N° tesis:
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
por
Nicolás García Vargas
Diseño e implementación de un banco de pruebas utilizando la técnica
Hardware In the Loop. Caso: control Volt/Var en un sistema de
distribución
Sustentado el 29 de abril de 2014 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Gustavo Ramos, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Diseño e implementación de un banco de pruebas
utilizando la técnica Hardware In the Loop. Caso:
control Volt/Var en un sistema de distribución
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Contenido
1 INTRODUCCIÓN... 5
2 OBJETIVOS... 6
2.1 Objetivo General... 6
2.2 Objetivos Específicos ... 6
2.3 Alcance y productos finales ... 6
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO... 6
4 TRABAJO REALIZADO... 7
4.1 Banco de pruebas ... 7
4.2 Pruebas del sistema ... 11
4.3 Desfase del ángulo entre el voltaje y la corriente ... 14
4.4 Simulaciones HIL ... 17
5 VALIDACIÓN DEL TRABAJO... 29
5.1 Validación de los resultados del trabajo ... 29
6 DISCUSIÓN... 31
7 CONCLUSIONES... 32
8 REFERENCIAS... 32
1. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO... 33
1.1 Protección de bancos de condensadores ... 33
1.2 Marco Conceptual... 38
Tablas y figuras
Tabla 1. Parámetros de la carga y condensador del sistema básico. ... 18Figura 1. CompactRIO 9082 ... 7
Figura 2. Módulo NI9269 para salida de señales análogas. ... 8
Figura 3. . Módulo NI9472 para salida de señales digitales... 8
Figura 4. Módulo NI9421 para entrada de señales digitales. ... 9
Figura 5. Amplificador de potencia monofásico NF4510. ... 10
Figura 6. Carga electrónica AS-513. ... 11
Figura 7. Relé M-6280A para pruebas de control Volt. ... 13
Figura 8. Relé SEL-751A para pruebas de control de factor de potencia. ... 14
Figura 9. Bloque de corrección de desfase de señales de voltaje y corriente... 14
Figura 10. Bloque encargado de generar las salidas análogas... 15
Figura 11. Señales análogas antes y después del circuito amplificador de voltaje. ... 16
Figura 12. Medición del desfase entre las señales análogas antes y después de la amplificación. ... 16
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control Volt/Var en un sistema de distribución
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Figura 14. Diagrama de conexión del banco de pruebas para prueba Volt. ... 19
Figura 15. Perfil de carga de potencia activa y reactiva para el control Volt... 19
Figura 16. Sistema básico de estudio durante las primeras 8 horas de simulación del caso Volt. ... 20
Figura 17. Sistema básico de estudio antes de la acción de control del relé. ... 21
Figura 18. Sistema básico de estudio después de la acción de control del relé... 21
Figura 19. Sistema básico de estudio durante las últimas 8 horas de simulación. ... 22
Figura 20. Diagrama de conexión del banco de pruebas para prueba de factor de potencia. ... 23
Figura 21. Perfil de carga para la parte activa de la carga... 23
Figura 22. Perfil de carga para la parte reactiva de la carga... 24
Figura 23. Sistema básico de estudio durante la primera hora de simulación... 25
Figura 24. Sistema básico de estudio durante la segunda hora de simulación. ... 25
Figura 25. Sistema básico de estudio durante la tercera hora de simulación. ... 26
Figura 26. Sistema básico de estudio antes de la acción de control del relé en caso de factor de potencia... 27
Figura 27. Sistema básico de estudio después de la acción de control del relé en caso de factor de potencia... 27
Figura 28. Sistema básico de estudio durante la quinta hora de simulación. ... 28
Figura 29. Oscilografía del control Volt... 29
Figura 30. Oscilografía del control de factor de potencia. ... 30
Figura 31. Acercamiento de los picos del voltaje de la oscilografía del relé Beckwith... 30
Figura 32. Oscilografía de los fasores de voltaje y coriente en el control de factor de potencia... 31
Figura 33. Circuito típico para medición de factor potencia. ... 34
Figura 34. Esquema de conexión para la medición de sobrecorriente neutro-tierra. ... 36
Figura 35. Esquema de conexión para la medición de voltaje de secuencia cero. ... 36
Figura 36. Esquema de conexión para la medición de voltajes diferenciales. ... 37
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Agradecimientos
Primero que todo, quiero agradecer a Dios por estar siempre presente
durante éste y todos los proyectos que he realizado en mi vida. De igual
forma quiero agradecer a mis padres por apoyarme y ayudarme a sacar
adelante lo que me propongo. A mis hermanos por su disposición y
compañía.
A Gustavo Ramos, por sus recomendaciones, por compartir su experiencia
profesional y por su disponibilidad de asistir a cualquier inquietud.
Por último quiero agradecer a todos mis compañeros y amigos que con
sus aportes me llevaron a llevar a cabo el presente trabajo.
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1 INTRODUCCIÓN
Volt/Var control es una función avanzada en sistemas de distribución que busca optimizar las condiciones de operación de los dispositivos de regulación de voltaje y de control VAR para cumplir un objetivo específico. Entre estos objetivos está el de minimizar las pérdidas eléctricas (este es el objetivo más común), disminuir la demanda de energía, reducir el consumo de energía o inclusive, una combinación de las tres anteriores. Este objetivo está sujeto a las restricciones físicas y de normatividad del sistema. Un ejemplo de restricciones de normatividad es que en ausencia de perturbaciones, los voltajes de todos los nodos del sistema deben encontrarse en un rango entre 0.95 y 1.05p.u de la tensión nominal. Además, según la CREG 108 de 1998, el valor mínimo de factor de potencia de una carga debe ser de 0.9. Algunas consecuencias de realizar un control Volt/Var adecuado incluyen también la disminución de costos de mantenimiento y de operación, una menor variación de perfiles de voltajes y el aumento en la capacidad de entrega de potencia de los equipos existentes.
Las simulaciones realizadas sobre diseños eléctricos generalmente se han realizado usando técnicas de simulación offline, obteniendo resultados aceptables que han ayudado al desarrollo de nuevas tecnologías. Sin embargo, este tipo de simulación presenta unos resultados no tan precisos como es demandado en algunas aplicaciones y existen casos donde el producto de la simulación no se acerca al producto del modelo en la vida real. Por este motivo ha crecido el interés de realizar simulaciones con técnicas Real Time, porque ésta integra resultados más precisos y cercanos al comportamiento real con un valor agregado importante y es que la simulación se realiza a una tasa de tiempo igual a la del sistema verdadero. Existen tres técnicas principales de aplicación de las simulaciones Real Time: Rapid Control Prototyping (RCP), Hardware-in-the-Loop testing (HIL) y Rapid Batch Simulation (RBS).
Los sistemas RT-HIL (Real-Time Hardware In the Loop) tiene un impacto enorme en la validación de algoritmos y dispositivos potencialmente implementables en sistemas de distribución. La principal virtud de RT-HIL está en que puede ser simulado en tiempo real, por lo que permite la interacción con dispositivos reales usados en la industria mediante señales análogas y digitales. Otro beneficio de este tipo de simulación es que permite realizar simulaciones de días, meses, o años, en escalas de tiempo inferiores a esas. De esta forma, los resultados de un sistema de un día pueden llegar a simularse en minutos. En la realidad, esto permite anticiparse a algunos detalles de diseño de sistemas de distribución y observar la reacción de los mismos frente a muchas variaciones del sistema original.
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2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Diseñar e implementar un banco de pruebas para realizar simulaciones Real-Time sobre un sistema de distribución con el fin de realizar un control de bancos de condensadores para aplicaciones Volt/VAr utilizando la técnica Hardware In the Loop.
2.2 Objetivos Específicos
- Diseñar un banco de prueba para realizar la simulación Real Time de un sistema de distribución.
- Validación del banco de pruebas realizado con simulaciones Real Time.
2.3 Alcance y productos finales
El alcance del proyecto se limitará a la evaluación de un sistema de distribución, con el análisis detallado del comportamiento de sus componentes en tiempo real. Además del diseño, implementación y validación de un banco de pruebas para el sistema de distribución en Real Time. Al final se entregará un documento donde se expondrán los alcances de las simulaciones Real-Time efectuada sobre el banco de pruebas.
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
Las capacidades tecnológicas con las que cuentan los sistemas de distribución en la actualidad hacen necesario que se empleen nuevas estrategias de control de elementos tal que se puedan optimizar los recursos con los que cuentan los sistemas eléctricos. La importancia de una plataforma capaz de integrar elementos usados en la industria, como los relés, junto a una herramienta software capaz de simular un sistema en tiempo real, genera las condiciones necesarias para evaluar el funcionamiento de los equipos de campo, sin necesidad de instalarlos enseguida. Esta plataforma permite explorar todas las funcionalidades de los equipos, darle una mayor robustez a las funciones de los mismos y revisar el comportamiento de elementos de diferentes distribuidores y observar la compatibilidad de los mismos sobre un mismo sistema. Por este motivo es importante integrar dispositivos comerciales usados en la industria con ambientes controlados de laboratorio para poder evaluar todas las especificaciones de los dispositivos.
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utilizando la técnica Hardw
control Volt/Var en un sistema de distribución
4 TRABAJO REALIZADO
4.1 Banco de pruebas
El banco de pruebas está conformado por diferentes dispositivos que permiten la validación de simulaciones HIL. A continuación se describen los elementos que hacen parte del banco de pruebas con sus respectivas especificaciones.
CompactRio
Para realizar la comunicación de señales análogas y digitales con los sistemas de potencia, se trabajó una CompactRio 9082. Este controlador cuenta con dos núcleos Intel Core i7 de 1.33GHz. Permite el control de los módulos de entrada y salida cuenta con u
Spartan-6 LX150 con 8 ranuras para uso de módulos personalizados. En este proyecto Se usaron 3 módulos en la cRIO. Los módulos son NI9269, NI9472 y NI9421. La
muestra el controlador usado.
NI9269
Módulo de salidas analógicas de hasta 10V. Cuenta con 4 canales de salidas, y sus salidas corresponden a las mediciones de voltaje y corriente sobre
sistema simulado en DSSim. Algunas especificaciones del módulo NI9269 son: Aislamiento entre canales de 250Vrms.
Razón de actualización simultánea de 100kS/s/canal. Rango de ±10V.
Resolución de 16 bits. Rango de operación de
Capacidad de corriente total de 20mA.
En la Figura 2se muestra una imagen del módulo NI9269:
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ar en un sistema de distribución
TRABAJO REALIZADO
pruebas
El banco de pruebas está conformado por diferentes dispositivos que permiten la validación de simulaciones HIL. A continuación se describen los elementos que hacen parte del banco de pruebas con sus respectivas especificaciones.
Para realizar la comunicación de señales análogas y digitales con los sistemas de potencia, se trabajó una CompactRio 9082. Este controlador cuenta con dos núcleos Intel Core i7 de 1.33GHz. Permite el control de los módulos de entrada y salida cuenta con u
6 LX150 con 8 ranuras para uso de módulos personalizados. En este proyecto Se usaron 3 módulos en la cRIO. Los módulos son NI9269, NI9472 y NI9421. La
muestra el controlador usado.
Figura 1. CompactRIO 9082
Módulo de salidas analógicas de hasta 10V. Cuenta con 4 canales de salidas, y sus salidas corresponden a las mediciones de voltaje y corriente sobre los nodos de interés del sistema simulado en DSSim. Algunas especificaciones del módulo NI9269 son:
Aislamiento entre canales de 250Vrms.
Razón de actualización simultánea de 100kS/s/canal.
Rango de operación de -40 a 70ºC Capacidad de corriente total de 20mA.
se muestra una imagen del módulo NI9269:
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El banco de pruebas está conformado por diferentes dispositivos que permiten la validación de simulaciones HIL. A continuación se describen los elementos que hacen
Para realizar la comunicación de señales análogas y digitales con los sistemas de potencia, se trabajó una CompactRio 9082. Este controlador cuenta con dos núcleos Intel Core i7 de 1.33GHz. Permite el control de los módulos de entrada y salida cuenta con un chasis FPGA 6 LX150 con 8 ranuras para uso de módulos personalizados. En este proyecto Se usaron 3 módulos en la cRIO. Los módulos son NI9269, NI9472 y NI9421. La Figura 1
Módulo de salidas analógicas de hasta 10V. Cuenta con 4 canales de salidas, y sus salidas los nodos de interés del sistema simulado en DSSim. Algunas especificaciones del módulo NI9269 son:
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control Volt/Var en un sistema de distribución
Figura 2. Módulo NI9269 para salida de se
NI9472
Módulo de salida digital de 8 canales, con lógica de 24V y 100µs. Este módulo se usa para indicar a los relés, el estado en el que se encuentran. Algunas especificaciones del módulo NI9472 se muestran a continuación:
Salida digital tipo sourcing, rango de 6 a 30V. Rango de operación de
Capacidad de corriente total de 6A.
En la Figura 3está el módulo NI9472.
Figura 3.
NI9421
Módulo de entradas digitales de 8 canales a 100µs. Este módulo se usa
retroalimentar al sistema las acciones que toma el relé durante la simulación, es decir, las
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ar en un sistema de distribución
. Módulo NI9269 para salida de señales análogas.
Módulo de salida digital de 8 canales, con lógica de 24V y 100µs. Este módulo se usa para indicar a los relés, el estado en el que se encuentran. Algunas especificaciones del módulo NI9472 se muestran a continuación:
tipo sourcing, rango de 6 a 30V. Rango de operación de -40 a 70ºC.
Capacidad de corriente total de 6A.
está el módulo NI9472.
. . Módulo NI9472 para salida de señales digitales.
Módulo de entradas digitales de 8 canales a 100µs. Este módulo se usa para
retroalimentar al sistema las acciones que toma el relé durante la simulación, es decir, las
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are In the Loop. Caso:
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Módulo de salida digital de 8 canales, con lógica de 24V y 100µs. Este módulo se usa para indicar a los relés, el estado en el que se encuentran. Algunas especificaciones del módulo
para
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control Volt/Var en un sistema de distribución
entradas corresponden a la apertura o cierre del relé. Algunas especificaciones del módulo se muestran a continuación:
Entradas digitales de 12 a 24V. Rango de operación de
Rango de entrada de 0
En la Figura 4se muestra una imagen del módulo NI9421.
Figura 4.
Amplificador de potencia NF 4510
Para la amplificación de las señales de voltaje generadas por el módulo NI9269, se utilizó un amplificador de potencia, capaz de amplificar voltajes de entrada, en forma de voltaje o corriente. Éste dispositivo cuenta con una ganancia fija de 100V/V y de 6A/V. Algunas especificaciones se muestran a continuación:
Rango de frecuencias:DC a 20kHz. Rango de voltajes: ±200V.
Corriente máxima: 8.3Arms. Potencia nominal: 1kVA
Dos modos de control: Control de corriente y control de voltaje. Dos modos de salida: DC y AC.
Monofásico.
Una imagen del amplificador de potencia se muestra en la
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entradas corresponden a la apertura o cierre del relé. Algunas especificaciones del módulo
Entradas digitales de 12 a 24V. e operación de -40 a 70ºC. Rango de entrada de 0-24V.
se muestra una imagen del módulo NI9421.
. Módulo NI9421 para entrada de señales digitales.
Amplificador de potencia NF 4510
Para la amplificación de las señales de voltaje generadas por el módulo NI9269, se utilizó un amplificador de potencia, capaz de amplificar voltajes de entrada, en forma de voltaje corriente. Éste dispositivo cuenta con una ganancia fija de 100V/V y de 6A/V. Algunas especificaciones se muestran a continuación:
Rango de frecuencias:DC a 20kHz. Rango de voltajes: ±200V.
Corriente máxima: 8.3Arms. Potencia nominal: 1kVA
control: Control de corriente y control de voltaje. Dos modos de salida: DC y AC.
Una imagen del amplificador de potencia se muestra en la Figura 5.
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entradas corresponden a la apertura o cierre del relé. Algunas especificaciones del módulo
Para la amplificación de las señales de voltaje generadas por el módulo NI9269, se utilizó un amplificador de potencia, capaz de amplificar voltajes de entrada, en forma de voltaje corriente. Éste dispositivo cuenta con una ganancia fija de 100V/V y de 6A/V. Algunas
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control Volt/Var en un sistema de distribución
Figura 5
Carga electrónica AS-513
La carga electrónica AS-513 se encarga de consumir la corriente entregada por el amplificador de potencia. Las especificaciones de este dispositivo se en
continuación:
Tres modos de operación: Resisitiva, control de corriente y control de voltaje. Funciona con señales AC y DC.
Voltaje de entrada máxima:
o AC: 150Vrms/300Vrms o DC: ±212V/424V
Corriente de entrada máxima:
o AC: 20Arms/10Arms (40Hz a 100H o DC: ±9A/4.5A.
Potencia nominal: 2kVA. Trifásico
En laFigura 6se muestra la carga electrónica usada en el banco de pruebas.
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5. Amplificador de potencia monofásico NF4510.
513
513 se encarga de consumir la corriente entregada por el amplificador de potencia. Las especificaciones de este dispositivo se encuentran a
Tres modos de operación: Resisitiva, control de corriente y control de voltaje. Funciona con señales AC y DC.
Voltaje de entrada máxima: AC: 150Vrms/300Vrms DC: ±212V/424V Corriente de entrada máxima:
AC: 20Arms/10Arms (40Hz a 100Hz)
Potencia nominal: 2kVA.
se muestra la carga electrónica usada en el banco de pruebas.
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513 se encarga de consumir la corriente entregada por el cuentran a
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control Volt/Var en un sistema de distribución
4.2 Pruebas del sistema
Para las simulaciones HIL se realizaron dos pr condensadores. La primera, busca
conexión de bancos de condensadores. De esta manera el criterio de funcionamiento que se le programó al relé, es que si existe una caída
que lleve al voltaje p.u. a un valor inferior a 0.95, el relé debe conectarse para que haya compensación de potencia reactiva
en por lo menos una fase el val
es abrirse, para que disminuya el valor de voltaje en el nodo, y vuelva a entrar al rango permitido.
La segunda prueba consiste en realizar un control por fact
De esta manera, el relé se programa para que se cierre si el factor de potencia en el nodo es inferior a 0.9 en atraso. En el caso contrario, el relé se programa para que se abra si el factor de potencia en el nodo es inferior a 0.9 en adelanto.
Para la primera prueba se utilizó el relé M
de este relé es que tiene una funcionalidad netamente de control de bancos de condensadores, lo cual da un valor agregado a la prueba HIL, con dispositivos IED que sean aplicables al caso de estudio.
Para la segunda prueba se utilizó el relé SEL
tiene funcionalidad para control de bancos de condensadores, su flexibilidad para programar, permite la variación de sus funciones básicas, tal qu
resultados esperados de un relé de bancos de condensadores.
Los relés usados en bancos de condensadores tienen funciones muy diferentes a los demás relés usados en sistemas de distribución. La principal diferencia está en que, los relés usados en sistemas de distribución generalmente tienen la función de protege
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Figura 6. Carga electrónica AS-513.
Pruebas del sistema
Para las simulaciones HIL se realizaron dos pruebas sobre relés en bancos de ndensadores. La primera, busca realizar un control de voltaje sobre el nodo donde hay conexión de bancos de condensadores. De esta manera el criterio de funcionamiento que se le programó al relé, es que si existe una caída de voltaje sobre el nodo de control, tal que lleve al voltaje p.u. a un valor inferior a 0.95, el relé debe conectarse para que haya potencia reactiva y mejore el perfil de voltaje. Si el voltaje p.u. supera, en por lo menos una fase el valor de 1.05p.u. la acción de control que debe tomar el relé es abrirse, para que disminuya el valor de voltaje en el nodo, y vuelva a entrar al rango
La segunda prueba consiste en realizar un control por factor de potencia sobre el sistema ta manera, el relé se programa para que se cierre si el factor de potencia en el nodo es inferior a 0.9 en atraso. En el caso contrario, el relé se programa para que se abra si el factor de potencia en el nodo es inferior a 0.9 en adelanto.
prueba se utilizó el relé M-6280A de Beckwith Electric. El motivo del uso de este relé es que tiene una funcionalidad netamente de control de bancos de condensadores, lo cual da un valor agregado a la prueba HIL, con dispositivos IED que sean
Para la segunda prueba se utilizó el relé SEL-751A del fabricante SEL. Aunque este relé no tiene funcionalidad para control de bancos de condensadores, su flexibilidad para programar, permite la variación de sus funciones básicas, tal que se puedan obtener los resultados esperados de un relé de bancos de condensadores.
Los relés usados en bancos de condensadores tienen funciones muy diferentes a los demás relés usados en sistemas de distribución. La principal diferencia está en que, los
elés usados en sistemas de distribución generalmente tienen la función de protege
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uebas sobre relés en bancos de realizar un control de voltaje sobre el nodo donde hay conexión de bancos de condensadores. De esta manera el criterio de funcionamiento que de voltaje sobre el nodo de control, tal que lleve al voltaje p.u. a un valor inferior a 0.95, el relé debe conectarse para que haya y mejore el perfil de voltaje. Si el voltaje p.u. supera, or de 1.05p.u. la acción de control que debe tomar el relé es abrirse, para que disminuya el valor de voltaje en el nodo, y vuelva a entrar al rango
or de potencia sobre el sistema. ta manera, el relé se programa para que se cierre si el factor de potencia en el nodo es inferior a 0.9 en atraso. En el caso contrario, el relé se programa para que se abra si el
6280A de Beckwith Electric. El motivo del uso de este relé es que tiene una funcionalidad netamente de control de bancos de condensadores, lo cual da un valor agregado a la prueba HIL, con dispositivos IED que sean
751A del fabricante SEL. Aunque este relé no tiene funcionalidad para control de bancos de condensadores, su flexibilidad para e se puedan obtener los
Los relés usados en bancos de condensadores tienen funciones muy diferentes a los demás relés usados en sistemas de distribución. La principal diferencia está en que, los elés usados en sistemas de distribución generalmente tienen la función de proteger los
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elementos conectados a él, mientras que para un relé de bancos de condensadores las acciones que toma deben ser inversas, por ejemplo cuando hay sobrevoltaje, debe cerrarse para permitir la compensación de reactivos; para un relé común en sistemas de distribución, un sobrevoltaje debe convertirse en una orden de apertura, la cual proteja los sistemas de potencia aguas abajo del relé.
Relé Beckwith – M-6280A
El relé Beckwith es ideal para automatización, monitoreo y protección de bancos de condensadores en sistemas de distribución. Cuenta con cuatro modos de operación, el primero es el control automático clásico, donde se programa el relé para que actúe bajo ciertas condiciones de voltaje, de VAr o de corriente. Este modo consiste en darle valores predeterminados al relé para la apertura y cierre del banco de condensadores, y así, siempre que las señales de voltaje y/o corriente, salgan del rango establecido, el relé va a tomar la acción correspondiente.
El segundo modo de operación es el modo auto adaptativo. Esta opción tiene dos métodos de control, fijo o promedio. El fijo tiene un ancho de banda que es el usado para comparar con las mediciones de señales del circuito con el fin de abrir o cerrar el banco de condensadores. El promedio también cuenta con un ancho de banda efectivo basado en un promedio tomado en una cantidad de tiempo, donde este ancho de banda es el que se compara con las señales medidas en el circuito para abrirse o cerrarse.
El tercer modo de operación es el remoto, donde se supervisan las señales del relé, y se envía un comando (apertura o cierre) a través de comunicaciones para que el relé actúe. El cuarto modo de operación es el manual, donde un switch que se acciona manualmente es el que le indica al relé si debe abrirse o cerrarse.
Para la simulación HIL se usará el primer modo de control, donde se establece un valor en voltios mínimo y máximo, correspondiente a 0.95 y 1.05 del sistema respectivamente, para que el relé actúe cada vez que el nodo de control intente salirse de ese rango.
El relé permite comunicarse con él a través de USB, RS-232, Ethernet, bluetooth y DNP3.0. Cuenta con la posibilidad de tomar oscilografías de las señales de voltajes y corrientes medidas. En la Figura 7se muestra el relé M-6280A.
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control Volt/Var en un sistema de distribución
Figura
Relé SEL – SEL751A
El relé SEL-751A está diseñado para proveer protección de sobrecorriente a alimentadores, transformadores, cargas, entre otros. Sin embargo, cuenta con una flexibilidad que le permite ser programado bajo distintas protecciones y así ser fácilmente maleable de acuerdo a la aplicación. Algunas de las protecciones con las que cuenta este relé son:
Sobrecorriente instantánea y temporizada (50/51 P/G/N/Q) Frecuencia (81)
Reconectador (79) Subvoltaje (27) Sobrevoltaje (59 Q/G) Factor de potencia (55)
Ésta última, la protección por factor de potencia es la que se usó durante la simulación HIL. Al igual que en el caso del relé M
donde se le programó el valor mínimo de factor de potencia, de 0.9 en atraso como se explicó anteriormente. En la Figura
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Figura 7. Relé M-6280A para pruebas de control Volt.
751A está diseñado para proveer protección de sobrecorriente a alimentadores, transformadores, cargas, entre otros. Sin embargo, cuenta con una flexibilidad que le permite ser programado bajo distintas protecciones y así ser fácilmente acuerdo a la aplicación. Algunas de las protecciones con las que cuenta este
Sobrecorriente instantánea y temporizada (50/51 P/G/N/Q)
Factor de potencia (55)
protección por factor de potencia es la que se usó durante la simulación HIL. Al igual que en el caso del relé M-6280A, se utilizó en modo de control automático, donde se le programó el valor mínimo de factor de potencia, de 0.9 en atraso como se
Figura 8se muestra el relé SEL 751A.
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are In the Loop. Caso:
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751A está diseñado para proveer protección de sobrecorriente a alimentadores, transformadores, cargas, entre otros. Sin embargo, cuenta con una flexibilidad que le permite ser programado bajo distintas protecciones y así ser fácilmente acuerdo a la aplicación. Algunas de las protecciones con las que cuenta este
protección por factor de potencia es la que se usó durante la simulación 6280A, se utilizó en modo de control automático, donde se le programó el valor mínimo de factor de potencia, de 0.9 en atraso como se
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Figura 8. Relé SEL
4.3 Desfase del ángulo entre el voltaje y la corriente
Con el fin de evaluar el factor de potencia, se realizó en LabVIEW un programa que pudiera desfasar señales análogas de manera que las entradas de corriente y voltaje de los relés fueran acordes al tipo de carga q
encuentra el código de LabVIEW encargado de desfasar señales de corriente con respecto a señales de voltaje.
Figura 9. Bloque de corrección de desfase de señales de voltaje y corriente.
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. Relé SEL-751A para pruebas de control de factor de potencia.
del ángulo entre el voltaje y la corriente
Con el fin de evaluar el factor de potencia, se realizó en LabVIEW un programa que pudiera desfasar señales análogas de manera que las entradas de corriente y voltaje de los relés fueran acordes al tipo de carga que estuvieran alimentando. En la
encuentra el código de LabVIEW encargado de desfasar señales de corriente con respecto
. Bloque de corrección de desfase de señales de voltaje y corriente.
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Con el fin de evaluar el factor de potencia, se realizó en LabVIEW un programa que pudiera desfasar señales análogas de manera que las entradas de corriente y voltaje de los ue estuvieran alimentando. En la Figura 9 se encuentra el código de LabVIEW encargado de desfasar señales de corriente con respecto
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Dado que el único elemento amplificador capaz de generar señales con desfase es el amplificador de potencia, encargado de amplificar la corriente, se debe realizar una corrección de la fase del voltaje, tal que ésta sea referenciada a cero, y el desfase ocasionado por esta maniobra, sumárselo al desfase normal de la corriente con respecto al voltaje. En el recuadro rojo con la letra A de la Figura 9se está realizando este ajuste, para que el ángulo de voltaje siempre sea constante en 0, y el ángulo de la corriente sea el del desfase entre voltaje y corriente más el de mover el voltaje a 0.
En el recuadro B de color azul se encuentra la corrección del ángulo que se debe realizar para que pueda ser interpretado por el bloque generador de señales Sine Wave Generator Express VI. Este bloque establece que el desfase debe estar en periodos. La fórmula para convertir un ángulo en grados a un ángulo en periodos se encuentra en la fórmula 1.
? ???? ?? (? ????? ??) =? ???? ??(? ?? ? ??)360
Fórmula 1. Fórmula para pasar de desfase en grados a desfase en periodos.
En la Figura 10 está el código de LabView que se encarga de generar las señales análogas de voltaje y corriente. El motivo por el cual se encuentran acotadas las señales de salida es porque el amplificador tiene un máximo de operación tanto de voltaje como de corriente, entonces es indispensable garantizar la seguridad del equipo y el banco de pruebas en general.
Diseño e implementación de un banco de pruebas
utilizando la técnica Hardware In the Loop. Caso:
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Dado que señal análoga de voltaje es amplificada por un circuito amplificador de voltaje, se decidió medir el desfase intrínseco que produce el circuito, para así corregirlo por software y que las mediciones en los relés sea el correcto. En la Figura 11se muestran dos señales de voltaje. La señal azul corresponde a la salida de la CompactRIO y la señal roja es la salida del circuito amplificador, que tiene como entrada, la señal azul.
A simple vista no se puede reconocer ningún desfase entre las dos, sin embargo, cuando se evalúa el cruce de las señales por cero se hace más notorio si existe un desfase o no. En la Figura 12 se muestran las mismas dos señales, pero con la medida de desfase en el cruce por cero.
Figura 11. Señales análogas antes y después del circuito amplificador de voltaje.
Figura 12. Medición del desfase entre las señales análogas antes y después de la amplificación.
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utilizando la técnica Hardw
control Volt/Var en un sistema de distribución
Como indica laFigura 12el desfase medido en tiempo es equivalente a 480µs, atrasando la señal de salida. El periodo de las señales es de 60Hz, o 16.66ms. Para hallar el desfase en grados equivalente a 480µs se usa
Fórmula 2. Fórmula para hallar el desfase angular a partir del desfase temporal.
El desfase intrínseco del circuito es de 10.37, que es aproximadamente 1/35 del periodo de la señal y por esto no es notorio a simple vista. Este valor debe ser corregido en software, de manera que siempre se le sume el desfase a la salida de la CompactRIO, y el circuito se encargue de volver a atrasarlo al valor correcto.
4.4 Simulaciones HIL
El sistema sobre el cual se trabajó, tanto para la prueba de control Volt como de factor de potencia para bancos de condensadores se muestra en la
Figura 13. Sistema básico de estudio para relés de control de bancos de condensadores.
El sistema de la Figura 13
protecciones típicas de un banco de condensadores en sistemas de distribución. El sistema tiene un voltaje línea a línea de 230V (132.8V línea a neutro) con una frecuencia de 60Hz. Es un sistema completamente balanceado y cuenta con una línea de transmisión
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utilizando la técnica Hardware In the Loop. Caso:
ar en un sistema de distribución
el desfase medido en tiempo es equivalente a 480µs, atrasando la señal de salida. El periodo de las señales es de 60Hz, o 16.66ms. Para hallar el desfase en grados equivalente a 480µs se usa la fórmula 2.
Fórmula 2. Fórmula para hallar el desfase angular a partir del desfase temporal.
El desfase intrínseco del circuito es de 10.37, que es aproximadamente 1/35 del periodo notorio a simple vista. Este valor debe ser corregido en software, de manera que siempre se le sume el desfase a la salida de la CompactRIO, y el circuito se encargue de volver a atrasarlo al valor correcto.
Simulaciones HIL
trabajó, tanto para la prueba de control Volt como de factor de potencia para bancos de condensadores se muestra en laFigura 13.
. Sistema básico de estudio para relés de control de bancos de condensadores.
13 está pensado para ilustrar cómo deben funcionar las nes típicas de un banco de condensadores en sistemas de distribución. El sistema un voltaje línea a línea de 230V (132.8V línea a neutro) con una frecuencia de 60Hz. Es un sistema completamente balanceado y cuenta con una línea de transmisión
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are In the Loop. Caso:
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el desfase medido en tiempo es equivalente a 480µs, atrasando la señal de salida. El periodo de las señales es de 60Hz, o 16.66ms. Para hallar el desfase
Fórmula 2. Fórmula para hallar el desfase angular a partir del desfase temporal.
El desfase intrínseco del circuito es de 10.37, que es aproximadamente 1/35 del periodo notorio a simple vista. Este valor debe ser corregido en software, de manera que siempre se le sume el desfase a la salida de la CompactRIO, y el
trabajó, tanto para la prueba de control Volt como de factor de
. Sistema básico de estudio para relés de control de bancos de condensadores.
para ilustrar cómo deben funcionar las nes típicas de un banco de condensadores en sistemas de distribución. El sistema un voltaje línea a línea de 230V (132.8V línea a neutro) con una frecuencia de 60Hz. Es un sistema completamente balanceado y cuenta con una línea de transmisión típica de
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utilizando la técnica Hardware In the Loop. Caso:
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sistemas de distribución, una carga y un banco de condensadores que se habilita o deshabilita por el switch, que corresponde al relé usado. En la tabla 1 se muestran las especificaciones de la carga y el condensador en DSSim.
Tabla 1. Parámetros de la carga y condensador del sistema básico.
Elemento Parámetro Valor
LD_1
Phases 3
kV 0.23
kW 48
Model 1
Daily Load
kVAr 36
Basefreq 60
C_1
Phases 3
kVAr 15
kV 0.23
Conn wye
Basefreq 60
Prueba Volt
En la prueba Volt se busca que el relé identifique cuando el perfil en el nodo de control se encuentre por debajo de los rangos aceptados y tome una acción de control. Debido a que el sistema de 3 nodos no tiene los recursos para llevar el voltaje a valores superiores a 1.05p.u. se realizó únicamente la prueba por subvoltaje. En la Figura 14se encuentra el diagrama de conexión del banco de pruebas.
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utilizando la técnica Hardw
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Figura 14. Diagrama de conexión del banco de pruebas para prueba Volt
De laFigura 14se pueden establecer las conexiones del banco de pruebas. Por
cRIO envía una señal análoga al amplificador, que corresponde a la señal de voltaje sin amplificar. El amplificador, que cuenta con una ganancia de voltaje de 100V/V se encarga de llevar el nivel de voltaje a valores mesurables por el relé Bec
cRIO un pulso de 24V cuando ocurre una acción de apertura o cierre.
En la Figura 15 se muestra el perfil de carga tanto de la parte activa como de la parte reactiva de la carga LD_1 únicamente para el caso de control Volt
Figura 15. Perfil de
Durante las primeras 8 horas, el sistema opera con una carga a la mitad (
su potencia nominal. Las siguientes 8 horas aumenta el consumo de la carga, y sube hasta el 77% de su potencia nominal, es decir,
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ar en un sistema de distribución
Diagrama de conexión del banco de pruebas para prueba Volt.
se pueden establecer las conexiones del banco de pruebas. Por
cRIO envía una señal análoga al amplificador, que corresponde a la señal de voltaje sin amplificar. El amplificador, que cuenta con una ganancia de voltaje de 100V/V se encarga de llevar el nivel de voltaje a valores mesurables por el relé Beckwith y éste le envía a la cRIO un pulso de 24V cuando ocurre una acción de apertura o cierre.
se muestra el perfil de carga tanto de la parte activa como de la parte únicamente para el caso de control Volt.
. Perfil de carga de potencia activa y reactiva para el control Volt.
Durante las primeras 8 horas, el sistema opera con una carga a la mitad (24+18j
su potencia nominal. Las siguientes 8 horas aumenta el consumo de la carga, y sube hasta nominal, es decir, 36.96+27.72j [kVA]. Por último, el tramo final de
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se pueden establecer las conexiones del banco de pruebas. Por ejemplo, la cRIO envía una señal análoga al amplificador, que corresponde a la señal de voltaje sin amplificar. El amplificador, que cuenta con una ganancia de voltaje de 100V/V se encarga
kwith y éste le envía a la
se muestra el perfil de carga tanto de la parte activa como de la parte
24+18j[kVA])de su potencia nominal. Las siguientes 8 horas aumenta el consumo de la carga, y sube hasta [kVA]. Por último, el tramo final de
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utilizando la técnica Hardware In the Loop. Caso:
control Volt/Var en un sistema de distribución
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8 horas la carga se encuentra operando a su potencia nominal, 48+36j [kVA]. En la Figura 16se muestra la información del sistema durante las primeras 8 horas de simulación.
Figura 16. Sistema básico de estudio durante las primeras 8 horas de simulación del caso Volt.
En la Figura 16 se puede observar que el voltaje sobre el nodo de control (nodo 2) está sobre el umbral de 0.95p.u. El relé inicia la simulación en estado abierto (rojo) y permanece abierto puesto que no se han violado los rangos de voltaje permitidos.
En la figura 22 se encuentran los datos suministrados por DSSim en el momento que cambia el perfil de carga de LD_1. Dado que el voltaje p.u. en el nodo 2 es inferior a 0.95, el relé se ve obligado a cambiar su configuración y cerrarse para permitir que el condensador mejore el perfil de voltaje.
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Figura 17. Sistema básico de estudio antes de la acción de control del relé.
En la Figura 18 se muestra el momento en el que el relé actúa para subir el voltaje por encima de 0.95p.u.
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Una vez se cierra el relé aumenta el voltaje en el nodo 2 y entra dentro de los rangos permitidos. Adicional a esto, la magnitud de la corriente sobre la línea disminuye de 122.03A a 114.54A, lo cual muestra el impacto directo que tienen los condensadores en la disminución de corrientes y por ende, la disminución de las pérdidas inherentes al sistema. Por último, está la notoria diferencia en el desfase de la corriente con respecto al voltaje; previo al cierre del relé, el desfase era de 36.855º, mientras que con el condensador trabajando, disminuyó a 32.07º.
Finalmente, en la Figura 19se encuentra el sistema para las últimas 8 horas del día.
Figura 19. Sistema básico de estudio durante las últimas 8 horas de simulación.
Con este aumento en la demanda de potencia por parte de LD_1 vuelve a aumentar la magnitud de la corriente sobre la línea, vuelve a aumentar el desfase entre el voltaje del nodo y la corriente de la línea (lo cual implica un peor factor de potencia) y disminuye el voltaje del nodo, sacándolo del límite inferior, inclusive con la presencia del condensador en el sistema.
Prueba por factor de potencia
En la prueba por factor de potencia se dispone del banco de pruebas como se ilustra en la Figura 20.
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Figura 20. Diagrama de conexión del banco de pruebas para prueba de factor de potencia.
En comparación con el caso de control anterior, esta vez se cuenta con la amplificación de una señal de corriente; la ganancia del amplificador es 6A/V. Adicionalmente existe otra señal siendo amplificada que corresponde a la señal de voltaje. Esta señal es amplificada por el circuito de amplificación de voltaje, que en laFigura 20corresponde al bloque de ganancia. Una vez más, la cRIO está corriendo simultáneamente el sistema en DSSim y el control del banco de pruebas en LabVIEW.
Para la prueba por factor de potencia, se utilizó un perfil de carga para la potencia activa de la carga y otro para la potencia reactiva de la carga. En la figura 25 están los perfiles de carga usados para ambas potencias.
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Figura 22. Perfil de carga para la parte reactiva de la carga.
La Figura 21 corresponde al perfil de carga de la potencia activa y la Figura 22 corresponde al perfil de la potencia reactiva. La posición inicial del relé es abierto, y debe continuar así hasta que haya una configuración en la carga tal que el factor de potencia sea inferior a 0.9 en atraso. En la tabla 1 se muestra la condición del relé durante las primeras 5 horas de simulación.
W VAr FP Estado Corrección de FP Hora 1 0 0 1 Abierto
-Hora 2 24 0 1 Abierto
-Hora 3 39.96 10.8 0.965 Abierto
-Hora 4 48 36 0.8 Cerrado 0.916
Hora 5 0 0 0 Abierto 1
Tabla 1. Información de las primeras 6 horas de simulación para el caso por factor de potencia.
En la Figura 23 se muestran las mediciones del sistema durante la primera hora de simulación.
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Figura 23. Sistema básico de estudio durante la primera hora de simulación.
Al igual que en la tabla 1, el switch que representa al relé se encuentra abierto. Se puede observar que las corrientes del sistema son iguales a cero y el voltaje p.u sobre el nodo 2 es igual a 1. Esto se debe a que no hay carga en el sistema, por lo tanto no hay ningún flujo de potencia.
La Figura 24representa el sistema de estudio para la segunda hora de simulación.
Figura 24. Sistema básico de estudio durante la segunda hora de simulación.
En la Figura 24se cuenta con una carga totalmente resistiva, con un valor de 24kW; por este motivo el desfase entre la corriente sobre la línea que comunica los nodos 1 y 2 y el
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voltaje en el nodo 2 es prácticamente nulo. Esta pequeña diferencia de fase se debe a la línea, cuya impedancia cuenta con un componente imaginario debido a la presencia inductiva característica de todas las líneas. En laFigura 25se encuentra la simulación de la siguiente hora del sistema.
Figura 25. Sistema básico de estudio durante la tercera hora de simulación.
La Figura 25corresponde a la tercera hora de simulación, en la cual la carga se encuentra en un valor de 39.96+10.8j [kVA]. En este momento el factor de potencia se encuentra en 0.965 en atraso; este valor está dentro de los rangos aceptados por el relé, luego no hay necesidad de que se cierre. Se puede observar que ya existe un mayor desfase entre la corriente de la línea y el voltaje sobre el nodo 2, este fenómeno se debe a que la carga ahora cuenta con una parte inductiva. El desfase entre voltaje y corriente es de 16.25º La Figura 26muestra la información del sistema previo a que el relé tome la decisión de cerrarse. La Figura 27 muestra la información del nuevo sistema con compensación de reactivos, debido al cierre del relé.
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Figura 26. Sistema básico de estudio antes de la acción de control del relé en caso de factor de potencia.
En laFigura 26 se observa que el desfase entre el voltaje y la corriente asciende a 36.826º y tiene un factor de potencia de 0.8 en atraso. El relé detecta este factor de potencia fuera de los rangos, y toma un tiempo de 3 segundos para cerrarse y permitir la compensación de reactivos.
Figura 27. Sistema básico de estudio después de la acción de control del relé en caso de factor de potencia.
Una vez el relé cambia de estado, se tiene el sistema de laFigura 27. En este caso el factor de potencia llega a 0.916 en atraso, por lo cual entra dentro del rango aceptado. Más allá
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de que mejore el factor de potencia, se pueden observar las consecuencias que trae un buen uso de bancos de condensadores en un sistema de distribución.
Inicialmente, el voltaje sobre el nodo de control mejoró, subiéndolo de 0.9353p.u a 0.9516p.u; analizando el sistema por factor de potencia ayudó a que los voltajes del sistema también entraran en el rango aceptado de voltajes. Además, la corriente sobre la línea antes y después del cierre del relé cambió. Antes se encontraba en un valor en magnitud de 156.09A y pasó a 139.72A, lo cual corresponde a un cambio del 10%.
La quinta hora de simulación del sistema se encuentra en laFigura 28.
Figura 28. Sistema básico de estudio durante la quinta hora de simulación.
En la sexta hora no hay demanda de potencia por parte de la carga LD_1 y solo está el banco de condensadores conectado. Se puede observar un desfase entre el voltaje y la corriente de 90º, y un mayor voltaje en el nodo 2 que en el nodo 1. Esta información muestra los beneficios que trae el uso de realizar control sobre los bancos de condensadores y no dejarlos fijos. Puede darse el caso en sistemas de distribución donde se desconecte una carga importante del sistema, y si existen bancos de condensadores fijos pueden llegar a perjudicar el funcionamiento del sistema. El relé observa que el factor de potencia disminuyó a cero y se abre, llegando al estado del sistema mostrado en laFigura 23.
Cuantitativamente se puede observar el impacto del cierre de los reles, es decir, el impacto de los bancos de condensadores en el sistema, por cuanto cambian las variables eléctricas del sistema. Durante la primera prueba, la prueba Volt, cuando se cierra el relé,
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la corriente a través de la línea disminuye en un 6,14%. Para el caso del voltaje, cuando
cambia el estado del relé aumentó en 0,64%.
De igual manera, en el caso de la prueba VAr, la corriente por la línea 1 disminuye en 10,48% y el voltaje en el nodo 2 aumenta en 1,75%. El motivo por el cual la inclusión del mismo banco de condensadores en el mismo sistema afecta de diferente forma para ambos casos es porque cuentan con diferentes perfiles de carga, luego varía el estado de las variables eléctricas antes y después de la acción del relé.
5 VALIDACIÓN DEL TRABAJO
5.1 Validación de los resultados del trabajo
Control Volt
En la Figura 29 se muestra la oscilografía tomada por el relé Beckwith para el caso de control Volt.
Figura 29. Oscilografía del control Volt.
La Figura 29 muestra que una vez se detecta el subvoltaje, es decir, una magnitud de voltaje por debajo de los rangos establecidos, el relé se cierra y permite que haya compensación de reactivos en el sistema. El cambio en la señal durante el pico negativo del segundo periodo de la señal, representa los nuevos valores de voltaje una vez DSSim interpreta que hubo un cierre. Este aumento en magnitud de la señal de voltaje, indica que el condensador tuvo el impacto deseado en el sistema y llevo el voltaje a estar dentro de los rangos establecidos, como se explicó previamente. Adicionalmente, la discontinuidad también indica un cambio de fase, fenómeno característico de los bancos de condensadores cuando entran en funcionamiento.
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En laFigura 30se tiene la oscilografía de las señales de voltaje y corriente medidas por el relé SEL para el caso de control de factor de potencia.
Figura 30. Oscilografía del control de factor de potencia.
La línea punteada roja representa el momento en el que el relé detecta que la protección de factor de potencia se activó y espera 3 segundos para cerrarse. Una vez ocurre el cierre, se puede observar que inmediatamente disminuyen las corrientes del sistema. Al mismo tiempo, la magnitud de la señal de voltaje debe aumentar, sin embargo, a esa distancia no se puede observar claramente el aumento. Por este motivo se realizó un zoom sobre la misma señal como se muestra en la Figura 31.
Figura 31. Acercamiento de los picos del voltaje de la oscilografía del relé Beckwith.
En la Figura 31se observan claramente los picos de la señal de voltaje antes y después de la falla por factor de potencia. El aumento del voltaje se debe a que la presencia del banco
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de condensadores disminuyó la corriente sobre la línea, generando una menor caída de voltaje sobre ella, llevando al nodo donde se mide el voltaje a tener un valor mayor respecto al caso sin banco de condensadores.
También se puede observar el comportamiento en los diagramas fasoriales tomados de las mediciones del relé antes y después del cierre. Este diagrama se puede observar en la Figura 32.
Figura 32. Oscilografía de los fasores de voltaje y coriente en el control de factor de potencia.
En la Figura 32 se encuentran los diagramas fasoriales del voltaje y la corriente antes y después del cierre del relé. Se puede observar que antes de que se ejecutara el comando de cerrarse, el desfase entre las dos señales era mayor, luego el factor de potencia era menor. Adicionalmente la corriente sobre la línea era mayor, mientras que una vez hay presencia de bancos de condensadores, disminuye la magnitud de la corriente. El motivo por el cual la fase del voltaje siempre está en cero, es porque para mantener un desfase correcto, se decidió dejar la fase del voltaje siempre en cero, y correr ese desfase la fase de la corriente.
6 DISCUSIÓN
Se realizaron simulaciones HIL para validar el funcionamiento de relés reales aplicados a la industria. Las simulaciones constaron de dos pruebas para control de bancos de condensadores, una de accionamiento basado en mediciones de voltajes y la segunda de accionamiento basado en mediciones de factor de potencia.
Se evaluaron dos relés, el usado para control Volt está diseñado para control de bancos de condensadores por lo cual integrar el relé en la simulación HIL tiene sentido en el mundo real. El usado para control de factor de potencia es un relé diseñado para otras aplicaciones, pero tiene la facultad de ser muy flexible y permite ser programado para
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muchas funciones diferentes, como la de invertir su lógica de apertura y cierre para simular el funcionamiento de un relé de banco de condensadores. El uso del segundo relé limita los resultados de este proyecto puesto que en condiciones reales este elemento nunca se va a encontrar operando con esta funcionalidad.
El motivo por el cual no se realizaron ambas pruebas con el relé de bancos de condensadores fue porque faltaron amplificadores de potencia que permitieran generar dos señales análogas que el relé pudiera interpretar.
Además, el sistema usado para comprender y analizar las diferentes características con las que debe contar un relé de bancos de condensadores es básico y no permite integrar otros elementos característicos de los sistemas de distribución.
7 CONCLUSIONES
Se validó el funcionamiento de dos relés para condiciones de control de bancos de condensadores. Se analizó el comportamiento de bancos de condensadores en sistemas de distribución, lo que implica, qué esperar y una buena práctica con los mismos.
Para mediciones de factor de potencia lo más importante es generar un correcto desfase entre señales de manera que las mediciones sean las adecuadas.
Como trabajo futuro, se puede evaluar la adquisición de un nuevo amplificador de potencia, de manera que el relé Beckwith, especializado en control de bancos de condensadores pueda realizar la medición de voltaje y corriente, y se pueda usar su función de control VAr. Adicionalmente se puede evaluar con un sistema más robusto con presencia de más condensadores y que las condiciones del sistema sean más variables.
8 REFERENCIAS
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Montenegro, D.; Ramos, G.A., "Real time observability analysis for
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PowerTech (POWERTECH), 2013 IEEE Grenoble
,
pp.1,5, 16-20 June 2013
9 ANEXOS
1. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
1.1 Protección de bancos de condensadores
En 1983, se planteó la necesidad de un relé capaz de responder al factor de potencia medido tanto en postes como en subestaciones. Un mejor control de la inyección de potencia implica:
Reducción de las pérdidas del sistema de distribución Reducción de las penalidades del factor de potencia. Mejoramiento del control de voltaje.
Mejoramiento de los sistemas de distribución en general.
En la Figura 33se encuentra un circuito de instalación típico para la medición basada en una sola fase de factor de potencia. Está basado en el uso de PTs (Potential Transformers) y CTs (Current Transformers).
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control Volt/Var en un sistema de distribución
Figura 33
El control del banco de condensadores mide voltaje, corriente y ángulo de fase mediante la conversión de los valores de voltaje y corriente de los transformadores a números digitales. El tiempo entre el cruce
de onda del voltaje es medido para calcular el ángulo entre los dos. El microprocesador del relé luego convierte este ángulo en unidades de factor de potencia.
Es importante para un relé contar con un puerto seri
y transmitir información. El relé debe enviar información continuamente acerca de los voltajes de línea medidos, las corrientes y el factor de potencia.
Para el diseño del banco de condensadores, es importante analizar las
desventajas de usar un banco de condensadores en Y aterrizado o no a tierra. Las ventajas que tiene un banco de condensadores conectado a tierra con uno que no, son:
El costo inicial del banco es inferior, debido a que no hay necesidad de aisla de tierra del sistema, como en el caso de arreglos de neutro flotantes.
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33. Circuito típico para medición de factor potencia.
El control del banco de condensadores mide voltaje, corriente y ángulo de fase mediante la conversión de los valores de voltaje y corriente de los transformadores a números digitales. El tiempo entre el cruce por cero de la corriente medida y la forma de onda del voltaje es medido para calcular el ángulo entre los dos. El microprocesador del relé luego convierte este ángulo en unidades de factor de
Es importante para un relé contar con un puerto serial de comunicaciones para recibir y transmitir información. El relé debe enviar información continuamente acerca de los voltajes de línea medidos, las corrientes y el factor de potencia.
Para el diseño del banco de condensadores, es importante analizar las
desventajas de usar un banco de condensadores en Y aterrizado o no a tierra. Las ventajas que tiene un banco de condensadores conectado a tierra con uno que no,
El costo inicial del banco es inferior, debido a que no hay necesidad de aisla de tierra del sistema, como en el caso de arreglos de neutro flotantes.
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El control del banco de condensadores mide voltaje, corriente y ángulo de fase mediante la conversión de los valores de voltaje y corriente de los transformadores a por cero de la corriente medida y la forma de onda del voltaje es medido para calcular el ángulo entre los dos. El microprocesador del relé luego convierte este ángulo en unidades de factor de
al de comunicaciones para recibir y transmitir información. El relé debe enviar información continuamente acerca de los
Para el diseño del banco de condensadores, es importante analizar las ventajas y desventajas de usar un banco de condensadores en Y aterrizado o no a tierra. Las ventajas que tiene un banco de condensadores conectado a tierra con uno que no,
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La recuperación de voltajes transientes debido al switcheo de los condensadores se reduce ya que el neutro está aterrizado a tierra y el banco de condensadores es conmutado como tres fases independientes.
Las desventajas de un arreglo aterrizado a tierra son:
El neutro aterrizado puede provocar interferencia telefónica
Resulta en una impedancia baja para el camino de falla a tierra. Por este motivo los bancos de condensadores aterrizados a tierra no son aplicados a sistemas no subterráneos.
Corrientes de falla del sistema fluyen a través de unidades dañadas o afectadas.
Hay corrientes de alta frecuencia que entran a las mallas de puesta a tierra de las subestaciones.
Una señal comúnmente medida para revelar el estado de desbalance del banco es la corriente fluyendo por el neutro del banco. En caso de que un condensador serie dentro del banco dejara de funcionar, produciría un flujo de corriente en el neutro, para un banco aterrizado. Entre mayor sea el desbalance del banco y el estrés de voltaje interno, mayor es la corriente de neutro. Para bancos no conectados a tierra, el voltaje neutro-tierra provee información similar.
Un CT (Current Transformer) y un relé de sobrecorriente de tiempo definido serían suficientes para generar una señal trip para el banco de condensadores. Es importante resaltar que la corriente en neutro también está influenciada por desbalances en los voltajes de los buses. De esta manera, inclusive con un banco de condensadores en perfectas condiciones, se podría generar una señal equívoca de trip, o por el contrario, un banco con fallas puede pasar desapercibido por la relación fasorial de los voltajes desbalanceados.
El esquema de detección de corriente por neutro tiene otra desventaja. En un caso poco probable, si un elemento falla en cada una de las tres fases, existirán sobrevoltajes en el banco, pero debido a que la reactancia se conserva, no habría corrientes por neutro y por este método no se detectarían las fallas.
En la Figura 34se muestra un esquema de conexión para sensar la corriente neutro-tierra.
