MODELAMIENTO E IMPLEMENTACIÓN DE UN ESQUEMA DE CO-SIMULACIÓN BASADO EN PYTHON PARA PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA SIMULADOS EN POWER FACTORY

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MODELAMIENTO E IMPLEMENTACI ´ ON DE UN ESQUEMA DE CO-SIMULACI ´ ON BASADO EN PYTHON PARA PROTECCI ´ ON DE SISTEMAS

DE POTENCIA SIMULADOS EN POWER FACTORY

Proyecto de grado para obtener el titulo de Pregrado

en

Ingenier´ıa El´ ectrica

por

Jeison Alexander Timana Rangel 201617870

asesor:

Gustavo Andr´ es Ramos L´ opez

co-asesor:

David Felipe Celeita Rodriguez

jurado:

Paulo Manuel de Oliveira de Jesus

FACULTAD DE INGENIER´IA - DEPARTAMENTO DE INGENIER´IA

EL´ ECTRICA Y ELECTR ´ ONICA

(2)

Agradecimientos

A las personas que me acompa˜naron en las etapas importantes de mi vida, a mis amigos quienes me han apoyado, a las personas que trabajan a diario para mejorar la calidad de vida de las personas mas vulnerables y en especial a mis padres por sus esfuerzos para crecer personal y profesionalmente.

A mi asesor, el profesor Gustavo Ramos, quien a partir de sus conocimientos me permitió desarrollar habilidades útiles para el desarrollo de proyecto. A David Celeita, mi co-asesor, un gran ser humano que da la motivación para mejorar la calidad de mis proyectos.

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Abstract

This project focuses on designing and implementing a virtualized relay modeled in Python to be installed in a Virtual Relay in the Loop scheme, in terms of the project.

The work consists of designing a Web interface that allows configuring a virtualized relay in the DIgSILENT PowerFactory power system simulation software and performing simu- lations under electrical fault conditions; The relay performs protection algorithms based on the IEEE / ANSI standard C37.2 and implementations of manufacturers such as SEL and Siemens to execute trip orders given a protection coordination. The interface allows a user to configure the ANSI 50, 61, Directional Overcurrent, 79 and 87L functions; in ad- dition, select projects stored by the user in the PowerFactory software, define fault events and select the measurement points that will be processed by the relay. This document describes the stages and methodologies implemented to prepare the project. Finally, a test is performed with the IEEE 13 node case, modeled by the software developers.

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Resumen

Este proyecto se enfoca en diseñar e implementar un relé virtualizado modelado en Python para ser instalado en un esquema Virtual Relay in the Loop, en términos del proyecto. El trabajo se compone en diseñar una interfaz Web que permita configurar un relé virtualizado en el software de simulación de sistemas de potencia DIgSILENT PowerFactory y realizar simulaciones bajo condiciones de fallas eléctricas; el relé realiza algoritmos de protección basados en el estándar C37.2 del IEEE/ANSI e implementa- ciones de fabricantes como SEL y Siemens para ejecutar ordenes de disparo dada una coordinación de protecciones. La interfaz permite a un usuario realizar la configuración de las funciones ANSI 50, 61, sobre corriente direccional, 79 y 87L; además, seleccionar proyectos almacenados por el usuario en el software PowerFactory, definir eventos de falla y seleccionar los puntos de medición que serán procesador por el relé. El presente documento describe las etapas y metodolog´ıas implementadas para la elaboración del proyecto.

Finalmente se realiza un test con el caso IEEE 13 nodos, modelado por los desarrolladores del software.

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´ Indice general

Agradecimientos I

Abstract II

Resumen III

1. Introducci´on 1

2. Objetivos 2

2.1. Objetivo General . . . 2

2.2. Objetivos Espec´ıficos . . . 2

2.3. Alcance y productos finales . . . 3

3. Justificación 4 4. Marco Teórico E Histórico 5 4.1. Marco Teórico . . . 5

4.1.1. Componentes sim´etricas . . . 5

4.1.2. Filtro de Fourier . . . 5

4.1.3. ANSI 50 . . . 6

4.1.4. ANSI 51 . . . 6

4.1.5. Curvas de tiempo inverso . . . 6

4.1.6. Funci´on Direccional de Sobre Corriente de Secuencia Positiva . . . . 7

4.1.7. ANSI 79 . . . 7

4.1.8. Funci´on diferencial de linea 87L . . . 8

4.2. Marco Hist´orico . . . 8

5. Definición y Especificación del Trabajo 9 5.1. Definición . . . 9

5.2. Especificaciones . . . 9

(6)

7. Trabajo realizado 11

7.1. Descripci´on del Resultado Final . . . 11

7.2. Trabajo Computacional . . . 11

7.2.1. Conexi´on con PowerFactory . . . 11

7.2.2. Pre procesamiento de datos . . . 12

7.2.3. Rele Virtual en Digsilent . . . 12

7.2.4. Interfaz Web . . . 13

8. Validaci´on del Trabajo 16 8.1. Metodolog´ıa de prueba . . . 16

8.2. Validaci´on de los Resultados de Trabajo . . . 16

8.2.1. Caso Ansi 50 y Ansi 79 . . . 16

8.2.2. Caso Ansi 51 y Sobre corriente direccional . . . 17

8.2.3. Caso Ansi 87L . . . 19

8.3. Evaluaci´on del Trabajo . . . 20

9. Discusi´on y Conclusiones 21 9.1. Discusi´on . . . 21

9.2. Conclusiones . . . 21

Bibliograf´ıa 22

Anexos 23

(7)

´ Indice de figuras

4.1. Logica de recierre, recuperado de [1] . . . 8

7.1. Logica de modulo de adquisici´on de datos en PowerFactory . . . 12

7.2. Modulo de remuestreo de se˜nales . . . 12

7.3. Modulo rel´e virtual en Digsilent . . . 13

7.4. MTV de la pagina web . . . 14

7.5. Pagina de inicio . . . 14

7.6. Panel principal Digsilent Study Case . . . 14

7.7. Panel de configuraci´on Digsilent Study Case . . . 14

7.8. Panel principal Virtual Relay Settings . . . 15

7.9. Ejemplo de configuraci´on funci´on 50 . . . 15

7.10. Panel principal Relay Trip . . . 15

7.11. Ejemplo de configuraci´on de evento de falla . . . 15

7.12. Panel de configuraci´on de eventos de fallas . . . 15

7.13. Ejemplo de algunos resultados de simulaci´on . . . 15

8.1. Caso 1: lecturas de corriente . . . 17

8.2. Caso 1: disparo del rel´e . . . 17

8.3. Caso 1: disparo de la funci´on 50 . . . 17

8.4. Caso 1: detecciones de la funci´on 50 . . . 17

8.5. Caso 2: lecturas del corriente (Forward) . . . 18

8.6. Caso 2: disparo del rel´e (Forward) . . . 18

8.7. Caso 2: disparo de la funci´on 51 (Forward) . . . 18

8.8. Caso 2: detecciones de la funci´on direccional (Forward) . . . 18

8.9. Caso 2: lecturas del corriente (Reverse) . . . 19

8.10. Caso 2: disparo del rel´e (Reverse) . . . 19

8.11. Caso 2: disparo de la funci´on 51 (Reverse) . . . 19

8.12. Caso 2: detecciones de la funci´on direccional (Reverse) . . . 19

8.13. Caso 3: lecturas de corriente . . . 20

8.14. Caso 3: disparo del rel´e . . . 20

(8)

´ Indice de cuadros

4.1. Algunas curvas de tiempo inverso . . . 7

6.1. Tiempo actividades . . . 10

7.1. Especificaciones del producto final . . . 11

7.2. Especificaciones de las tablas SQL . . . 13

(9)

Cap´ıtulo 1 Introducci´ on

Una función de los relés en las protecciones de sistemas de potencia es operar como controladores de una topolog´ıa de red al conectar o desconectar un elemento dado a condiciones anormales de operación. Llamada en el sector como coordinación de protecciones, se busca proteger un sistema ante condiciones de fallas eléctricas de una topolog´ıa deter- minada o un área de la misma para que funcione en dentro de los limites operativos, es decir, limites de voltaje, corriente y frecuencia dentro de los estándares definidos por los operadores de red con el fin de maximizar la confiabilidad y conservar la integridad de una red; el estudio de protecciones busca detectar condiciones anormales de operación de un equipo y realizar acciones que eviten su daño.

La disposición de las herramientas de simulación permiten recrear modelos dinámicos que ofrecen información para discernir entre el concepto y la ejecución en la practica de un relé en entornos de fallas reales adaptando a un punto de comparación al momento de tomar decisiones sobre un sistema. Las herramientas computaciones mejoran el rendi- miento y el tiempo de trabajo de operaciones hechas por un relé f´ısico y de poco acceso.

El software DIgSilent - Power Factory, por su parte, a trav´es de su interfaz ofrecen herramientas para simular sistemas de potencia que da acceso a datos de las din´amicas de un sistema de potencia especialmente en condiciones de falla.

La co-simulación entre un relé virtualizado y el modelo de un sistema de potencia permiten monitorear e interactuar con las dinámicas de una red y con base en cambios anormales a ella se toman decisiones sobre la topolog´ıa de la red sin la necesidad de un sistema real con riesgo a daños irreparables. Se diseñar e implementa un relé virtualizado en Python conectado al software de simulación PowerFactory que permita tomar decisiones sobre una linea dado los algoritmos de protección basados en el estándar C37.2 del IEEE/ANSI [2]. Dicho esquema se implementa en una aplicación web.

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Cap´ıtulo 2 Objetivos

2.1. Objetivo General

Diseñar un esquema de cosimulación entre PowerFactory y un rele virtualizado en Python para ser implementado en una interfaz web que permita la configuración del sistema y de protecciones. El proyecto es un punto de partida implementar en la web procesos de automatización de sistemas de potencia.

2.2. Objetivos Espec´ıficos

Automatizar por medio de API las configuraciones de PowerFactory para obtener datos de simulaci´on, definir eventos de falla, tiempos de simulaci´on y desconectar elementos de un sistema sin operar sobre su interfaz.

Diseñar un modulo de procesamiento de datos que permita analizar las lecturas de simulación y calcular valores RMS, diferencia angular y componentes simétricas.

Dise˜nar un rel´e virtualizado en Python que dadas lecturas de datos defina ordenes de disparo.

Implementar en el rel´e virtualizado las funciones ANSI 50p, 51p, sobre corriente direccional por secuencia positiva, 79, y 87L (diferencial de linea).

Implementar algoritmos de fabricantes: Direccional-SEL421 y Diferencial-Siemens SIPROTEC5

Diseñar una aplicación web por medio de HTML, CSS, JavaScript y JSON que permita configurar un rele virtualizado e instalarlo en una linea de un proyecto de simulación realizado en PowerFactory.

Implementar una base de datos SQL para el manejo de informaci´on y almacena- miento de datos de configuraci´on.

(11)

2.3. Alcance y productos finales

El proyecto se plantea como una aplicacion web que permita a un usuario realizar simulaciones en modelos PowerFactory e instalar un relé sobre una linea sobre el sistema que realice algoritmos de protección. El usuario desde la aplicación podrá:

Visualizar los nombres de proyectos almacenados Seleccionar proyectos almacenados en Digsilent

Visualizar los nombres de las lineas, buses e interruptores de un proyecto seleccionado

Seleccionar una linea donde se generar´an fallas Seleccionar el elemento de protecci´on

Seleccionar puntos de medici´on Configurar un rel´e virtual

Configurar tiempos de simulación Visualizar los datos de simulación Visualizar el disparo del relé Visualizar los disparos por fase

El código del proyecto abre la posibilidad de ampliar sus funciones para añadir otro tipo de aplicaciones que involucren la interacción con PowerFactory.

(12)

Cap´ıtulo 3 Justificaci´ on

El modo de simulación de software de sistemas de potencia de alto nivel como Power- Factory requiere tiempo para realizar la misma acción pero con diferentes parámetros, es as´ı como los APIs permiten controlar el software sin la necesitad de interactuar con el, además permite configurar y realizar en mejor tiempo las simulaciones sobre una red. Eso permite una integración de mecanismos de automatización basados en modelos computacionales que operen en la red y decidan de forma autónoma bajo criterios predefinidos.

Sin embargo, las funciones de protección instaladas en PowerFactory suelen incluirse en paquetes de licencia de mayor contenido y con precios elevados en comparación a licencias básicas. Es as´ı como a integración de un relé virtualizado a Digsilent permite ejecutar algoritmos de protección sin la necesidad de adquirir licencias más costosas.

El diseño y/o implementación de modelos computaciones deben estar acompañados de una interfaz que permita interactuar con las herramientas de programación y faciliten su uso. Una alternativa que se usa en muchos campos de estudio que permite la inter- acción entre un usuario y un modelo computacional es a través de la web, por ejemplo, Google Maps, que ofrece servicio de visualización de mapas. La migración de operaciones complejas a la web es una tendencia adyacente a optimizar procedimientos complejos o que requieran bastante tiempo, en el mismo ejemplo de Google, el calculo de las mejores rutas dados datos de origen y destino. Se diseña una interfaz web con la meta a largo plazo expandir el proyectos a una considerable variedad de aplicaciones, por ejemplo, a partir de una configuración cargarla a un relé real.

(13)

Cap´ıtulo 4

Marco Te´ orico E Hist´ orico

4.1. Marco Te´ orico

4.1.1. Componentes sim´ etricas

Las componentes simétricas se usan en el análisis de fallas para detectar desbalan- ces en un sistema trifásico. Es una transformación que convierte cargas desbalanceada a tres sistemas balanceados de secuencia cero, positiva y negativa. Los voltajes de secuencia v₀₁₂y corrientes de i₀₁₂ secuencia calculan a partir de la transformada de Fortescue [3]:

A =







1 1 1

1 a² a 1 a a²







V₀₁₂ = A⁻¹·





 V_a V_b V_c







I₀₁₂ = A⁻¹·





 Ia

Ib

Ic







4.1.2. Filtro de Fourier

Los filtros de Fourier se emplean para obtener desde valores instant´aneos a valores fasoriales calculando las componentes ortogonales calculados en los datos equivalentes a un ciclo de la se˜nal. Las componentes se calculan con las siguientes formulas [4]:

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X_c= 2 N/2

N

X

k=0

x_k· cos(2π Nk) X_s= − 2

N/2

N

X

k=0

x_k· sin(2π Nk) N: n´umero de muestras en un ciclo El dato del fasor para la muestra de un ciclo es X = X_c+jX_s

4.1.3. ANSI 50

La función 50 env´ıa en un comparador de corriente, si la corriente supera un umbral por un tiempo predefinido env´ıa una orden de disparo. La función de sobre corriente instantánea es el caso cuando el tiempo de espera es cero [5].

4.1.4. ANSI 51

La funci´on 51 es un comparador de corriente, si la corriente supera un umbral de tiempo por un tiempo que se calcula en funci´on de la corriente de entrada y env´ıa una orden de disparo cuando el tiempo transcurrido es mayor al calculado.

El calculo del disparo se basa en curvas de tiempo inverso definidas en est´andares del IEC o IEEE [6].

4.1.5. Curvas de tiempo inverso

El calculo de las curvas de tiempo inverso se define bajo la siguiente formula [6]:

t = td · ( K

M^α− 1+ L) (4.1)

t es el tiempo de operaci´on del rel´e

M es el coeficiente entre la corriente medida y la corriente de arranque td es el tiempo del dial

k y α son constantes que se definen bajo est´andares IEEE/IEC

Algunas curvas se definen bajo est´andares IEEE e IEC, algunas de sus curvas son:

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Cuadro 4.1: Algunas curvas de tiempo inverso

Est´andar K α L

IEC Standard Inverse 0.14 0.02 0

IEC Very Inverse 13.5 1 0

IEEE Moderately Inverse 0.0515 0.02 0.114 IEEE Very Inverse 19.61 2 0.491

4.1.6. Funci´ on Direccional de Sobre Corriente de Secuencia Po- sitiva

Usado por SEL421, calcula la direccionalidad de una corriente, si la dirección de la señal es igual a una predefinida env´ıa una orden de disparo. Esta función se activa en condición de sobre corriente. El principio de operación se basa en la siguiente formula [7]:

Operaci´on = |∆V₁− (1 + K) · ∆I₁· Z_1l| (4.2) Restricci´on = |∆V1− (1 − K) · ∆I1· Z1l| (4.3)

Dirección = Operación - Restricción

∆V₁ es la diferencia de voltaje de falla y prefalla de secuencia positiva.

∆I₁ es la diferencia de corriente de falla y prefalla de secuencia positiva.

K es el factor de compensaci´on.

Z_1l es la impedancia de secuencia positiva de la linea.

Si la dirección es mayor a cero está en condición ’Forward’, ’Reverse’ de lo contrario.

4.1.7. ANSI 79

La función de recierre intenta conectar el elemento aislado, luego de un evento de disparo dada una falla, si la falla persiste desconecta el elemento definitivamente hasta que se resetee de forma manual. Se puede repetir esta acción un par de veces. En la gráfica 4.1 se muestra la lógica en condición de falla [1].

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Figura 4.1: Logica de recierre, recuperado de [1]

4.1.8. Funci´ on diferencial de linea 87L

La función de diferencia de linea revisa las corrientes de entrada y salida en una linea, en condiciones normales, la diferencia de esas señales debe ser cero. Siemens implementa el método de pendiente que calcula el disparo a partir de corrientes de estabilización.

Si la corriente diferencial es mayor a la corriente de estabilizaci´on multiplicado por una pendiente p, se env´ıa una orden de disparo. Sus formulas son las siguientes [8]:

Corriente de diferencia = |I_bus1 − I_bus2| (4.4)

Corriente de restricci´on = |I_bus1|/2 + |I_bus2|/2 (4.5)

4.2. Marco Hist´ orico

En el grupo de investigación Gridteractions de la Universidad de los Andes se han desarrollado esquemas de co-simulación, dos casos de relevancia se encuentra el proyecto de grado de Juan David Perez [9] y Natalia Avendaño [10]. El primero, desarrolló un rele virtualizado en LabView para un esquema de co-simulación con DSSim-PC, su trabajo inspiro a un desarrollo con otro enfoque en Python , que reduce el costo de usar LabView y aumenta la escabilidad del proyecto para futuros proyectos, además se usa PowerFactory en lugar de DSSim-PC que introduce a una linea de trabajos con este software de alto nivel en la industria. El trabajo de Natalia introduce a futuras aplicaciones utilizando PowerFactory, concretamente en el campo de la automatización para redes inteligentes.

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Cap´ıtulo 5

Definici´ on y Especificaci´ on del Trabajo

5.1. Definici´ on

El trabajo consiste diseñar una aplicación web que permita configurar un relé virtualizado e instalado en una linea de un caso de simulación PowerFactory. Las funciones de protección de PowerFactory no suelen incluirse en licencias base, por lo que en orden de reducir evitar costos adicionales en licencias más avanzadas se implementan algoritmos de protecciones que están disponibles en la literatura.

5.2. Especificaciones

Las consideraciones para operar la interfaz son las siguientes:

En la licencia de PowerFactory debe incluir el modo de ’EMT Simulation’

El caso de simulaci´on de Digsilent debe tener configurado las condiciones de flujo de carga.

Tener instalado Python 3.8 y las librerias Django, numpy, Matplotlib, Pandas y SciPy

La licencia disponible al momento del desarrollo del proyecto no inclu´ıa el modo de cosimulaci´on que permite leer y examinar datos en cada instante de tiempo de simulaci´on.

Por lo tanto, se emplea simulaciones en el modo ’EMT simulation’ para calcular tiempos de disparo y realizar nuevas simulaciones configurando eventos de disparo resultando en tiempos m´as largos de procesamiento. En futuras aplicaciones es deseable tener el modulo

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Cap´ıtulo 6 Metodolog´ıa

6.1. Plan de Trabajo

Se destin´o el siguiente tiempo para el desarrollo de las actividades:

Cuadro 6.1: Tiempo actividades

Actividad Tiempo empleado

Estado del arte 5 semanas

Comunicacion con PowerFactory 4 semanas Modulo de preprocesamiento de datos 3 semanas

Modulo de rel´e 4 semanas

Diseño interfaz web 6 semanas Validación de relé 2 semanas

Las sesiones se realizaron cada semana con el asesor para resolver dudas y comunicar inconvenientes. El proyecto present´o retrasos por dificultades t´ecnicas con el Software.

6.2. B´ usqueda de Informaci´ on

Para la elaborci´on del proyecto se recurre a manuales de rel´es de fabricantes, espec´ıfi- camente el manual de Siemens C53000-G5078-C011-7 [8] y el del manual SEL 421 [11];

as´ı como el trabajo [9] como instructivo para generar algoritmos de rel´e modelados en programaci´on, recursos del laboratorio de Gridteractions y articulos.

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Cap´ıtulo 7

Trabajo realizado

7.1. Descripci´ on del Resultado Final

De acuerdo a la formulación de la solución, se diseñó una aplicación web con las siguientes especificaciones:

Cuadro 7.1: Especificaciones del producto final

Funci´on Descripci´on

Funciones a simular 50, 51, Sobre corriente

direccional, 79 y 87L Ajustar configuraci´on de funciones de protecci´on Si

Activar/Desactivar funciones de protecci´on Si

Rel´es simult´aneos 1

Seleccionar puntos de medici´on Si

Cambiar configuración durante simulación No Configurar entorno de simulación PowerFactory Si Programar eventos de fallas en PowerFactory Si

Seleccionar linea de falla Si

Seleccionar tipo de falla Si

Seleccionar porcentaje de falla en la linea Si Importar y cargar casos almacenados por el usuario Si

Scope simulaciones Si

Scope disparos de rel´e Si

Detecci´on de fase fallada Funci´on 50, 51 y 87L

7.2. Trabajo Computacional

7.2.1. Conexi´ on con PowerFactory

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Figura 7.1: Logica de modulo de adquisici´on de datos en PowerFactory

Los inputs del modulo son las configuraciones que se realizan en el entorno de simulaci´on de DigSilent, en los inputs se define:

Archivo de simulación a cargar Duración de simulación

Eventos de fallas

Eventos de aperturas de Switch

Lecturas de elementos (corriente y voltaje)

El output del modulo son los valores de corriente y voltaje realizadas durante la simulaci´on.

7.2.2. Pre procesamiento de datos

El modulo de pre procesamiento de datos recibe señales en el dominio del tiempo, realiza una limpieza y un remuestreo de la señal, luego aplica un filtro de Fourier para obtener las componentes ortogonales y finalmente calcula la transformada de Fortescue para obtener las componentes simétricas. La salida del modulo son las señales remuestradas, las componentes fasoriales y las componentes simétricas de las señales. Su implementación está basado en el modelo de pre procesamiento de [4], la lógica del modulo se realiza de la siguiente forma:

Figura 7.2: Modulo de remuestreo de se˜nales

7.2.3. Rele Virtual en Digsilent

Se diseña un modulo en Python donde abarquen diferentes funciones programadas en la misma plataforma. Su implementación se basa en las guias de protección de [13]. El modulo relé hace parte del módulo Rele Virtual en Digsilent que es la unión con el modulo de adquisición de datos y de remuestreo, su estructura se aprecia en la figura 7.3.

Inicialmente el relé consulta a la base de datos (ver sección 7.2.4) las configuraciones definidas por el usuario, luego ejecuta la simulación y calcula los tiempos de disparo. Con

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Figura 7.3: Modulo rel´e virtual en Digsilent

los tiempos calculados realiza una nueva solicitud a la interfaz con los eventos de apertura.

Las funciones programadas en el modulo de relé virtual son: Ansi 50, 51, sobrecorriente direccional, 79 y 87L. La lógica de cada función se encuentra en los anexos de este documento.

7.2.4. Interfaz Web

Base de datos

Se crea una base de datos SQL en PostgreSQL [14] para almacenar la configuraci´on hecha por un usuario, cuenta con las siguientes tablas:

Cuadro 7.2: Especificaciones de las tablas SQL

Tabla Descripci´on

Digsilent Project Names Nombres de los proyectos almacenados por el usuario Digsilent Project Elements Dado un proyecto seleccionado, consulta los nombres de

las lineas, buses e interruptores.

Digsilent Configuration Configuración de tiempo de simulación, proyecto seleccionado, ubicaciones de medición, bases del sistema.

Ansi 50 Configuration Configuración de protección de la función 50, Definir estado de activación y estado de activación de recierre.

Ansi 51 Configuration Configuración de protección de la función 51, Definir estado de activación y estado de activación de recierre.

Ansi Directional Positive Sequence

Configuración de protección de la función direccional, Definir estado de activación y estado de activación de recierre.

Ansi 87L Configuration Configuración de protección de la función 87L, Definir estado de activación y estado de activación de recierre.

Recloser Configuration Definir configuraci´on de recierre y estado de activaci´on Fault Events Se configuran eventos de falla

Estructura aplicaci´on Web

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Figura 7.4: MTV de la pagina web

El Model es la base de datos donde se almacena la configuraci´on del usuario, el Tem- plate es la interfaz con la que interact´ua el usuario y el View es la logica entre la pagina web-base de datos y la logica entre la base de datos-rele virtual.

Interfaz web

La pagina web cuenta con pestañas que redirigen al usuario a la función requerida, las pestañas son:

Home page: Pagina de inicio de presentaci´on.

Figura 7.5: Pagina de inicio

Digsilent Study Case: Configuraci´on de entorno de simulaci´on en Digsilent

Figura 7.6: Panel principal Digsilent Study Case

Figura 7.7: Panel de configuraci´on Digsilent Study Case

Virtual Relay Settings: Se definen las configuraciones de los rel´es a simular.

Relay Trip: Se ejecuta definen eventos de fallas y ejecuci´on de simulaci´on.

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Figura 7.8: Panel principal Virtual Relay Set- tings

Figura 7.9: Ejemplo de configuraci´on funci´on 50

Figura 7.10: Panel principal Relay Trip

Figura 7.11: Ejemplo de configuraci´on de evento de falla

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Cap´ıtulo 8

Validaci´ on del Trabajo

8.1. Metodolog´ıa de prueba

Se utiliza el modelo IEEE 13 nodos modelado en PowerFactory, el modelo está almace- nado por defecto en la instalación del Software. Se realizan las siguientes configuraciones en las funciones de protección:

Configuraci´on de Ansi 50 y Ansi 79 con falla monof´asica a tierra, fase B al 50 % de la linea sin impedancia de falla.

Configuraci´on de Ansi 51 y Sobrecorriente direccional con falla bif´asica a tierra en las fases a-b al 50 % de la linea sin impedancia de falla.

Configuraci´on de Ansi 87L con falla trif´asica al 50 %.

Todas las simulaciones se realizan en un tiempo de 1.5s. Los eventos de falla suceden en el segundo 0.8 de simulaci´on y de despeje en 1.3s, todas ocurren sobre la linea del bus 632 al 633.

8.2. Validaci´ on de los Resultados de Trabajo

8.2.1. Caso Ansi 50 y Ansi 79

Las configuraciones de la función 50 y recierre se encuentran en los anexos del documento. Los resultados de la simulación de las figuras 8.1, 8.2, 8.3 y 8.4 enseñan el disparo de la función de recierre cuando sigue detectando la condición de falla hasta desconectar el interruptor definitivamente luego de 3 recierres.

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Figura 8.1: Caso 1: lecturas de corriente Figura 8.2: Caso 1: disparo del rel´e

Figura 8.3: Caso 1: disparo de la funci´on 50

Figura 8.4: Caso 1: detecciones de la funci´on 50

8.2.2. Caso Ansi 51 y Sobre corriente direccional

Las configuaciones de las función 51 y Sobrecorriente direccional se encuentran en los anexos del documento. Se evalúan los casos del disparo direccional cuando se configura en condición de ’Forward’ y ’Reverse’.

Configuraci´on Forward

En las figuras 8.5, 8.6, 8.7 y 8.8, el rel´e env´ıa un disparo debido a que la corriente se encuentra en direcci´on de Forward.

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Figura 8.5: Caso 2: lecturas del corriente (For- ward)

Figura 8.6: Caso 2: disparo del rel´e (For- ward)

Figura 8.7: Caso 2: disparo de la funci´on 51 (Forward)

Figura 8.8: Caso 2: detecciones de la funci´on direccional (Forward)

Configuraci´on Reverse

En las figuras 8.9, 8.10, 8.11 y 8.12, el relé no envia disparo ya que la corriente no se encuentra en dirección a la condición ’Reverse’

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Figura 8.9: Caso 2: lecturas del corriente (Re- verse)

Figura 8.10: Caso 2: disparo del rel´e (Rever- se)

Figura 8.11: Caso 2: disparo de la funci´on 51 (Reverse)

Figura 8.12: Caso 2: detecciones de la funci´on direccional (Reverse)

8.2.3. Caso Ansi 87L

Las configuraciones de la función diferencial de linea 87L se encuentran en los anexos del documento. Los resultados de la simulación de las figuras 8.13, 8.14, 8.15 y 8.16 enseñan el disparo de la función 87L con las configuraciones realizadas.

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Figura 8.13: Caso 3: lecturas de corriente Figura 8.14: Caso 3: disparo del rel´e

Figura 8.15: Caso 3: disparo de la funci´on 87L

Figura 8.16: Caso 3: detecciones de la funci´on 87L

8.3. Evaluaci´ on del Trabajo

Los resultados de los casos de las secciones 8.2.1, 8.2.2 y 8.2.3 son diferentes configuraciones en un relé al que se le combinan una o dos funciones de protección y en cada una de ellas se obtiene una señal de disparo dada su configuración. Si existe una señal de disparo, se env´ıa al entorno de simulación que desconecta el elemento a proteger.

(29)

Cap´ıtulo 9

Discusi´ on y Conclusiones

9.1. Discusi´ on

El utilizar Python para realizar las especificaciones del proyecto es un herramienta que abre la posibilidad a aprovechar las funcionalidades de PowerFactory por el uso de su API y el uso de modelos computacionales que describan las dinámicas de sistemas de potencia como mecanizo de uso académico y profesional. Python es un lenguaje de alto nivel que ha ganado impulso con el paso de los años, abriendo posibilidades de nuevos proyectos con programación probabil´ıstica en el contexto de los sistemas de potencia.

9.2. Conclusiones

Se diseña una aplicación web que permite a un usuario configurar un relé virtualizado que opere en el software de simulación DigSilent PowerFactory. La aplicación permite realizar simulaciones en el software que responden a las ordenes de disparo del relé. Los aportes de este trabajo se basan en tres pilares fundamentales: el primero, controlar Dig- silent desde el uso de su API, evitando la configuración directamente con su interfaz; el segundo, virtualizar un relé en Python que describa las dinámicas de las funciones de protección ANSI 50, 51, sobre corriente direccional, 79 y recierre, aumentando la escala- bilidad para implementar otras funciones de protección basados en lecturas de corriente y voltaje; tercero, implementar en una aplicación web un servicio de configuración de un relé virtualizado que realice co-simulación con digsilent, abriendo la posibilidad de implementar más servicios que sean manejados desde bases de datos. El proyecto es un punto de partida para proyectos que vinculen la interacción con Digsilent y se puedan migrar a aplicaciones web.

(30)

Bibliograf´ıa

[1] J. M. Gers and E. J. Holmes, Protection of electricity distribution networks. Insti- tution of Electrical Engineers, 2011.

[2] IEEE, IEEE/ANSI Standard C37.2 Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations. IEEE standards, 2008.

[3] J. L. Blackburn and T. J. Domin, Protective relaying: principles and applications, cuarta ed. CRC Press Inc, 2014.

[4] M. Kezunovic, J. Ren, and S. Lotfifard, Design, modeling and evaluation of protective relays for power systems. Springer, 2016.

[5] J. Das, OVERCURRENT COORDINATION, 12 2020, pp. 325–357.

[6] H. Saberi and T. Amraee, “Coordination of directional over-current relays in acti- ve distribution networks using generalised benders decomposition,” IET Generation Transmission amp; Distribution, Nov 2017.

[7] M. Soo Lee and S. Ku You, “A directional relay algorithm using positive-sequence superimposed quantity for transmission line protection,” IFAC Proceedings Volumes, vol. 36, no. 20, pp. 405 – 408, 2003, 5th IFAC Symposium on Power Plants and Power Systems Control 2003, Seoul, South Korea, 15-19 September 2003. [Online].

Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1474667017345019 [8] Siemens, SIPROTEC 5 Protecci´on de distancia, diferencial de l´ınea y Gesti´on del

interruptor para disparo mono/tripolar 7SA87, 7SD87, 7SL87, 7VK87. Siemens AG, 2015.

[9] J. D. Perez, G. A. Ramos, and D. Celeita, “Design and implementation of a virtual relay feeder protection,” pp. 1–33, Mayo 2017.

[10] N. Avendaño, G. A. Ramos, and D. Celeita, “Diseño e implementación de interfaz para control de elementos de sistemas distribución en arquitectura hardware-software (gridteractions),” pp. 1–38, Mayp 2016.

[11] SEL, SEL-421-4, -5 Protection, Automation, and Control System and SEL-400 Series Relays. Schweitzer Engineering Laboratories, 2016.

(31)

[12] Digsilent, User Manual. Digsilent PowerFactory, 2020.

[13] Protection Control Reference Guide. General Electric, 2019.

[14] PostgreSQL, PostgreSQL documentation v12. The PostgreSQL Global Development Group, 2020. [Online]. Available: https://www.postgresql.org/docs/

[15] DJango, Django documentation. Django Software Foundation, 2020. [Online].

Available: https://docs.djangoproject.com/en/3.1/

(32)

Anexos

Pseudo c´ odigos de funciones de protecci´ on

Las funciones retornan 1 cuando el elemento debe estar fuera de operaci´on y 0 de lo contrario. Su estructura es la siguiente:

Ansi 50

Se formula el siguiente pseudo código que describe una función de tiempo discreto que describe las dinámicas de la función 50, su formulación es la interpretación de las maquinas de estados definidas en [9].

1 d e f i n i r : p a s o _ s i m u l a c i o n , i_corte , d e l a y

2 t i e m p o _ t r a n s c u r r i d o = 0

3 def f u n c i o n 5 0 ( i _ m e d i c i o n ) :

4

5 Si i _ m e d i c i o n > i _ c o r t e e n t o n c e s :

6 t i e m p o _ t r a n s c u r r i d o += p a s o _ s i m u l a c i o n

7 Si t i e m p o _ t r a s n c u r r i d o > d e l a y e n t o n c e s :

8 r e t o r n e 1

9 De lo c o n t r a r i o :

10 r e t o r n e 0

13 r e t o r n e 0

14 # fin del p r o c e d i m i e n t o

Ansi 51

Se formula el siguiente pseudo código que describe una función de tiempo discreto que describe las dinámicas de la función 51, su formulación es la interpretación de las maquinas de estados definidas en [9]. El calculo de la curva TC se obtiene de la ecuación 4.1

1 d e f i n i r : p a s o _ s i m u l a c i o n , i _ p i c k _ u p , delay , td , t i p o _ d e _ c u r v a

3 def f u n c i o n 5 1 ( i _ m e d i c i o n ) :

4

(33)

5 Si i _ m e d i c i o n > i _ p i c k _ u p e n t o n c e s :

7 t _ c u r v e = T C u r v e ( i _ m e d i c i o n / i _ p i c k _ u p , td , t i p o _ d e _ c u r v a )

8 # C a l c u l a r con i _ m e d i c i o n , i _ p i c k _ u p , td y t i p o de c u r v a el

9 # t i e m p o de la c u r v a inversa , en la v a r i t a b l e t _ c u r v e

10 Si t i e m p o _ t r a n s c u r r i d o > t _ c u r v e + d e l a y e n t o n c e s :

11 r e t o r n e 1

13 r e t o r n e 0

15 t i e m p o _ t r a n c u r r i d o = 0

16 r e t o r n e 0

Funci´ on de sobre corriente direccional por secuencia positiva

Se formula el siguiente pseudo código que describe una función de tiempo discreto que describe las dinámicas de la función de sobrecorriente direccional por secuencia positiva.

Los cálculos de los valores de Operación y Restricción se definen en las ecuaciones 4.2 y 4.3.

1 d e f i n i r : f a c t o r _ d e _ c o m p e n s a c i o n , zl1 , d i r e c c i o n

2 # zl1 es la i m p e d a n c i a de s e c u e n c i a p o s i t i v a

3 # d i r e c c i o n : ’ Forward ’ or ’ Reverse ’

4

5 v 1 _ p r e = [1] # a r r e g l o p a r a a l m a c e n a r V pre - falla , i n i c i a l i z a r

6 i 1 _ p r e = [1] # a r r e g l o p a r a a l m a c e n a r I pre - falla , i n i c i a l i z a r

7 def f u n c i o n D i r e c c i o n a l ( i _ m e d i c i o n ) :

8

9 f u n 5 1 _ o b j e t o = f u n c i o n 5 1 ( i _ m e d i c i o n )

10 # c r e e un o b j e t o de la f u n c i o n 5 1

11 Si f u n 5 1 _ o b j e t o es i g u a l a 0:

12 A l m a c e n e V e I p r e f a l l a

14 C a l c u l e los v a l o r e s de O p e r a c i o n y R e s t r i c c i o n u s a n d o v a l o r e s p r e f a l l a

15 de 2 c i c l o s a n t e r i o r e s a la m e d i c i o n

16

17 Si o p e r a c i o n - r e s t r i c c i o n > 0

18 Si d i r e c c i o n es i g u a l a ’ Forward ’

19 R e t o r n e 1

20 De lo c o n t r a r i o

21 R e t o r n e 0

(34)

La funci´on direccional de sobrecorriente se activa con la funci´on 51.

Ansi 87L

Se formula el siguiente pseudo código que describe una función de tiempo discreto que describe las dinámicas de la función diferencial de linea. Los cálculos de los valores de corriente de diferencia y corrientes de restricción se definen en las ecuaciones 4.4 y 4.5.

1 D e f i n i r : p e n d i e n t e , i _ d i f f _ p u , delay , p a s o _ s i m u l a c i o n

3

4 def f u n c i o n D i f e r e n c i a l ( I_bus1 , I _ b u s 2 ) :

5

6 c a l c u l e R e s 1 y D i f 1 c o m o c o r r i e n t e s de r e s t r i c c i o n y d i f e r e n c i a con I _ b u s 1 e I _ b u s 2

7 I n t e r n a = 0

8 Si D i f 1 > p e n d i e n t e * R e s 1 e n t o n c e s :

9 I n t e r n a = 1

10 A r r a n q u e = 0

11 Si D i f 1 > i _ d i f f _ p u e n t o n c e s

12 A r r a n q u e = 1

13 Si I n t e r n a == 1 y A r r a n q u e == 1 e n t o n c e s :

15 Si t i e m p o _ t r a n s c u r r i d o > d e l a y :

16 R e t o r n e 1

18 R e t o r n e 0

Ansi 79

La lógica para la función de recierre se define con el siguiente pseudo código:

1 D e f i n i r : r e c l a i m _ t i m e , d e a d _ t i m e , i n t e n t o s

2

3 m i _ f u n c i o n = # c u a l q u i e r f u n c i o n (50 , 51 , D i r e c c i o n a l o D i f e r e n c i a l )

4 t _ d i s p a r o = -1

5 p a s o s = 1

6 def r e c l o s e r () :

7

8 Si m i _ f u n c i o n . d i s p a r o == 1 e n t o n c e s :

9 g u a r d e el t i e m p o de e j e c u c i o n en t _ d i s p a r o

10 D e s c o n e c t a r () # f u n c i o n de d e s c o n e x i o n del e l e m e n t o

11

12 Si t _ d i s p a r o != 1 e n t o n c e s :

(35)

13 m i e n t r a s p a s o s <= i n t e n t o s

14 C o n e c t a r ()

15 Si m i _ f u n c i o n . t i e m p o _ t r a n s c u r r i d o > p a s o s * d e a d _ t i m e + s u m a ( r e c l a i m _ t i m e [1: p a s o s ]) + t _ d i s p a r o y m i _ f u n c i o n . d i s p a r o == 1 e n t o n c e s :

16 D e s c o n e c t a r () # f u n c i o n de c o n e x i o n del e l e m e n t o

18 R o m p e r c i c l o

19 p a s o s ++

Configuraciones de funciones de protecci´ on

Las configuraciones referidos a la secci´on 8.2 de cada caso son:

Caso 1

Caso 1: Configuración función 50 Caso 1: Configuración función de recierre

(36)

Caso 2

Caso 2: Configuración función 51 Caso 2: Configuración función de direccional

Caso 3

Caso 3: Configuraci´on funci´on diferencial