Francisco Javier Gracia y Jesús Nievas por su apoyo, consejo e interés mostrado a lo largo de la realización de este proyecto. Quisiera agradecer a mi ponente de proyecto, Miguel García, sin cuya ayuda no habría sido posible la realización del proyecto. De igual forma quiero expresar mi agradecimiento al personal de ENDESA - Aragón Subestaciones Aragón, por los medios que me han proporcionado para la ejecución de este proyecto. Quisiera expresar mi gratitud a mi madre Mª Carmen, con su apoyo en cualquier momento no hubiera sido capaz de terminar mi etapa universitaria, y a mi tío Antonio por su presencia en los momentos más duros en los últimos años. De igual manera agradecer a mis amigos su ayuda en los momentos difíciles para poder superarlos y llegar al día de hoy. Por último, acordarme de mi padre, de su ilusión. A todos ellos, gracias ESTUDIO DE SISTEMAS PROTECTIVOS EN REDES ELÉCTRICAS EN ALTA TENSIÓN. ESTUDIO Y MEJORA DE PROCEDIMIENTOS PARA EL ANÁLISIS DE INCIDENTES RESUMEN El presente Proyecto Fin de Carrera se centra en la optimización del análisis de incidentes dentro de Endesa – Aragón, empresa donde se ha enmarcado la realización de dicho proyecto. Además, el presente proyecto contempla una inicial visión de las perturbaciones existentes en la red eléctrica, sistemas de protección utilizados en Endesa – Aragón para eliminar y/o minimizar los efectos derivados de los diferentes tipos de faltas que pueden producirse. Las redes eléctricas están sujetas a perturbaciones que provocan falta de suministro de energía eléctrica a los usuarios. La peligrosidad de los diferentes tipos perturbaciones condicionan las instalaciones eléctricas. Los sistemas de protecciones están destinados a minimizar los efectos de las perturbaciones sobre las redes eléctricas. Las actuaciones de dichos sistemas de protección han de analizarse para evaluar su correcto o incorrecto comportamiento, determinar las causas del mal comportamiento, en su caso, y proponer las medidas correctivas. Los registros de eventos y oscilografía que registran las actuales protecciones digitales ofrecen una gran ayuda para el análisis de su comportamiento. La oscilografía es un método que registra el relé de protección la falta que ha provocado su actuación. Mediante el análisis de oscilografía se consigue la identificación de anomalías en relés de protección. La tipificación de la oscilografía facilita la identificación del incidente. En este proyecto se ha creado una librería tipificada de faltas para su uso en el análisis de incidente y poder identificar el tipo de falta a simple vista de un oscilo. Las empresas eléctricas, y en Endesa en concreto, dispone de un área que incluye la responsabilidad del análisis de incidentes. Es necesario de disponer de las herramientas y procedimientos adecuados y optimizados para el registro, análisis y seguimiento de los incidentes. Las herramientas de apoyo desarrolladas en este proyecto permiten optimizar el tiempo dedicada al análisis de incidentes. ÍNDICE MEMORIA................................................................................................................................. 11 Capítulo 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1 1.1. PLANTEAMIENTO Y JUSTIFICACIÓN DE PROYECTO .................................................................... 1 1.2. LÍNEAS GENERALES .................................................................................................................... 2 1.3. OBJETIVOS Y ALCANCE ............................................................................................................... 2 1.4. DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO .................................................................................................. 3 Capítulo 2. TIPOS DE CORTOCIRCUITOS EN ALTA TENSIÓN ..................................................................... 5 2.1. DEFINICIÓN ................................................................................................................................ 5 2.2. TIPOS DE CORTOCIRCUITOS ....................................................................................................... 5 2.3. CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS ................................................................................................. 8 Capítulo 3. SISTEMAS DE PROTECCIÓN EN ENDESA - ARAGÓN ............................................................... 9 3.1. DESCRIPCIÓN .............................................................................................................................. 9 3.2. CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN ................................................................ 10 3.3. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN ........................................................................ 11 3.4. FUNCIONES DE PROTECCIÓN ................................................................................................... 12 3.4.1. Protección distancia ............................................................................................................ 12 3.4.2. Protección de sobreintensidad no direccional .................................................................... 12 3.4.3. Protección de sobreintensidad direccional ......................................................................... 13 3.4.4. Protección diferencial longitudinal ..................................................................................... 13 3.4.5. Protección diferencial de transformador ............................................................................ 13 3.4.6. Protección diferencial de barras ......................................................................................... 13 3.4.7. Protección de sobretensión y subtensión ........................................................................... 14 3.4.8. Protección de frecuencia ..................................................................................................... 14 3.4.9. Automatismo de reenganchador ........................................................................................ 14 3.4.10. Automatismo de sincronismo .............................................................................................. 14 3.4.11. Codificación de protecciones ............................................................................................... 14 3.5. CRITERIOS DE ACTUACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN EN LA RED ALTA TENSIÓN ENDESA .................................................................................................................................... 15 Capítulo 4. ANÁLISIS DE INCIDENTES ELÉCTRICOS EN ALTA TENSIÓN .................................................... 17 4.1. NECESIDAD DEL ANÁLISIS DE INCIDENCIAS .............................................................................. 17 4.2. ESQUEMA FUNCIONAL DE ANÁLISIS DE INCIDENTES ............................................................... 18 4.3. INFORMACIÓN DE REFERENCIA EN EL ANÁLISIS DE INCIDENTES ............................................ 21 4.3.1. Red estable .......................................................................................................................... 21 4.3.2. Telecontrol .......................................................................................................................... 21 4.3.3. Sistema de Gestión de Protecciones (SGP) ......................................................................... 25 4.3.4. Base de datos de ajustes de protecciones .......................................................................... 27 4.3.5. Base de datos incidentes históricos .................................................................................... 27 4.3.6. Información local de protecciones ...................................................................................... 27 Capítulo 5. HERRAMIENTAS DE APOYO AL ANÁLISIS DE INCIDENTES .................................................... 29 5.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 29 5.2. PLANTILLA DATOS PI ................................................................................................................ 29 5.3. PLANTILLA GENERACIÓN INFORME DE INCIDENTE .................................................................. 31 5.4. HISTÓRICO DE INCIDENTES ...................................................................................................... 31 5.5. HISTÓRICO OSCILOS ................................................................................................................. 32 5.6. LIBRERÍA TIPIFICADA DE FALTAS .............................................................................................. 32 Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 4 En el Anexo 3, se describe las características de un sistema de protección y se detallan los principios de funcionamiento de las funciones y automatismos de un sistema de protección. En el Anexo 4, se describen los parámetros de ajuste básicos, así como se detallan los esquemas simplificados lógicos de actuación de cada función y automatismo de protección. En el Anexo 5, se explica el método de análisis de una onda mediante oscilografía. Se comentan los dos programas informáticos que se utilizan para la visualización de oscilos, y se adjuntan las tablas de las descripciones de las señales de los oscilos registrados por los relés que se usan en Endesa - Aragón. El Anexo 6, se detalla una librería tipificada de faltas eléctricas que facilita el análisis de incidentes, desarrollada en este proyecto. En el Anexo 7, se muestra un ejemplo de un caso real de la aplicación del procedimiento de análisis de incidentes. 5 Capítulo 2. TIPOS DE CORTOCIRCUITOS EN ALTA TENSIÓN 2.1. DEFINICIÓN Los Sistemas Eléctricos de Potencia (Anexo 1), aún estando adecuadamente diseñados, mantenidos y explotados, están expuestos a la acción de agentes atmosféricos, fallos de material y errores humanos que producen disturbios en la red no siempre previsibles. Un cortocircuito consiste en una conexión, accidental o intencionada, de relativamente baja resistencia o impedancia, entre dos o más puntos de un circuito que están normalmente a tensiones diferentes. La intensidad que circula por el circuito se denomina corriente de cortocircuito (Icc) y debe calcularse en los diferentes niveles de la instalación, para poder determinar las características del material que deberá soportar o cortar la corriente de defecto. Las consecuencias que pueden provocar un cortocircuito pueden ser graves (rotura de elementos eléctricos,…) e imprevisibles obligando a un constante estudio y mejora de los dispositivos de protección destinados a ellos. 2.2. TIPOS DE CORTOCIRCUITOS Los tipos de faltas existentes en un Sistema Eléctrico de Potencia pueden dividirse en dos grandes grupos: faltas serie o faltas en paralelo. Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 6 R S T FALTA EN SERIE R S T FALTA EN PARALELO Figura 2.1. Faltas serie o faltas en paralelo Las faltas serie generalmente van asociadas a la ruptura de conductores, ya que crean un desequilibrio de fases. Se llaman faltas paralelo a la conexión entre fases o, una o más fases con tierra. A las faltas paralelo se les denomina cortocircuitos. Dependiendo de las fases afectadas, los cortocircuitos pueden dividirse en trifásico, bifásicos con conexión a tierra, bifásicos sin conexión a tierra y monofásicos. − Cortocircuito trifásicos: Conexión de las tres fases del sistema en contacto. Producen las intensidades de cortocircuito más peligrosas debido a su alto valor. Se producen en 5% de los casos originarios. R S T If Figura 2.2 Cortocircuito trifásico − Cortocircuito bifásico con conexión a tierra: Conexión de dos de las fases del sistema con tierra. Se producen el 15% (con y sin conexión a tierra) evolucionando generalmente a cortocircuitos trifásico. R S T If Figura 2.3. Cortocircuito bifásico con conexión a tierra Capítulo 2. Tipos de cortocircuitos en Alta Tensión 7 − Cortocircuito bifásico sin conexión a tierra: Conexión de dos de las fases del sistema. Se producen el 15% (con y sin conexión a tierra) evolucionando generalmente a cortocircuitos trifásico. R S T If Figura 2.4. Cortocircuito bifásico sin conexión a tierra − Cortocircuito monofásico: Conexión de una de las fases con tierra. Es el cortocircuito más frecuente. Se producen el 80% de los casos R S T If Figura 2.5. Cortocircuito monofásico a tierra Los cortocircuitos se pueden clasificar en simétricos (equilibrados) y asimétricas (desequilibrados). En las faltas simétricas la corriente de las tres fases del sistema son iguales en el instante del cortocircuito. En las faltas asimétricas las corrientes en las tres fases del sistema no son iguales en el instante del cortocircuito. En el Anexo 2, se explica en detalle los tipos de cortocircuitos. El cálculo de los cortocircuitos es imprescindible para poder dimensionar los dispositivos de los sistemas de protección debido a los elevados valores de las intensidades de cortocircuitos llegando a ser varias veces la intensidad nominal del sistema. Para el cálculo de los cortocircuitos es necesario el método de las componentes simétricas. Las tensiones e intensidades en cualquier nudo del sistema pueden ser calculadas a partir de sus componentes simétricas. Este método se basa en que un sistema trifásico de fasores de tensiones e intensidades puede considerarse como una combinación lineal de las componentes simétricas. Estas componentes son: − Componentes de secuencia cero o homopolar, consistentes en tres fasores iguales en módulo y argumento. Se representan con el subíndice 0. − Componentes de secuencia directa o secuencia positiva, consistentes en tres fasores de igual magnitud y desfasados entre sí 120° y con secuencia directa. Se representan con el subíndice 1. Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 8 − Componentes de secuencia inversa o secuencia negativa, consistentes en tres fasores de igual magnitud y desfasados entre sí 120°, pero con secuencia inversa. Se representan con el subíndice 2. 2.3. CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Las tensiones e intensidades en cualquier nudo del sistema eléctrico de potencia, cuando se produce un cortocircuito en un nudo, pueden ser calculadas a partir de sus componentes simétricas. Consiste en desacoplar una red trifásica en tres redes de secuencia más simples que permite cálculos menos complejos que se pueden superponer para obtener los resultados de la red trifásica. Éstas se obtienen, de forma general, utilizando las redes de secuencias interconectadas adecuadamente según el tipo de cortocircuito. En el Anexo 2 se detalla el método de las componentes simétricas así como el cálculo de los distintos tipos de cortocircuitos mediante este método [2]. Los resultados de las intensidades según el tipo de cortocircuitos de sus componentes simétricas son: Tabla 2.1. Valores de las componentes simétricas según el cortocircuito Componentes simétricas Intensidad de falta Monofásico Bifásico sin conexión a tierra Supuesta falta entre fases S y T Bifásico con conexión a tierra Trifásico 9 Capítulo 3. SISTEMAS DE PROTECCIÓN EN ENDESA-ARAGÓN 3.1. DESCRIPCIÓN Los sistemas eléctricos de potencia (SEP) deben estar en todo momento dispuestos para suministrar la energía eléctrica de manera continua. Podemos considerar un sistema eléctrico de potencia como el conjunto de generadores, transformadores de potencia, líneas eléctricas y cargas que tienen como función la generación, transporte y consumo de energía eléctrica (Anexo1). La falta de suministro de energía eléctrica, además de tener su repercusión en los usuarios por la calidad de servicio, tiene una repercusión económica importante, tanto más cuanto mayor es la zona afectada y la duración de la falta. Conseguir que un sistema eléctrico de potencia suministre la energía eléctrica de forma continua se puede conseguir dotando al SEP de sistemas de protección. El diseño de un SEP debe contemplar el hecho de que van a producirse faltas de manera aleatoria e inesperada, por lo que es necesario dotarlo de sistemas de protección que desconecte solamente la parte del sistema en falta, protegiendo esa parte y el resto del sistema de los daños y de las interrupciones de servicio. La actuación del sistema de protección va encaminada, por tanto, a mantener tanto la calidad como la continuidad del suministro, intentando que ambas características se resientan mínimamente durante el mínimo tiempo posible. (Anexo3) Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 10 3.2. CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN Se debe configurar cada función de protección para garantizar el mejor funcionamiento posible del sistema eléctrico en todos los modos de funcionamiento. La filosofía general de aplicación de los relés y equipos de protección es dividir el SEP en zonas que puedan ser protegidas adecuadamente por equipos apropiados. Las zonas deberán ser desconectadas de la red en un tiempo muy corto, causando la mínima inestabilidad en la parte del sistema que permanezca en servicio. (Figura 3.1) Figura 3.1. Esquema de un sistema dividido en zonas de protecciones primarias Podemos dividir los equipos de protección que comprenden cada zona en dos tipos: − Protecciones primarias: Son las que actuarían en primer instancia y están diseñadas para desconectar de la red únicamente los elementos en falta. − Protecciones de apoyo: cubren posibles fallos en los propios equipos de las protecciones primarias como los posibles fallos de los interruptores que accionan. o Protecciones de apoyo locales: Se llaman así a las protecciones de apoyo que se encuentran en la misma subestación que la protección principal. o Protecciones de apoyo remotas: La protección de apoyo está situada en otra subestación adyacente. Las protecciones primarias son las que actuarían en primer lugar y están diseñadas para desconectar del sistema únicamente los elementos en falta cuando ésta ocurra. Si la falta no ha sido despejada por la protección primaria deberá actuar la protección de apoyo que en casi todos los casos, para aislar la falta, desconectará una mayor parte del sistema. En el Anexo 4 puede consultarse con mayor detalle las configuraciones de los sistemas de protección. Capítulo 3. Sistemas de protección en Endesa - Aragón 11 3.3. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN Para definir un sistema de protección es necesario seleccionar los componentes de protección y dotarlos de una estructura adaptada al sistema eléctrico. En la Figura 3.2 se ilustra los diferentes elementos que constituyen un sistema de protección los cuales se describen a continuación: Figura 3.2. Esquema del sistema de protección de una posición de línea − Relé de protección: Es el elemento o conjunto de elementos cuya función es la detectar las faltas para las que ha sido diseñado ocurridas dentro de su zona de operación. Interruptor automático Transformador tensión Transformador intensidad Relé de protección Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 12 − Transformadores de medida: Son los transformadores de tensión (TT) e intensidad (TI) encargados de proporcionar a la protección información de las magnitudes eléctricas necesarias para la detección de faltas. Su función es reducir las magnitudes de tensión e intensidad del sistema eléctrico a valores no peligrosos y normalizados. − Interruptores: Son los equipos capaces de cortar las corriente de falta o de defecto. Es la aparamenta eléctrica que materializa las órdenes, provenientes del relé, de conexión o desconexión de un circuito eléctrico, con el fin de cortar la corriente en caso de falta. En el Anexo 1 puede consultarte en detalle la información a la aparamenta relacionada con los sistemas de protección 3.4. FUNCIONES DE PROTECCIÓN A continuación se describen brevemente las diferentes funciones de protección que se utilizan en Endesa – Aragón. En el Anexo 3, se detalla los principios de funcionamiento de cada función de protección [5]. 3.4.1. Protección distancia La función de protección de distancia es la función de protección más ampliamente extendida en sistemas eléctricos de potencia. Su operación se basa en la impedancia vista por la protección a partir de la medición de la tensión e intensidad. La impedancia vista por la protección es mayor en condiciones normales de operación del sistema que en condiciones de falta, ya que en este último caso la impedancia vista es sólo la correspondiente al circuito comprendido entre el punto en el que se ubica la protección y el punto donde se ha producido la falta. Para aplicar este principio se representa sobre el diagrama R-X la impedancia vista por la protección y su característica de operación, que representa el valor límite de la zona que se quiere proteger y define un área de operación sobre el diagrama R-X. La protección solamente debe operar si el punto definido por las coordenadas de la impedancia vista por la protección se encuentra dentro del área de operación, ya que en caso contrario ó no existe falta o ésta se encuentra fuera de la zona que debe proteger. 3.4.2. Protección de sobreintensidad no direccional Las protecciones de sobreintensidad no direccional son las más sencillas de todas. Su funcionamiento se basa en la comparación del valor de sobreintensidad como dato de entrada a la protección con un valor de ajuste tomado como referencia. La protección opera cuando la intensidad de entrada supera el valor de la intensidad de referencia. La función de sobreintensidad puede ser de tiempo independiente o de tiempo dependiente. La protección de sobreintensidad de tiempo independiente actúa Capítulo 3. Sistemas de protección en Endesa - Aragón 13 siempre con el mismo tiempo para cualquier intensidad que haya superado el valor de ajuste. La protección de sobreintensidad de tiempo dependiente actúa con tiempo de operación que depende de la intensidad de entrada. En estos casos cuanto mayor es el valor de la intensidad menor es el tiempo de retraso introducido y, por tanto, menor el tiempo que la protección tarda en operar. Por este motivo se llaman de tiempo inverso. Existen hasta cuatro familias de curvas de tiempo inverso: curva de tiempo fijo, normal inversa, muy inversa, extremadamente inversa. 3.4.3. Protección de sobreintensidad direccional La protección de sobreintensidad direccional consta de dos unidades para operar: unidad de sobreintensidad y unidad direccional. Al igual que la anterior, la unidad de sobreintensidad actúa cuando la intensidad medida supera al ajuste. La unidad direccional controla la dirección de la intensidad para que únicamente dispare en la dirección ajustada, hacia barras de subestación o saliente de barras de subestación. Para poder vigilar la dirección, esta protección necesita una referencia de polarización con la cual se compara la intensidad medida y se obtiene la dirección de ella. 3.4.4. Protección diferencial longitudinal La protección diferencial longitudinal está basada en la primera ley de Kirchoff: “La suma vectorial de todas las intensidades que llegan a un nudo debe ser cero”. Su operación se basa en comparar las intensidades de dos nudos de una línea eléctrica con el fin de distinguir entre faltas internas o externas. Necesita un canal de comunicaciones entre los dos nudos con el fin de transferir la información de un nudo a otro. En cada nudo de una línea eléctrica existe un relé diferencial que posee en todo momento información del otro extremo, que en el momento que detecte falta interna da orden de disparo a los interruptores de los dos nudos. 3.4.5. Protección diferencial de transformador El principio de operación de la protección diferencial de transformador se basa igual que la protección diferencial longitudinal a diferencia que en la diferencial de transformador el elemento protegido es un transformador de potencia en lugar de una línea eléctrica. Compara las intensidades entrantes y salientes en un transformador de potencia con el fin de detectar faltas internas. Además posee de análisis de armónicos para distinguir las faltas externas de las faltas internas. 3.4.6. Protección diferencial de barras Al igual que las protecciones diferencial anteriores, su operación se basa en distinguir entre faltas externas a barras e internas. Se considera que una falta está en barras de subestación cuando se produce en la zona comprendida entre los transformadores de intensidad de los distintos terminales que confluyen a las barras. Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 20 extraída por telecontrol sea insuficiente para dar un veredicto correcto, o porque la actuación sea incorrecta. En ambos casos, es necesaria la recogida de información local de los relés de protecciones actuantes en el incidente. Con el fin de poner en conocimiento al personal afectado o para la petición de recogida de información local a las unidades de mantenimiento de Endesa División Aragón, se redacta un informe indicando las actuaciones de las protecciones, las conclusiones del primer análisis realizado y las acciones a realizar. Estas acciones a realizar son la recogida de información como eventos y oscilos, o alguna vez la comprobación de actuación de algún automatismo como es el reenganchador. Este informe va escrito en el cuerpo de un correo electrónico y va destinado a las unidades de mantenimiento o cualquier persona afectada del conocimiento del incidente. Endesa División Aragón se divide en las siguientes unidades de mantenimiento: Alagón, Alcañiz, Almazán, Calatayud, Huesca, Jaca, Monzón, Teruel y Zaragoza (ciudad y provincia). (Hito 4 en la Figura 4.1). Una vez recibida y analizada toda la información proveniente de las unidades de mantenimiento se lleva a cabo la redacción de un informe donde se analiza la operación del sistema de protecciones en detalle. En este análisis en detalle, la oscilografía en una herramienta muy útil para determinar la naturaleza de la falta. Además, mediante el análisis de la oscilografía podemos ver el motivo de actuación del relé de protección así como los tiempos de actuación para poder identificar posibles anomalías del relé. En el Anexo 5, se detalla el significado de oscilografía. (Hito 5 en la Figura 4.1). En el punto donde se dispone de la oscilografía, es necesario conocer los criterios de actuación de las protecciones. En el Anexo 4, se detallan los elementos de ajustes básicos de cada protección, así como el criterio su actuación. Además, el uso de una librería tipificada de faltas (Anexo 6) ayuda a la identificación de la falta a simple vista de la oscilografía. La simulación del cortocircuito en software informático permite la identificación de posibles descoordinaciones de protecciones. Con los datos del tipo de falta extraídos del análisis de la oscilografía se puede simular una falta idéntica y analizar la actuación ideal de los sistemas de protección. En Endesa – Aragón se utiliza la aplicación CAPE para realizar simulaciones de coordinación de protecciones y cortocircuitos. En el caso de un incidente relevante se redacta un informe en pdf indicando las acciones a realizar como pueden ser el estudio de coordinación de protecciones o sustitución de algún relé averiado. (Hito 6 en la Figura 4.1). Finalmente, se cierra el incidente con el diagnostico pertinente, correcto o incorrecto. Esto conlleva el registro del incidente en la base datos de histórico de incidentes de Alta Tensión. El histórico de incidentes es una hoja Excel donde se almacenan todos los incidentes en Líneas de Alta Tensión donde se indican la referencia interna que tiene el incidente, la fecha, el nivel de tensión, la zona de la red de Alta Tensión de Aragón, una Capítulo 4. Análisis de incidentes eléctricos en Alta Tensión 21 pequeña descripción del incidentes con todas las actuaciones de los sistemas de protección, comentarios adicionales y medidas a adoptar. (Hito 7 en la Figura 4.1) Los incidentes en transformadores registran de forma diferente, en una base de datos Access donde esta base de datos es corporativa para toda la empresa en España. 4.3. INFORMACIÓN DE REFERENCIA EN EL ANÁLISIS DE INCIDENTES La recogida de información que proporcionan los sistemas de protección es esencial para analizar un incidente. Como se ha comentado anteriormente, existen dos métodos de recogida de información como es local y por telecontrol. A continuación se describen la información necesaria para el análisis de incidentes así como sus métodos de recogida existentes en Endesa División. 4.3.1. Red estable Se considera red estable a la red en condiciones normales de explotación y en el escenario de máxima generación (punta húmeda). Esta situación se conoce como situación N. Cuando se produce una incidencia en Alta Tensión, hay que tener en cuenta la situación del sistema eléctrico de potencia, es decir, si se encontraba en red estable o por el contrario había alguna modificación de dicha red. Esto es necesario porque los ajustes de los sistemas de protección están calculados a partir de condiciones normales de explotación y cualquier variación de la red puede llevar a actuaciones incorrectas de los sistemas de protección. Para ello, diariamente el centro de control emite la información programada de los descargos diarios. Antes de iniciar un análisis de las actuaciones de los sistemas de protección hay que tener en cuenta esta información. Además, es necesario disponer de los planos de los esquemas de red. La red de Endesa División Aragón internamente se divide en nueve zonas: Zara1, Zara2, Zara3, Zara4, Zara5, Huesca1, Huesca2, Teruel, Franja, Transporte. En el análisis de un incidente hay que indicar cuál es la zona afectada. 4.3.2. Telecontrol Cuando hablamos de un telecontrol o control remoto nos estamos refiriendo a un sistema en el que existe una cierta distancia entre la magnitud controlada y la controladora. En todo sistema de telecontrol existen tres componentes esenciales: la magnitud controladora, el medio transmisor y la magnitud controlada. Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 22 Figura 4.3. Esquema general de un telecontrol En el caso del telecontrol de una red eléctrica, la magnitud controladora será el centro de control, la magnitud controlada serán los elementos que forman la red (interruptores, transformadores…) y el medio transmisor estará compuesto del conjunto de equipos de telecontrol y comunicaciones necesario. Puesto que controlar es dirigir, regular y dominar algo, para tener controlada una red eléctrica, tenemos que conocer el estado de la red y ser capaces de modificarlo. Para conocer el estado de la red necesitaremos obtener de la red los siguientes datos: − Señales: Informan del estado de funcionamiento de los elementos de la red. − Medidas: Informan del valor de las magnitudes eléctricas en los puntos de la red. − Alarmas: Informan si se ha producido un estado de funcionamiento anómalo en la red. Endesa División Aragón, dispone de un sistema de gestión de energía y distribución conocido como SCR (Sistema de Control de Red) basado en el sistema SPECTRUM de SIEMENS. Éste sistema está concebido como un sistema de control de energía, que puede cubrir todas las necesidades de un centro de control. Este sistema incorpora los modernos avances en el campo de la informática a los sistemas de tiempo real consiguiendo mejoras en el diálogo hombre-máquina tanto desde el punto de vista de la facilidad de manejo como en el intercambio de información con otros sistemas de la empresa La base de datos de SPECTRUM está especialmente diseñada para el control y acceso en tiempo real. Se basa en un modelo de base de datos con una serie de características que permiten el acceso combinado a los datos residentes en memoria y en disco. La remota es el equipo de control de una instalación encargado de adquirir, tratar y validar las señales de campo, de suministrar al centro de control toda la información requerida y de emitir las órdenes recibidas. En los sistemas actuales de telecontrol (Sistemas Integrados), la Unidad de Control de Subestación o UCS realiza la función de remota. Actualmente el sistema de extracción de datos de la base de datos de Spectrum es el sistema PI desarrollado por Osisoft. Medio Transmisor Magnitud Controlada Magnitud Controladora Capítulo 4. Análisis de incidentes eléctricos en Alta Tensión 23 Sistema PI El sistema PI proporciona un análisis en tiempo real de la red de Alta Tensión de Endesa y permite a los usuarios analizar en tiempo real extrayendo datos históricos y eventos. El sistema PI extrae de la base de datos eventos y medidas de los tags establecidos. En Endesa División Aragón existen dos métodos para poder extraer los datos del sistema base de datos de PI: − Datalink PI para Microsoft Office Excel − El programa PI Processbook. Datalink PI para Microsoft Office Datalink PI para Microsoft Office Excel es un plugin para Microsoft Excel desarrollada por Osisoft, que permite importar datos de PI en esta hoja de cálculo. PI almacena los datos en tags, que son objetos que contienen los valores registrados a lo largo del tiempo para una magnitud (medida o alarma) y un elemento de la red. A diferencia de la herramienta de visualización Processbook que actualiza los datos visualizados de forma inmediata cuando PI recibe nuevos valores, Datalink es una herramienta mucho más estática, más orientada a obtener una instantánea fija. Figura 4.4. Datalink PI para Microsoft Office Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 24 PI Processbook PI ProcessBook es una aplicación informática que muestra la información de la base de datos Spectrum guardada en el archivo de datos PI o en las bases de datos correspondientes. El archivo de datos PI es como una base de datos de valores de cada uno de los tags establecidos para los orígenes de datos discretos de su proceso o facilidad. Mediante el Processbook se puede representar la medida de intensidad y tensión durante un periodo de tiempo. Figura 4.5. Programa Processbook para consulta de medidas Scada Local / conexión a distancia a RTU El acceso a distancia a la información de la RTU (Remote Terminal Unit) se basa en la transferencia de ficheros mediante comunicaciones. Mediante la aplicación Dr.SAM (Sistema de Análisis y Monitorización) se puede conectar con la RTU o Terminal Local de la instalación y acceder a distancia a la información disponible en ella. Esta aplicación únicamente se puede utilizar cuando la remota de la subestación es de la marca Maessa. Capítulo 4. Análisis de incidentes eléctricos en Alta Tensión 25 Figura 4.6. Conexión con remota de subestación mediante DrSam. 4.3.3. Sistema de Gestión de Protecciones (SGP) El Sistema de Gestión de Protecciones (SGP) es un sistema de información que captura y almacena automáticamente datos relevantes sobre la red (antes, durante y después de la aparición de una anomalía) y los presenta para analizar la actuación del sistema. Sus principales funciones son: − Captación de datos múltiples de modelos de protecciones. (sucesos, informes de falta, ajustes y oscilografía). − Análisis de incidencias. − Generación de informes. El sistema se compone de una aplicación web accesible a través de la intranet de la empresa Endesa y un módulo gestor de comunicaciones denominado MGC. Éstos tienen conexión a la red corporativa, para dar acceso a la red en tiempo real de las subestaciones, para recoger la información de las protecciones. Esta herramienta es útil dado que aporta herramientas para hacer un seguimiento de la actuación de las protecciones. Entre sus ventajas están: Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 26 − Análisis sencillo de las protecciones instaladas en las subestaciones debido a que presenta los diferentes modelos de relés en un formato de árbol navegable (Ej: zona/subzona/subestación/equipo) de las subestaciones dadas de alta en el sistema. − Realizar el análisis y el seguimiento de incidencias. Generar informes y estadísticas exportables a diversos formatos y visualización de oscilografía. − Realiza llamadas periódicas programadas a las subestaciones o relés que se desea capturar la información disponible en ellas. − Gestiona una llamada manual que sirve para establecer una conexión inmediata con uno o varios relés. Figura 4.7. Sistema de gestión de protecciones de ZIV Además, genera automáticamente un informe diario del estado del sistema con un email a los usuarios dados de alta, es decir, diariamente exporta del sistema todas las modificaciones y alarmas que han sucedido en el día anterior. Esta aplicación está actualmente en implantación en Endesa División Aragón por lo que únicamente tenemos acceso a unas pocas instalaciones de la Red Alta Tensión Aragón. Capítulo 4. Análisis de incidentes eléctricos en Alta Tensión 27 4.3.4. Base de datos de ajustes de protecciones En el análisis de un incidente hay que tener en cuenta los ajustes de la protección que actúa para poder identificar algún error en el cálculo de ajustes. Todos los ajustes de las protecciones de la Red Alta Tensión y Media Tensión se encuentran en una base de datos accesible a través de la intranet de Endesa. Esta información se encuentra en unos archivos Excel ordenadas por instalación y por posición. En estas hojas Excel se encuentran todos los parámetros ajustables en el relé de protección, pero únicamente nos tenemos que fijar en los parámetros más significativos que caracterizan la función de protección. En el Anexo 4 se indican con detalle estos ajustes principales de las protecciones. Figura 4.8. Base de datos de los ajustes de protecciones de la Red 4.3.5. Base de datos incidentes históricos En el momento de analizar una actuación de un relé de protección en una posición de subestación es necesario informarse como en incidentes anteriores ha actuado. Esto ocurre porque si ese relé tiene una actuación anómala e idéntica a las anteriores no es necesario un análisis en detalle, pero sí un aviso a las personas afectadas de este nuevo incidente debido a que es necesario recordar esta anomalía para su posterior corrección. 4.3.6. Información local de protecciones Cuando una protección actúa porque ha ocurrido un incidente, queda registrada información relevante antes, durante y después del incidente. Estudio de sistemas protectivos en redes eléctricas en Alta Tensión. Estudio y mejora de procedimientos para el análisis de incidencias 28 Esta información está compuesta por los eventos que emiten el relé y la oscilografía registrada del incidente. Esto último, únicamente de los relés de protección que dispongan de registros oscilográficos. Un oscilo es un conjunto de datos analógicos y digitales que recogen las protecciones en el momento que ocurre una falta y provoca su actuación. En el Anexo 5, se detalla el término oscilografía. Figura 4.9. Ejemplo de eventos registrados por el relé de protección DMS3L1 de General Electric 29 Capítulo 5. HERRAMIENTAS DE APOYO AL ANÁLISIS DE INCIDENTES 5.1. INTRODUCCIÓN En la realización del procedimiento del análisis de incidentes dentro de Endesa-Aragón es necesario de disponer de una serie de herramientas de apoyo que optimizan el tiempo dedicado a ello. Dentro de este proyecto fin de carrera, se han desarrollado unas herramientas de apoyo que se describen a continuación. 5.2. PLANTILLA DATOS PI A partir de la herramienta PI, explicada en el capítulo anterior, y de su plugin para Microsoft Office Excel se puede extraer a Excel alarmas y medidas de la base de datos SAC. Para facilitar el análisis, se ha implementado una plantilla con Microsoft Excel con macro de visual basic donde a partir de la extracción de información (alarmas, medida de intensidad, medida de tensión y medidas de reguladores de transformador) de la base de datos de SAC, se puede analizar con mayor facilidad dicha información para el análisis de incidente. A continuación se muestran las imágenes (Figura 5.1 y Figura 5.2) de algunas de las pestañas que tiene la plantilla donde se puede observar que la primera de ellas es la pestaña principal donde está la extracción de datos de la base de datos de SAC mediante la aplicación de PI DataLink de Osisoft. 39 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1. Faltas serie o faltas en paralelo .................................................................................................. 6 Figura 2.2 Cortocircuito trifásico ................................................................................................................... 6 Figura 2.3. Cortocircuito bifásico con conexión a tierra ............................................................................... 6 Figura 2.4. Cortocircuito bifásico sin conexión a tierra ................................................................................ 7 Figura 2.5. Cortocircuito monofásico a tierra ............................................................................................... 7 Figura 3.1. Esquema de un sistema dividido en zonas de protecciones primarias ...................................... 10 Figura 3.2. Esquema del sistema de protección de una posición de línea ................................................... 11 Figura 4.1. Esquema de proceso de análisis de incidentes .......................................................................... 18 Figura 4.2. Relatorio de incidentes en Alta Tensión del Centro de Control ................................................. 19 Figura 4.3. Esquema general de un telecontrol ........................................................................................... 22 Figura 4.4. Datalink PI para Microsoft Office .............................................................................................. 23 Figura 4.5. Programa Processbook para consulta de medidas ................................................................... 24 Figura 4.6. Conexión con remota de subestación mediante DrSam. ........................................................... 25 Figura 4.7. Sistema de gestión de protecciones de ZIV ............................................................................... 26 Figura 4.8. Base de datos de los ajustes de protecciones de la Red ............................................................ 27 Figura 4.9. Ejemplo de eventos registrados por el relé de protección DMS3L1 de General Electric............ 28 Figura 5.1. Pestaña principal de la plantilla de datos de PI......................................................................... 30 Figura 5.2. Pestaña de medida de intensidad la plantilla de datos de PI .................................................... 30 Figura 5.3. Pestaña de Resumen dentro de la Base de Datos de Históricos incidentes............................... 31 41 LISTA DE TABLAS Tabla 2.1. Valores de las componentes simétricas según el cortocircuito .................................................... 8 Tabla 3.1. Codificación funciones de protección ......................................................................................... 14 Tabla 3.2. Criterios normalizados de sistemas de protección de Endesa-Aragón ....................................... 16 43 BIBLIOGRAFÍA [1] Paulino Montané. Protecciones en las instalaciones eléctricas. Marcombo. 1992. [2] I. J. Ramírez, J. A. Martinez, J. A. Fuentes, E. García, L. A. Fernández, P. J. Zorzano. Problemas resueltos de sistemas de energía eléctrica. Thomson. 2007. [3] Westinghouse Electric Corporation. Applied Protective Relaying [4] Antonio Gomez Expósito. Análisis y operación de sistemas de energía eléctrica. McGraw Hill. 2002. [5] Iberdrola. 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