Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
Por
Gustavo Adolfo Granados García
DISEÑO DE UN SISTEMA RT-HIL PARA USO DE RELÉS EN
CONDICIÓN DE PROTECCIONES ADAPTATIVAS
Sustentado el día 9 de Junio de año 2015 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Gustavo Andrés Ramos L. PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
- Jurados : Mario Alberto Ríos PhD, Profesor Titular, Universidad de Los Andes
Contenido
Índice de Tablas ... 3
1 INTRODUCCIÓN ... 5
2 OBJETIVOS ... 5
2.1 Objetivo General ... 5
2.2 Objetivos Específicos ... 5
2.3 Alcance y productos finales ... 6
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 6
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ... 7
4.1 Marco Teórico ... 7
4.1.1 Concepto de RT – HIL ... 7
4.1.2 Modelo Conceptual para el banco de pruebas ... 7
4.1.2.1 Componentes ... 7
4.1.2.2 Modelo Conceptual ... 8
4.1.3 Protecciones Adaptativas ... 10
4.2 Marco Histórico ... 10
Antecedentes locales... 11
5 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 11
5.1 Plan de trabajo ... 12
5.2 Búsqueda de información ... 13
6 TRABAJO REALIZADO ... 13
7 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ... 16
7.1 Trabajo Computacional ... 16
7.1.1 LabView ... 16
7.1.2 Validación mediante Co-Simulación ... 19
7.2 Validación de los resultados del trabajo ... 20
7.2.1 Sistema Eléctrico 1 ... 20
7.2.2 Sistema Eléctrico 2 (13 Nodos) ... 27
8 DISCUSIÓN ... 30
9 CONCLUSIONES ... 31
10 AGRADECIMIENTOS ... 32
11 REFERENCIAS ... 32
12 ANEXOS ... 33
12.1 Programación (Bloques de programación). ... 33
Índice de Figuras
Figura 1 Modelo conceptual para el banco de pruebas [5] ... 9
Figura 2 Modelo conceptual de HIL-RT [2] ... 11
Figura 3 Metodología de trabajo ... 12
Figura 4 Esquema de conexión del banco de pruebas ... 14
Figura 5 Esquema de conexión de las comunicaciones internas en la cRIO ... 16
Figura 6 Diagrama en bloques de la programación realizada ... 17
Figura 7 Interfaz gráfica de la programación ... 18
Figura 8 programación de la falla en DSSim ... 19
Figura 9 Vista del programa en LabView en pre-falla ... 20
Figura 10 Sistema eléctrico 1 simulado en DSSim ... 21
Figura 11 Curva TCC relay caso 1 ... 23
Figura 12 Oscilografía de voltajes y corriente en el relé caso 1 ... 23
Figura 13Curva TCC relay caso 2 ... 24
Figura 14 Oscilografía de voltajes y corriente en el relé caso 2 ... 24
Figura 15 Curva TCC relay caso 3 ... 25
Figura 16 Oscilografía de voltajes y corriente en el relé caso 3 ... 25
Figura 17 Curva TCC para R_5 ... 26
Figura 18 Oscilografía Voltajes y corriente en R_5 con falla en n_3 ... 27
Figura 19 Sistema 13 Nodos con IBGD en nodo 692 ... 28
Figura 20 Curva TCC SW_1 Solo Red (13 Nodos) ... 28
Figura 21 Oscilografía Voltajes y corriente en SW_1 con falla en n_692 ... 29
Figura 22 Curva TCC SW_Gen, Red y generador (13 Nodos) ... 29
Figura 23 Oscilografía Voltajes y corriente en SW_1 con falla en n_671 ... 29
Figura 24 Curva TCC SW_1 Red y generador en sentido inverso (13 Nodos) ... 30
Figura 25 Esquema del VI del Bloque Control Main ... 33
Figura 26 Esquema del VI del Bloque DSSim Adquired ... 34
Figura 27 Esquema del VI del Bloque Phase-to-Sequence ... 34
Figura 28 Esquema del VI del Bloque RTU... 35
Figura 29 Esquema del VI del Bloque Volt_to_FPGA ... 36
Figura 30 Esquema del VI del Bloque HIL interfaz gráfica (arriba) y programación (abajo) ... 37
Figura 31 Conexiones cRIO y banco de preubas (resumen ejecutivo) ... 44
Figura 32 Interfaz en LabView (resumen ejecutivo) ... 44
Índice de Tablas
Tabla 1 Relación de vueltas del CT para cada caso ... 22Tabla 2 Tiempo de despeje de las fallas para cada caso ... 26
Tabla 3 Relación de vueltas del CT para el SW_1 (13 Nodos) ... 27
RESUMEN
La coordinación protecciones adaptativas son necesarias en sistemas de distribución que tienen la inclusión de cualquier tipo de generación Distribuida, el principal objetivo de este proyecto es demostrar de funcionamiento correcto de un relé en condiciones de falla para diferentes configuraciones de los sistemas (sólo en modo de red, el modo de la isla y de la red con el modo GD). Para esto es imprescindible la implementación de un banco de pruebas para el relé y así mismo el diseño de un algoritmo para trabajar en tiempo real y con hardware in the loop.
Se usó un compact RIO y una programación realizada en LabVIew para la captura de datos del simulador eléctrico DSSim y luego ser amplificados, simulando así un nodo del sistema (al cual está conectado el relé). Se programa la función y la curva correspondiente al relé, seguido a esto se realiza la simulación de una falla en el sistema y se observa el comportamiento del relé, de esta manera se comprueba el funcionamiento del relé en la operación del sistema y como este equipo se adapta a las necesidades del sistema.
ABSTRACT
The adaptative protections coordination are neccesary in distibution systems that have the inclusion of any type of distribuited generation,the major objetive of this project is to prove de correct operation of a relay in fault conditions, this in different configurations of the systems (only network mode, island mode and network with GD mode). For this it is essential to implement a test for the relay and likewise the design of an algorithm to work in real time and hardware in the loop.
Using a Compact RIO and a programming held in LabVIEW for data capture DSSim electric simulator, then it were amplified, thus simulating a system node (which is connected to the relay). Followed the funtion and the corresponding protection curve is program into relay then begins a fault simulation, in this way can be seen that the relay operation in the system is checked and it adapts to the needs of the system.
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INTRODUCCIÓN
Las simulaciones presentan una gran ventaja a la hora estimar un resultado real, estás proporcionan la oportunidad de detectar posibles problemas, evitar daños en equipos reales, además ahorra gastos o costos monetarios por las mismas razones. Esto gracias a que una simulación no es más que un modelo de un sistema real donde se trata de reproducir los resultados que este tendrá, generalmente se realiza con software y el tiempo de simulación no necesariamente corresponde con tiempo real.
Una simulación Real Time Hardware in the Loop por su parte es un tipo de simulación donde se simula un sistema con el objetivo de probar el funcionamiento de un equipo real en condiciones lo más parecidas posibles a la realidad. Este proyecto está orientado a implementar un sistema RT-HIL que sea capaz de simular un sistema de distribución eléctrico con ciertas características con el fin de probar el correcto funcionamiento de un relevador en caso de presentarse una falla, el problema es que no se cuenta con un sistema real para realizarlo, además en caso de tenerlo habría que producir una falla a propósito para conocer el resultado lo cual resulta no conveniente. Dicho lo anterior es más claro entender que es necesario modelar y simular la operación del relé HIL.
El propósito general es crear un bucle o ciclo cerrado donde el sistema RT-HIL sea capaz de recibir el estado actual del relé, adicionalmente el sistema debe proporcionar al relé los datos necesarios como por ejemplo de corriente la cuál será amplificada por la carga, donde este esté operando en la simulación, de esta manera se logra el objetivo requerido.
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OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Realizar el diseño y la implementación de un sistema de prueba RT (Real Time) – HIL (Hardware in the loop) para el uso de relés en condiciones de coordinación de protecciones con ajuste adaptativo.
2.2 Objetivos Específicos
- Diseñar el algoritmo para la implementación del sistema de tiempo real.
- Revisar, Aprender y programar un relay (con curvas características TCC) para una prueba Hardware in the Loop HIL (teniendo en cuenta ajuste adaptivo en la programación del mismo).
- Probar el sistema RL-HIL diseñado e implementado, en el banco de pruebas usando el relay, amplificador, carga electrónica, cRIO y demás equipos necesarios para la correcta operación.
2.3 Alcance y productos finales
Al finalizar el proyecto de fin de carrera se presenta el documento final, con el diseño y los resultados de la implementación y su desarrollo.
Entrega computacional tanto de los archivos de simulación del sistema eléctrico en DS-Sim como los archivos de programación usados en la compact RIO (VIs de Labview)
La implementación en Hardware in the loop en la cRIO y el relay.
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DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
Actualmente la inclusión de generadores distribuidos en redes de transmisión es una realidad en el mundo, en Colombia se espera que también sea así con la llegada de la ley 1715 de 2014, la implementación de GD trae cambios en las protecciones, ya que al incluir esta unidades de generación los flujos de potencia varían pudiendo incluso cambiar de dirección, y el aporte a fallas no solo sería por la red sino por los generadores. Por tanto debe aplicarse técnicas de ajuste adaptativo en los dispositivos de protección como lo son loas relevadores o relays.
El objeto de este proyecto de fin de carrera es probar el correcto funcionamiento de curvas de protección adaptativas en un equipo de protección real, para ellos se simula un sistema de distribución en un software especializado en ello como lo es DS-Sim, este se encarga de modelar un sistema real para que a la entrada del relevador estén corrientes y voltajes de uno de los nodos del sistema, se simulara una falla y se verificará que la operación de la protección sea la esperada. Las falla simuladas serán para distintos casos de operación del sistema, uno es solo con red, otro con red generación distribuida y el último solo es necesario en caso de que la GD sea capaz de entregar toda la potencia necesaria para suplir las cargas, este caso es solo con generador distribuido.
La justificación del trabajo radica en que se debe verificar el funcionamiento del con anterioridad a la operación, corroborando así que las curvas programadas satisfacen para todas las configuraciones del sistema, es decir que el relé opere para todos los grupo de coordinación diseñados, de esta manera se implementa en el sistema real un equipo de protección acorde con sus necesidades, adicionando que es verificado en un banco de pruebas, no solo que detecta y despeje la falla sino también se entrega un relé adaptado y compatible con el sistema que se quiere.
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MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
4.1 Marco Teórico
4.1.1 Concepto de RT – HIL
El término de simulación Real Time (RT) se refiere a como su nombre lo indica a una simulación donde el tiempo de referencia de la misma es el tiempo real, aterrizándolo al contexto de este trabajo se alude a modelar un sistema eléctrico en un equipo embebido, obtener datos de esa simulación, hacer el tratamiento necesario para amplificarlos, la salida del sistema y el tiempo de simulación debe ejecutarse y corresponder a la velocidad del equipo real que en este caso el relay, esto último corresponde a Hardware in the Loop (HIL). El tiempo de simulación debe controlarse y manejarse con cuidado, debido a que si el tiempo de comunicación entre el sistema de simulación y el hardware es pequeño, el tiempo y los recursos requeridos de simulación son mayores, se corre el riesgo de que el sistema de simulación no alcance a tomar los datos en el tiempo estipulado o a realizar los cálculos necesarios, además de otros delays. Por otro lado si el tiempo de comunicación entre la simulación y el hardware es grande, se pueden omitir datos y resultados importantes.
4.1.2 Modelo Conceptual para el banco de pruebas
4.1.2.1
Componentes
Hardware
cRIO (compact RIO): Es un sistema controlador industrial, es de tipo embebido en tiempo real, funciona con un módulo FPGA, la cual realiza los procesos y realiza la adquisición de señales con la ayuda de módulos externos de entrada y/o salida. Por otro lado cuenta para la interfaz con el usuario un sistema embebido LabView RT, pero también puede usarse Windows 7 embebido, la programación de la FPGA se realiza a través del software Labview y su compilación. La cRIO puede ser conectada con Ethernet para ser programada y operada remotamente.
Carga Electrónica: Es un hardware el cual tiene la capacidad de cambiar su impedancia, utiliza el modelo ZIP (Impedancia, corriente y Potencia) el cuál es un método de modelamiento de carga que junta los modelos de Impedancia constante, Corriente constante y potencia constante. Para efectos de este proyecto de grado solo se necesita una resistencia constante.
Amplificador de potencia: Este hardware se encarga de amplificar las señales de voltaje y dependiendo de su modo de operación amplifica en Voltaje o en Corriente.
Su propósito en este proyecto de grado es amplificar la señal dada por la compact RIO, a su vez la salida del amplificador se conectara a la carga electrónica, pero el relé estará en medio para realizar las mediciones y protección en caso de corto. En este caso se usará en modo de amplificador de corriente en el que se tiene una ganancia de 6 A por cada Voltio, la carga es ara dejar circular la corriente y esta corriente va al relay simulando la salida del CT.
Amplificador de voltaje: Se encarga de amplificar una señal de voltaje, este equipo se encarga de amplificar la señal senoidal de la salida de la cRIO y entregársela al relay, simulando así la salida del PT.
Software
Ds-sim: Es una interfaz gráfica para el simulador de circuitos eléctricos de EPRI llamado OpenDSS, se usa para simulación de sistemas de potencia eléctricos, se pueden realizar flujos de carga, análisis de cortocircuito, simulación en tiempo de carga variante en el tiempo entre otros. Los datos de simulación del sistema serán dados por este software y pasaran a la cRIO a través de LabView en una conexión TCP-IP.
LabView: Es un software de programación de NI, su lenguaje de programación es tipo gráfico y es denominado “lenguaje G”, es usado para la adquisición de datos y señales, para automatización industrial. En este proyecto de grado se usa para co-simulación con DSSim y para programar la cRIO.
IPScom: Es la aplicación en donde se programa las curvas TCC de protección al relé, se comunica por puerto USB para la programación, también tiene la posibilidad de cambiar la relación de los CTs y PTs, así como también de observar en tiempo real las mediciones del relé y su activación.
4.1.2.2
Modelo Conceptual
El modelo presentado en la figura 1 muestra los subsistemas, los componentes y conexiones entre ellos del esquema propuesto para implementar en el banco de pruebas. En la cRIO se realiza la simulación del sistema eléctrico con ayuda del software DSSim, al mismo tiempo en LabView se programa la captación de datos, principalmente voltajes y corrientes en los nodos, el programa creado en LabView se encarga de captar estos voltajes y escoger un nodo en particular. El main creado en LabView no solo se comunica con DSSim sino también con el módulo FPGA, este último es el que contiene las salidas que representan el nodo de interés, estas señales solo necesitan amplificarse por medio del amplificador de potencia, de voltaje y la carga electrónica tal como se muestre en la figura y conectarse al relay. Al
simularse una falla el relé si está bien programado envía una señal para que se abra el interruptor, esta señal debe llegar hasta DSSim para abrir el interruptor dentro de la simulación.
Figura 1 Modelo conceptual para el banco de pruebas [5]
Como se puede notar en la figura 1, se tienen dos subsistemas el primero se denomina cRIO el cual contiene la simulación en software del sistema eléctrico, también contiene el tiempo de simulación, la señales de salida y entrada que se comunican con los equipos reales o Hardware. Por otro lado la cRIO contiene la programación en lenguaje G, está se encarga de la comunicación TCP-IP interna con DSSim para lograr la captación efectiva de información de la simulación, otra entrada corresponde a la señal de salida del relay, la salida del programa son la corriente del nodo y el voltaje trifásico del nodo interés (donde va a ocurrir la falla). El programa y su funcionamiento se explicarán más adelante.
El segundo subsistema corresponde al Hardware, que corresponde al conjunto de equipos que hace el papel de nodo en términos de voltaje y corrientes, el amplificador de potencia (usado en modo de amplificación de corriente) es monofásico, por tanto las corrientes en el relevador se puentean lo que significa que solo se pueden simular fallas trifásicas, este equipo amplifica la corriente de la FPGA de la cRIO simulando la acción de un CT, donde su relación de vueltas es dicha por la programación del subsistema cRIO. Por otro lado el amplificador de voltaje amplifica la señal proveniente de la FPGA del cRIO correspondiente
al voltaje de los nodos, emulando la acción de un PT en un sistema real. La carga electrónica tan solo cumple la función de simular el comportamiento de una resistencia constante con el fin de dejar fluir la corriente. El relevador es el equipo que contiene la curva de protección, todo este esquema montado se realiza para probar la correcta operación del relé, tal como se nombró anteriormente el relé avisa al cRIO que despeje la falla para que el interruptor se abra en el simulador DSSim.
4.1.3 Protecciones Adaptativas
Las protecciones para sistemas de potencia (eléctrico) con ajuste adaptativa son y deben usarse para cuando en un sistemas especialmente de distribución se cuenta con la presencias de más fuentes de energía que una subestación, estas fuentes son generadores distribuidos, los cuales tienen la capacidad de inyectar potencia en la red. Debido a la inclusión de estos generadores las potencias y flujos cambian dependiendo de cuál y cuantos generadores se encuentren en operación.
Los dispositivos de protección deben contar con un sistema de tele-comunicación que les permita avisar el modo de configuración de la red, en términos de fuentes inyectoras de potencia conectadas al sistema en un momento dado, esta señal debe llegar al dispositivo de protección de protección en tiempo real para que el ajuste de la curva de protección se realice oportunamente, por esta razón el equipo adecuado para esta tarea son los relés o relevadores, en caso de generación distribuida equipos como los fusibles no son la manera correcta de proteger el sistema.
4.2 Marco Histórico
Antecedentes externos
La simulación en tiempo real sirve para cualquier aplicación que se requiera, como por ejemplo para temporizar planes de tráfico, este debe ser afinado con un control de tráfico real, pero realizar estas pruebas en una situación real crearía frustración o interrupción de tráfico en las vías y tomaría tiempo su organización, por tal razón se realizan pruebas con HIL-RT. [1]
Con el fin ampliar los antecedentes y ejemplificar el alcance de HIL-RT, por ejemplo en electrónica de potencia existen muchos controladores a los cuales se les puede probar su operación mediante una simulación con un RTD para pruebas HIL en ciclo cerrado, en el paper de Tae, Wu y Nielsen [3], se puede notar como se simula una fuente y los circuitos de electrónica de potencia se simulan en un RTDS, es decir, en él se guarda su modelo, mientras tanto el control requerido es real, es un algoritmo que se guarda en un microcontrolador, los resultados de este trabajo se pueden encontrar en [3].
El siguiente esquema muestra en un diagrama de bloques el funcionamiento de un sistema HIL-RT, en la figura se ve como existe comunicación entre modelo virtual y el sistema real y viceversa:
Figura 2 Modelo conceptual de HIL-RT [2]
Antecedentes locales
Debido a que la gran mayoría de las simulaciones son off-line, es decir solo se simula con modelos y no se realiza ningún estudio con equipos o sistemas reales. Sin embargo la tendencia internacional es validar los sistemas con simulaciones on-line, en otras palabras, con simulaciones con parte virtual y parte real, el objetivo es mejorar la validación y revisar equipos reales a través de simulaciones y evitar fallas o costos adicionales. [4]
En la universidad de los Andes el estudiante Luis Montoya desarrollo un proyecto con objetivo similar, en donde su fin era validar protecciones adaptativas a través de una simulación en tiempo real [5]. Por otro lado un segundo proyecto de grado realiza un proceso de co-simulación en tiempo real, el cuál estructuró el envío de y recepción de datos entre los dos programas software, aunque este no implementa Hardware in the Loop muestra como dos sistemas especializados en simulación puede realizar una tarea mutua y además en tiempo real. [6]
5
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
La metodología a seguir durante el proyecto se basa en procesos secuenciales, donde las semanas iniciales se realiza una búsqueda bibliográfica con el objetivo de entender conceptualmente los términos y el problema, esto sirve para definir los siguientes pasos. Después los siguientes pasos a seguir son las capacitaciones necesarias en el manejo del
hardware necesario tal como la cRIO el amplificador de potencia, la carga electrónica y el relé, al mismo tiempo el aprendizaje del software necesario como DSSim y LabView. Luego de adquirir los conocimientos necesarios se procede a la implementación del sistema de distribución en el cuál se quiere implementar y realizar las pruebas de Hardware in the Loop además de ser Real Time, luego se implementa y se válida para concluir acerca del funcionamiento de las protecciones adaptativas durante la simulación.
Figura 3 Metodología de trabajo
5.1 Plan de trabajo
El desarrollo del proyecto de grado siguió las tareas que se nombran a continuación, cada uno con un tiempo asociado:
Revisión Bibliográfica: Esta sección del tiempo se invertirá en consultar el estado del arte y en entender los requerimientos y el problema, empezando por conceptos como real time y hardware in the loop. Semana 1 a 4.
Capacitaciones: En esta etapa es necesaria para la implementación del sistema, en ella se estudia y se aprende sobre todos los equipos necesarios para el banco de pruebas (relay, amplificadores, carga electrónica, cRIO etc.), también se aprende de manera básica los software necesarios (DS-Sim, LabView, IPScom). Semana 5 a 9.
Implementación del sistema: Se hace el diseño del banco de pruebas a usar, se realiza la programación necesaria en lenguaje G (Main en LabView y el bloque HIL de la FPGA de la cRIO), también la implementación (conexiones de los equipos) y primeras pruebas. Semana 10 a 13
Aplicar pruebas al o sistemas: En esta etapa se escogen sistemas de distribución, donde se tengan curvas TCC con técnicas de protecciones adaptativas, también deben consignar y analizar los resultados. Semana 14 a 15.
Análisis y Conclusiones: Documentación y presentación del trabajo realizado. Semana 16.
Las reuniones semanales con el asesor de este proyecto y/o sus asistentes fueron programadas los lunes desde la semana 3 de 3:30 p.m. a 5:00 p.m. donde se trataron los temas de interés del proyecto, adicionalmente en este espacio se presentaban dudas o problemas a solucionar tanto a nivel conceptual como de software de simulación. También se presentó un informe de avance en la semana 11-12 que fue revisado por el asesor el cual dio su voto de aprobación.
5.2 Búsqueda de información
La información bibliográfica fue obtenida gracias a las bases de datos de la biblioteca de la Universidad de los Andes, también se obtuvieron artículos con los temas de interés en IEEE Explore. La selección de información fue realizada con los conocimientos y criterios adquiridos a lo largo de la preparación académica del autor, así mismo de las contribuciones realizadas por el asesor del proyecto de grado y sus asistentes.
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TRABAJO REALIZADO
El trabajo realizado está basado en el esquema o modelo presentado en la figura 1, en esta se nota dos secciones a trabajar una de Software (cRIO) y una segunda de Hardware, estas fueron desarrolladas tal como se describe a continuación.
Hardware
Para el correcto montaje y operación del banco de pruebas se plantea el esquema de conexiones mostrado en la figura 4, este tiene en cuenta un adecuado flujo de corrientes como también un tratamiento apropiada con las señales de voltaje, esto para que al relevador puedan llegar los voltajes y corrientes adecuados tanto en operación normal
como en una falla. La figura 4 muestra el esquema de conexiones en diagramas de bloques de cada uno de los equipos.
Figura 4 Esquema de conexión del banco de pruebas
En la figura 4 se observa que de la cRIO salen tres señales de voltaje que indican las tres fases y su respectiva tierra (Va, Vb, Vc). También, sale una sola señal de corriente (I), debido a que el amplificador de corriente es monofásico. Esta señal es amplificada y llevada al relay para ser leída y luego se conecta con la carga para lograr que el flujo de corriente se haga efectivo, por tal razón la tierra del amplificador de corriente se conecta directo a la carga electrónica y representa el lado secundario del CT. Por otra parte, las señales de voltaje son amplificadas por el equipo correspondiente. Estas señales llegan al relevador para ser leídas, representando en un sistema real los valores de voltaje dados por el PT.
- Carga Electrónica: Para hallar la resistencia adecuada en la que se va a operar es conveniente saber que el límite del voltaje máximo del amplificador es 200, sin
embargo se propuso que fuera 120 V, por tanto para hallar la resistencia se tiene en cuenta la corriente máxima que corresponde a la corriente de falla.
𝑉 = 𝐼𝑅 𝑅 =𝑉 𝐼 𝑅 =
120𝑉 𝐼𝑚á𝑥
- Amplificador de voltaje: Este amplificador está adecuado para amplificar hasta 60 V, por tanto la relación del PT estará dado por estos voltios y también al voltaje del nodo de interés en el sistema de distribución simulado.
𝑃𝑇 𝑜 𝑉𝑇 = 𝑉𝐿𝑁 60𝑉
- Amplificador de corriente: El amplificador en modo de corriente tiene una ganancia de 6 A / 1V, teniendo en cuenta la máxima corriente de corto en el sistema de distribución es conveniente realizar una disminución con la relación de vueltas del CT, esto también se realiza con el fin de no entregar una corriente mayo a la que el relé puede soportar sin presentar daño, protegiéndolo de esta manera.
La relación de vueltas de CT varía de acuerdo a la corriente máxima de falla que se espera tener, por ejemplo si se conoce que la corriente de falla más grande que puede circular en el punto de falla donde opera el relé es 3000 A, una relación de vueltas esperada es que sea mayor de 1000:1 A, para que por el relé máximo fluyan 3 A.
Software
En términos de software se tienen tres programas en total, DSSim que es el simulador del sistema eléctrico que se encuentra en simulación que corre sobre el sistema operativo Windows 7 embebido, por otro lado tiene un programa operando en simultaneo en la FPGA de la cRIO ya que es independiente y su programación es tipo hardware que presenta la ventaja de la velocidad de procesamiento y es una programación en paralelo, este es denominado HIL este se conecta con los módulos de entrada y salida, por tal razón este programa es el que al fin de cuentas el que da las señales a los amplificadores, y lee si el amplificador está cerrado o abierto. Un tercer programa con lenguaje G que se encarga en primera instancia de la comunicación entre los dos, con DSSim a través de una conexión interna TCP-IP para la obtención de datos de simulación y en paralelo el procesamiento de datos para detectar fallas, tratamiento de datos para entregárselos a la FPGA donde finalmente se tienen las salidas de la cRIO. Lo descrito anteriormente se puede observar gráficamente en el esquema de la figura 5.
Figura 5 Esquema de conexión de las comunicaciones internas en la cRIO
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VALIDACIÓN DEL TRABAJO
7.1 Trabajo Computacional
7.1.1 LabView
Para realizar pruebas sobre el sistema de software y revisar su operación se realizó primero un código en off-line donde se pudiera observar y realizar la mayoría de procesos necesarios para la implementación en RT-HIL como segundo paso. Esta simulación contiene objetivos importantes como la comunicación entre el programa DSSim y LabView, la lectura de datos de voltajes y corrientes de nodos y switch, también cuenta con un algoritmo para cambiar las curvas TCC de los dispositivos del sistema eléctrico simulado a través de botones (solo en caso de simulación off-line), bloques de comunicación con la FPGA, cálculos de impedancias de secuencias.
Programación
La programación en labView como se nombró con anterioridad contempla la captación de datos de la simulación eléctrica en DSSim y el respectivo procesamiento de datos, así como
también se encarga de las salidas de la cRIO que se comunican con el hardware in the loop como en la figura 5. Esta programación está compuesta por dos partes esenciales como se muestra en la figura 6, la primera sección encerrada en un recuadro rojo en la parte superior de la imagen, esta parte de la programación se encarga de iniciar la comunicación con DSSim y extrae los datos de simulación (voltajes en los nodos y corrientes en los switches), finalmente también termina la comunicación, también se recibe la señal de relay si está cerrado a abierto y está se transmite en cada iteración al dispositivo de protección correspondiente a DSSim.
Por otro lado la sección inferior encerrada en verde se encarga del procesamiento de los datos ya captados de voltajes y corriente para el nodo de interés, se encarga de la comunicarse con el hardware in the loop externo a través de la FPGA, este bloque se encarga de iniciar las señales senoidales que se van a amplificar, se lee la relación de vueltas del CT para la amplificación de corriente, se extrae el voltaje y corriente de interés para la falla, dentro del for de este bloque también se detecta el momento de falla por medio de un aumento de corriente, se indica a la FPGA las salidas correspondientes para el amplificador de voltaje y de corriente, por último se tiene un bloque que cierra la amplificación en casa de querer parar el sistema. Estas dos secciones nombradas corresponden al main del programa, y con estos se realiza tanto la cosimulación como la operación HIL-RT como los bloques internos se muestran con detalle en el anexo 12.1.
Interfaz
La interfaz de usuario corresponde a una manera gráfica y palpable para usar la programación anterior, fue diseñada para ser de fácil entendimiento y para que estudiante usaran este proyecto de grado para efecto de uso del relay y demás. Esta interfaz se puede observar en la figura 7, para su mayor entendimiento y explicar con mayor entereza su funcionamiento se dividió en seis partes. La parte encerrad en rojo cuenta con una imagen interactiva del relay, además cuenta con tres entradas que debe definir el usuario, se debe indicar el nombre del switch y del nodo de interés además de indicar el nombre de la falla que debe estar dispuesto en la tabla de control encerrado en un recuadro verde, de esta la programación obtendrá la relación de vueltas del CT y el valor nominal de corriente. En azul se encuentra el visor de voltajes en forma fasorial del nodo escogido, encerrado en rosado se muestra el tiempo de duración de la falla y también el tiempo que dura abierto el relevador. Las partes encerradas en recuadros de color morado y amarillo solo funcionan en caso solo co-simulación, en el primero se muestra en una tabla los nombres de las curvas TCC posibles que previamente han sido dispuestas para que DSSim sea capaz de leerlas, y se tienen tres botones para cada configuración del sistema de distribución, en este caso para el sistema eléctrico 1 (ver sección 7.2.1) se tiene solo red, solo generador, y red con generador, por último en el recuadro amarillo se muestra como debería ser la curva TCC escogida, en el ejemplo de la figura se tiene para el relay R_1 (nombre del switch) en caso de que el sistema esté operando con generador y con red al mismo tiempo.
Para ver, entender y observar en mayor detalle los bloques usados en la programación recurrir al anexo 12.1, donde se muestran las imágenes de los sub-VIs o Sub-bloques usados para la implementación total, así como también del VI de la FPGA. Sin embargo para analizar la programación y probar su funcionamiento, es necesario conocer el sistema simulado el cuál se presenta en la siguiente sección.
7.1.2 Validación mediante Co-Simulación
Antes de comenzar las pruebas y posteriormente la toma de resultados con el banco de pruebas, se decidió realizar pruebas con meramente co-simulación entre DSSim y LabView, usando las secciones amarilla y morada de la figura 7, la idea es probar o verificar mediante simulación el funcionamiento de la técnica de protecciones adaptativas, para realizar esta tarea se trabajó con el caso del sistema eléctrico 1, pero previamente se tradujo las curvas dadas en el anexo 12.2 a puntos para ser introducidas en el lenguaje de DSSim. Posteriormente se remite a la co-simulación de los dos programas, en esta etapa el usuario escoge en qué modo de operación se encuentra el sistema (solo red, solo generador, red y generador al tiempo) y el programa automáticamente le indica a DSSim las curvas de protección respectivas para el caso (ver anexo 12.1).
En DSSim se debe programar la falla en el tiempo que el usuario determine y se deja corriendo la simulación, luego se debe esperar a que ocurra la falla en la simulación, durante este proceso se observa cómo se eleva la corriente y después de un instante de tiempo la falla se despeja y el dispositivo en la simulación de DSSim se abre y se despeja la falla, a continuación se muestra un ejemplo con lo relatado anteriormente. Se tiene el montaje del sistema Eléctrico 1 (ver 7.2.1) en DSSim donde se simula la falla, la configuración del sistema es con red y generador alimentando el circuito, con respecto a la curva TCC para este ejemplo corresponde al caso 3.
Figura 9 Vista del programa en LabView en pre-falla
En la figura 8 se puede notar la programación de la falla, para el ejemplo el nombre de la falla es f1, es una falla trifásica en el barraje n_3, en la figura 9 se pude observar el funcionamiento en paralelo de DSSim (izq) y de LabView (der), se puede notar que los relay están cerrados (en verde) antes de la falla (en la imagen el segundo 1.297), mientras que en la interfaz de labView se puede ver que fue escogido el modo de red y generador como se planteó, el voltaje en fasores en la imagen central y el estatus del relé. Después de ocurrida la falla el sistema despejará la falla mediante el switch R_1.
7.2 Validación de los resultados del trabajo
7.2.1 Sistema Eléctrico 1
El sistema escogido para simular en DSSim se presenta en la figura 8, es un sistema de 13.8 kV sencillo con un generador distribuido basado en inversor de 1MW con fp= 0.9 donde la carga es de la misma potencia y el equivalente de red es 165 MVA trifásico y 120MVA monofásico. El grupo de curvas TCC que corresponde protecciones adaptativas debido a que se presentan tres casos, uno cunado solo se alimenta con red, un segundo con solo
generador y un tercero con red y generador al mismo tiempo, estas curvas fueron dadas por otro proyecto de fin de carrera que se realiza en paralelo y se pueden observar en el anexo 12.2.
Figura 10 Sistema eléctrico 1 simulado en DSSim
Se analizaron tres casos de operación en este sistema con las cuales la curva de protección son adaptativas dependiendo de las condiciones del sistema, en el primer caso el sistema se encuentra se encuentra únicamente por la red, mientras que el segundo caso corresponde a operación en modo isla, es decir, que el sistema se encuentra alimentado por el generador y la red se encuentra desconectada, el tercer caso de operación tanto la red como el generador se encuentran en funcionamiento.
El dispositivo de protección seleccionado para modelar sus curvas de protección el denominado R_1, este se encarga de proteger la carga LD_1. A continuación se muestra el proceso usado para la programación de las curvas TCC en el relé. También se muestran los resultados obtenidos del relé por la simulación RT-HIL con el banco de pruebas.
Proceso
Para la programación de relay es relevante conocer la relación de vueltas del PT y del CT, para el caso del CT esta debe escogerse de tal manera que en la corriente máxima de falla del sistema, al lado secundario del CT salga una corriente aceptable para el relay, la siguiente tabla muestra la relación de vueltas de acuerdo a la corriente de corto para cada
caso. La relación de vueltas del PT depende del nivel de tensión del nodo y del voltaje de amplificador usado, por tanto para este caso es 13.8𝑘𝑉
√3∗60𝑉.
Tabla 1 Relación de vueltas del CT para cada caso
Máx I de corto Relación de vueltas 4.7 kA 1000A : 1A
110 A 50A : 1A 4.8kA 1000A : 1A
Las curvas programadas en el relé fueron escogidas de tal manera pudieran despejar la falla en el tiempo correspondiente en la curva dada por el anexo b, de igual manera para la corriente de operación normal. Los parámetros a resaltar son la función del relay escogida que es la 51P que corresponde a sobre-corriente instantánea, además la corriente de pickup que corresponde con la corriente de operación nominal de la carga a proteger, y el time dial que indica que tan inverso es el tiempo respecto a la corriente, cambiando estos parámetros y escogiendo la forma de la curva se logra un equivalente de la curva TCC dada en el anexo.
Resultados
Las siguientes figuras (9,11 y 13) muestran las curvas TCC programadas en IPScom para cada caso, el eje x esta referenciado al lado de alta del CT, por ejemplo en el primer caso como la relación es 2000:1 entonces el 1 en el eje X representa 1000 A, la máxima corriente de falla es 4.7K que de acuerdo a la relación de vueltas representa 4.7 en el eje X. Con respecto al tiempo despeje de la falla este debe corresponder al mismo que en la gráfica TCC correspondiente en el anexo b.
Las oscilografías figuras (10,12 y 14) muestran las señales de voltaje y corriente leídas por el relay y que fueron grabados en un ordenador para su lectura, en estás se puede ver el momento en que el voltaje decae y la corriente aumenta de magnitud abruptamente que es justo cuando ocurre la falla y también el momento del despeje que corresponde al instante en donde la corriente se vuelve cero.
Figura 11 Curva TCC relay caso 1
Figura 12 Oscilografía de voltajes y corriente en el relé caso 1
Figura 13Curva TCC relay caso 2
Figura 14 Oscilografía de voltajes y corriente en el relé caso 2
Figura 15 Curva TCC relay caso 3
Figura 16 Oscilografía de voltajes y corriente en el relé caso 3
Para probar la efectividad y funcionamiento es necesario observar los tiempos de despeje de la falla, para ello hay dos formas de medir este tiempo, una manera es observar la diferencia de tiempo entre el momento que ocurre la falla y el momento que se despeja en la oscilografía, la segunda manera es con la programación de LabView de la cRIO, en la programación de la FPGA (por tanto es confiable y rápida) que detecta una falla y también su despeje y calcula el tiempo de duración de la misma. Los datos obtenidos por estos dos métodos se muestran en la siguiente tabla y son contrastados con el tiempo dado en las curvas TCC a las que deberían asemejarse.
Tabla 2 Tiempo de despeje de las fallas para cada caso
Tiempo despeje
Caso Metodo1 Metodo2 dado por la TCC
1 0.0410 0.040054 0.02
2 0.1850 0.180176 0.17
3 0.0405 0.039892 0.02
De la tabla se puede observar que el tiempo de despeje obtenido de los resultados del bando de pruebas son muy similares dando muestra así de la precisión, también se nota que cuando el tiempo es muy pequeño como en el caso 1 y 2 hay un retraso en el relay que puede explicar la diferencia de tiempo 0.04 s entre el tiempo obtenido del banco de pruebas (método 1 y método 2) con respecto a la referencia, a pesar de ello tal como se esperaba para cada caso el tiempo de despeje corresponde a lo esperado. También cabe recalcar que las curvas TCC y los resultados pertenecen al relé R_1 un relevador que de acuerdo al caso de operación de la red, su curva se ajusta cambiando sus parámetros lo cual puede cambiar finalmente el tiempo de despeje tal como se puede observar en la tabla 2.
Todos los datos anteriores corresponden al relay R_1, para mostrar el funcionamiento y probando la coordinación, se realiza una falla en el n_3 pero ahora la curva programada corresponde y se asocia a R_5, las siguientes figuras muestran la curva de protección y la oscilo grafía correspondiente.
Figura 18 Oscilografía Voltajes y corriente en R_5 con falla en n_3
7.2.2 Sistema Eléctrico 2 (13 Nodos)
El sistema trece nodos de ejemplo de la IEEE no cuenta con generación distribuida por tanto fue agregado un generador basado en inversores de un 1 MW en el nodo n_692 con el fin de apreciar un cambio en la curva de protección, el criterio y las especificaciones en detalle provienen del proyecto de grado llamado “estudio de coordinación de protecciones en sistemas de distribución con GD basada en inversores” de la misma autoría. En la siguiente figura se puede ver el esquema unifilar del sistema 13 Nodos y también se aprecia el generador G_1 con su respectiva protección conectados al nodos 692, entre los nodos 671 y 692 se tiene el dispositivo de protección que tiene el sistema por defecto.
El proceso realizado es el mismo que para el sistema eléctrico anterior, por tanto más que explicarlo se mostraran los resultados. La tabla muestra la relación de vueltas del CT, para el PT en este caso sería 4.16𝑘𝑉
√3∗60𝑉
Tabla 3 Relación de vueltas del CT para el SW_1 (13 Nodos)
Caso Máx I de corto Relación de vueltas
Solo red 3.3 kA 1000A : 1A
Red y Generador 3.3 kA 1000A : 1A
Figura 19 Sistema 13 Nodos con IBGD en nodo 692
Las curvas TCC para este sistema se pueden ver en el anexo 11.2, a continuación se muestran las curvas programadas en el relé las cuales al igual que en la anterior sección, se tuvo prioridad en que el tiempo de la falla fuera el mismo que en la curva del anexo debido a que se quiere que el comportamiento de la simulación HIL sea concordante con la curva teórica diseñada para la protección del sistema en ese nodo.
Figura 21 Oscilografía Voltajes y corriente en SW_1 con falla en n_692
Figura 22 Curva TCC SW_Gen, Red y generador (13 Nodos)
Figura 24 Curva TCC SW_1 Red y generador en sentido inverso (13 Nodos)
Para el 13 Nodos también se obtuvieron tiempos de despeje de falla que se muestran en la siguiente tabla, en ella se puede ver que los tiempo medidos por los métodos 1 y 2
corresponden con los tiempos esperados idealmente dado por la curva TCC de referencia (ver anexo).
Tabla 4 Tiempo de despeje de las fallas para cada caso (13 Nodos)
Tiempo despeje
Caso Relay Metodo1 Metodo2 dado por la TCC
Solo red SW_1 0.0603 0.059123 0.03
red + IBGD SW_1 0.3639 0.35999 0.367
red + IBGD SW_Gen 0.0582 0.05602 0.02
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DISCUSIÓN
Se realizó el diseño conceptual del banco de pruebas para implementar una simulación tipo hardware in the loop en tiempo real, con el propósito de probar el funcionamiento de un relé con distintas curvas TCC pareciéndose a una protección con ajuste adaptativo para un sistema de distribución con generación distribuida. Para ello se diseñó un programa en LabView con un fin académico, para que un estudiante pudiera realizar pruebas y entendiera el funcionamiento del relé, también entender el concepto de protección adaptativa y acercarlo a una aplicación real. Este programa en LabView juega el papel de procesar de datos y conecta la simulación de un sistema eléctrico en DSSIm con el relé, es decir conecta la parte de simulación en software con un equipo real como lo es el relé, logrando de esta manera lo que se denomina HIL.
Primero se planteó primero una co-simulación sin HIL ni RT, con el fin de probar por medio de una simulación netamente de software, en esta LabView por medio de una interfaz gráfica permite al usuario cambiar la configuración del sistema (solo red, solo generador,
red y generador), la programación realizada se encarga de indicar a DSSim estas variaciones, luego se procede a la simulación de la falla verificando que el relé opere en la simulación. El segundo paso del trabajo consta la prueba RT-HIL donde se observa el comportamiento del equipo de protección analizado, midiendo los tiempos de apertura de falla indicados por el relé, corroborando este tiempo con el calculado en la programación de LabView y con el esperado de la curva TCC dada.
Como trabajo futuro se plantea que con un relé más avanzado que el IVECO probar que un relé si cambia sus curvas TCC ya predeterminados de acuerdo a una entrada que le indique la configuración del sistema (cuáles fuentes de energía están conectadas).
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CONCLUSIONES
Las simulaciones HIL-RT son una herramienta poderosa para la realización de pruebas previas a un montaje real, evitando costos de posibles daños en los sistemas como en el equipo de interés. También sirven para prever de manera más confiable los resultados de la operación del sistema. Por ejemplo en este caso se probó el funcionamiento del relé en distintos escenarios para verificar su correcto funcionamiento especialmente en condiciones de falla, esto sin la necesidad de un sistema real ya que con el banco de pruebas realizado basta.
Los tiempos obtenidos para el despeje de la falla por el equipo real, son consistentes con las curvas TCC guía. También debe aclararse que en esta simulación RT-HIL no se cuenta con la presencia de un interruptor el cuál debe considerarse en un sistema real, debido al tiempo que este demora mitigando la corriente de falla.
Para la implementación de protecciones adaptativas en un escenario real es necesario un canal de tele-comunicación con el dispositivo de protección (relevador), esto con el sentido de poder enviarle la configuración de fuentes del sistema y que el automáticamente configure la curva TCC apropiada para cada configuración. Con esta restricción se puede decir que dispositivos con curva fija como los fusibles no funcionan en presencia de generación distribuida y serían los relés los que ocuparán su lugar.
En este proyecto se realizó pruebas con un relé programable que permite cambiar su curva desde un ordenador, sin embargo solo se tiene una curva al tiempo, para cambiarla se debía programar la siguiente. Como trabajo futuro se plantea realizar pruebas con un relé que permita programar cierta cantidad de curvas y activar una u otra dependiendo la entrada
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AGRADECIMIENTOS
A mis padres Gustavo Granados y Francia García quienes me dieron la vida y me han apoyado a lo largo de ella, y que gracias a su educación y sacrificios me han sacado adelante a pesar de las adversidades y condicione económicas.
Al profesor Gustavo A. Ramos López por su colaboración, acompañamiento y enseñanzas dadas no solo para este proyecto de grado sino también a lo largo de la carrera, de él obtuve no solo conocimientos académicos sino también de ética profesional.
A Miguel Hernández, Juan Diego Pico y David Celeita que estuvieron dispuestos a la entera colaboración para con el proyecto de grado.
A mis compañeros que estuvieron batallando durante estos semestres y por último quiero hacer un reconocimiento especial a un grupo de amigos, con los cuales se trabajó arduamente y fueron de grata compañía y felicidad, entre ellos: José Pestana, Cristian Castellanos, Sebastián Cárdenas, Sebastián Parra, Andrés León, Camilo Sarmiento, Jorge Malo.
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REFERENCIAS
[1] Li Zhen, Kyte Michael, Johnson Brian, “Hardware-int-the-loop real-time simulation interface software design” Washington D.C. IEEE Intelligent Transportation Systems Conference 2004.
[2] Fennibay Dogan, Yurdakul Arda, Sen Alper”Introducing Hradware-in-Loop Concept to the Hardware/Software Co-design of Real tiem Embedded Systems”, IEEE -International Conference on Computer and Information Technology 2010
[3] Tae Seung, Cha, Qiuwei, Arne Hejde Nielsen, Osterdaard Jacob,“Real-Time Hardware-in-the-Loop (HIL) Testing for Power Electronics Controllers” University of Denmark(DTU)
[4] “Modelación computacional y simulación real-time de una conexión HVDC con hardware in-the-loop”
[5] Montoya Salazar Luis Alejandro,"Validación de protecciones adaptativas por medio de simulación en tiempo real", 2012 Universidad de los Andes
[6] Archury Nicolás, “Diseño de una banco de pruebas para la simulación dinámica de sistemas de potencia den real time”, Universidad de los Andes
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ANEXOS
12.1 Programación (Bloques de programación).
En la sección 7.1 se mostró el main de la programación, en este anexo se mostrará con más detalle los bloques internos que se llaman desde el main y el que controla las salidas de la FPGA de la cRIO. A continuación se muestran los Sub-VIs y su respectiva explicación:
Bloque Control_Main: Esta subrutina tiene como entrada la tabla de control y el nombre de la falla a evaluar, de esta se obtiene el dato numérico de la relación de vueltas (Numeric2 en la figura) y también el dato de corriente al cuál se tiene una sobre-corriente (Numeric), el cuál es el criterio con el que el programa sabe cuándo se presenta una falla, que es cuando se sobrepasa la corriente nominal en 1.25 veces.
Figura 25 Esquema del VI del Bloque Control Main
Bloque DSSim Adquired: Este bloque se encarga de adquirir datos de la simulación en DSSim gracias a la comunicación TCP-IP que se tiene, se obtienen los voltajes de los nodos, las corrientes y los nombres de los switches, toda esta información se guarda en una variable global llamada DisSysInfo. En la figura que se muestra a continuación se puede ver que internamente se tiene otro subVI que se encarga de la conexión con DSSim.
Figura 26 Esquema del VI del Bloque DSSim Adquired
Bloque Phase to Sequence: Este subVI relaiza la tarea de calcular las impedancias de secuencias, para ello primero se obtiene los voltajes y corrientes de fase, con estos datos se calcula la matriz de impedancias de fase, como paso siguiente se aplica la transformación de Fortescue obteniendo de esta manera la matriz de impedancias de secuencia psotiva, negativa y cero.
Figura 27 Esquema del VI del Bloque Phase-to-Sequence
Bloque RTU: Este bloque llama la variable global DisSysInfo y extrae la información relevante, es decir, que obtiene solo la corriente de una fase del switch debido a que el amplificador de corriente es monofásico, también los voltajes de cada fase del nodo donde en la vida rea estaría el PT (el amplificador de voltaje es trifásico).
Figura 28 Esquema del VI del Bloque RTU
Bloque Volt_to_FPGA: Este bloque de programación es el que le sigue en secuencia al anterior, ya que este con los voltajes dados y la corriente se encarga de comunicarle a la FPGA cales son los valores que debe tomar, para la corriente le envía el valor pico y el ángulo, para los voltajes envía el valor pico de cada fase y su respectivo ángulo. Interno a este módulo como se puede ver en la siguiente figura se tiene el bloque phase to sequence que calcula las matriz de impedancias de secuencia.
Figura 29 Esquema del VI del Bloque Volt_to_FPGA
Bloque HIL: Este es el bloque que se compila a un lenguaje de programación en paralelo para que la FPGA de la cRIO pueda correrlo, a través de módulos análogos y digitales se expresa los valores de voltaje y corrientes en valores reales que serán amplificados e ingresados al relé. Este bloque también capta y mide cuando se presenta una falla.
Figura 30 Esquema del VI del Bloque HIL interfaz gráfica (arriba) y programación (abajo)
En la interfaz gráfica se pueden ver los valores a amplificar de corrientes y voltaje en la parte izquierda, un botón que indica cuando hay falla, dos botones que indican el estado del relay (cerrado o abierto), también se tiene otros indicadores de tiempo el principal de ellos el tiempo de duración de la falla (es un contador que inicia con la detección de la falla y termina con el despeje).
12.2 Curvas TCC
Las curvas dadas a continuación corresponden a la coordinación de protecciones para el mismo sistema de distribución realizado en un proyecto trabajado en paralelo
Las curvas para el sistema eléctrico 1
Curvas para el sistema eléctrico 2 (13 Nodos) - Solo red
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Proyecto de Grado 2015-10
RESUMEN EJECUTIVO / EXECUTIVE SUMMARY
DISEÑO DE UN SISTEMA RT-HIL PARA USO DE RELÉS EN
CONDICIÓN DE PROTECCION ADAPTATIVAS
Gustavo A. Granados G.
Estudiante 201115399
ga.granados2251@uniandes.edu.co
Gustavo Ramos Ph.D.
Asesor Profesor Asociado gramos@uniandes.edu.co
Introducción
Las simulaciones presentan una gran ventaja a la hora estimar un resultado real, estás proporcionan la oportunidad de detectar posibles problemas, evitar daños en equipos reales, además ahorra gastos o costos monetarios por las mismas razones. El propósito general de este trabajo es crear un ciclo cerrado donde el sistema RT-HIL sea capaz de recibir el estado actual del relé, adicionalmente el sistema debe proporcionar al relé los voltajes y corrientes necesarios (datos que se obtendrán de un simulador de sistemas eléctricos).
El problema
Realizar el diseño y la implementación de un sistema de pruebas RT (Real Time) – HIL (Hardware in the loop) para el uso de relés en condiciones de coordinación de protecciones con ajuste adaptativo. Se trabajó con el relé y los equipos dispuestos en el laboratorio, al relé se le programa la curva de protección y luego se prueba su operación mediante una co-simulación LabView-DSsim.
Descripción del Proyecto
En la etapa inicial del proyecto el autor se dedicó al diseño conceptual de la implementación, así como también en el aprendizaje de todos los conocimientos necesarios para el manejo de los software como DSSim, LabView IPScom, también para el manejo de los equipos que harán parte del Hardware in the Loop como lo son la carga eléctrónica, amplificador de corriente y de voltaje, la cRIO. En la siguiente imagen a al izquierda se puede ver el esquema de conexión del banco de pruebas usado (derecha) y también el concepto de las conexiones internas de la simulación en términos de software en la cRIO (izquierda).
Figura 31 Conexiones cRIO y banco de preubas (resumen ejecutivo)
La segunda etapa consto del desarrollo de programación en LabView para la realización de las pruebas en co-simulación como en RT-HIL para la realización de pruebas sobre el relé. Para esto se realizó un programa con interfaz en LabView como se puede ver en la siguiente figura.
En esta interfaz se realizaron todas las pruebas y se obtuvieron los resultados de la operación del relé para el caso del sistema eléctrico 1. Para el sistema 13 Nodos se presentaron problemas en la co-simualción entre DSSim y LabView por lo que no se obtuvieron resultados razonables para comparar.
Conclusiones del trabajo realizado
Las simulaciones HIL-RT son una herramienta poderosa para la realización de pruebas previas a un montaje real, evitando costos de posibles daños en los sistemas como en el equipo de interés, también dan mayor confiabilidad sobre los resultados encontrados sobre una operación del sistema.
Los tiempos obtenidos para el despeje de la falla por el equipo real, son consistentes con las curvas TCC guía, tanto para el sistema 1 como para el 13 Nodos. En esta simulación RT-HIL no se cuenta con la presencia de un interruptor el cuál debe considerarse en un sistema real, debido al tiempo que este demora mitigando la corriente de falla, por lo cual esto puede agregarse en un trabajo futuro y verificar el funcionamiento con un relé que permite cambiar la curva de acuerdo a una entrada y no volviéndolo a programar como con el relé que se trabajó durante este proyecto.
Nota
Para entender y ver con mayor detalle la programación y la interfaz gráfica remitirse al documento y sus anexos.
Visto Bueno del asesor:
Gustavo A. Ramos L. Ph.D.
