Telecontrol de redes eléctricas

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Introducción

Una red o un sistema eléctrico se compone básicamente de dos elementos: por un lado tendremos plantas generadoras de energía eléctrica y por otro a los consumidores de esa energía. La conexión entre esas dos partes se efectúa mediante una red de transmisión que, por razones técnico-económicas, se configura en una estructura jerárquica con varios niveles de tensión de transporte, reparto y distribución (como pue-de verse en la figura 1). El paso pue-de un nivel pue-de tensión a otro se efectúa en centros denominados subestaciones transfor-madoras, dotados, tanto de los propios transformadores, co-mo de los sistemas necesarios de protección y maniobra. El transporte y distribución de esa energía eléctrica desde los puntos de generación hasta los de consumo se basa en un conjunto de técnicas en constante evolución desde los comienzos de esta actividad hasta nuestros días. Las líneas o caminos únicos han ido dejando paso a una situación en la que se garantiza al consumidor el suministro de energía a través de diversas rutas alternativas, multi-enlazadas en-tre sí, hasta constituir una urdimbre que es la red eléctrica. Además, la penetración en las costumbres sociales del uso de la electricidad hace recaer mayor responsabilidad so-bre las compañías suministradoras, que deberán garantizar la continuidad del servicio para el normal desenvolvimiento de una sociedad moderna. Todo ello provoca una crecien-te complejidad en la planificación, gestión y explotación de una red eléctrica, para lo cual se trata de encontrar técni-cas que ayuden a la resolución de dichas tareas, una de las cuales es sin duda la automatización en el control de la red. Pero la mejora en la calidad y seguridad del servicio no es el único argumento que nos lleva a dicha automatización. Por ejemplo, el carácter geográficamente disperso de la red, con gran número de subestaciones y centrales, obliga a mantener en cada uno de estos enclaves un equipo de técnicos a tur-nos ocupados en tareas de vigilancia y preparados para ac-tuar en caso de necesidad. Es fácil comprender que la auto-matización de dichas funciones podría justificarse, en muchos casos, desde una perspectiva exclusivamente económica. Por tanto la extensión y complejidad de operación de las redes de servicios, y en particular de las redes eléctricas,

ha llevado a la generalización de los sistemas de control que automatizan en cierta medida su explotación, siendo estos concebidos como elementos que mejoran la calidad del servicio disminuyendo los costes.

Aparte de las consideraciones previas hay que tener en cuenta también que la automatización de las redes ha si-do algo buscasi-do desde sus comienzos. Ya en 1890 exis-tían patentes para control remoto y entre los años 1920 y 1940 se desarrollan varios sistemas comerciales en esta área. Sin embargo, es en la década de los sesenta, con el advenimiento del minicomputador, cuando los sistemas de control de redes sufren una evolución vertiginosa, apuntan-do ya las características de los actuales centros de control. En líneas generales diremos que un sistema de control es-tá formado por un centro de control, o un conjunto de cen-tros de control jerarquizados [CHIH-90], y un conjunto de unidades de transmisión remotas RTU (Del inglés: RTU = Remote Terminal Unit) conectadas al centro de control. En la figura 2 se puede ver una posible estructura de un siste-ma de control. De esta siste-manera es posible un trasvase de información entre cada remota y el centro de control y

vi-Telecontrol de redes eléctricas

Elaborado por José Ignacio Escudero y Joaquín Luque Rodríguez, Universidad de Sevilla, Departamento de Tecnología Electrónica.

ENTREGA 1

Transporte Reparto Distribución Interconexión Abonados muy grandes Grandes abonados Abonados medios 15-20 KV 45 - 66 132 KV 45 - 66 132 KV 132 - 220 - 380 KV

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ceversa. En este documento veremos la estructura de las redes eléctricas así como sus componentes y el modo de funcionamiento de los mismos.

Figura 2. Posible estructura de un sistema de control

Sistemas de control

La palabra control es un término genérico que en algunas ocasiones puede llevar a confusión. Por ello es interesante dejar claro que, para nosotros, este término implica no só-lo el concepto de actuación sino que, también, le añade la idea de monitorización o presentación de datos en el cen-tro de concen-trol del sistema, lo que implica la adquisición de datos del campo por las estaciones remotas.

En sus primeros años las misiones encomendadas a los sis-temas de control eran bastantes simples así como los com-ponentes y las técnicas empleadas. Había muy poca elec-ción en los tipos de componentes disponibles: todos eran de tipo electro-mecánico. Los sistemas de control emplea-ban componentes de estado sólido, sensores electrónicos y convertidores analógico- digitales. Incluso las estaciones remotas, dentro de una primera evolución de los sistemas de control continuaban estructuradas como en sus comien-zos ya que las empresas implicadas en las mismas no bus-caban una alternativa a la prestación de funciones de las mismas. Sin embargo, en los años ochenta se empiezan a aplicar nuevas técnicas de diseño de estaciones remotas de manera que nos encontramos remotas que usan micro-procesadores, lo que ha aumentado considerablemente las prestaciones que ofrece una remota, y ha abierto un vasto campo de posibilidades para el futuro.

Los sistemas de control, que comprenden instalaciones de telemedidas, poseen cada vez más una mayor cantidad de aplicaciones distintas de las iniciales, sobre todo en el sector

Centro de control Nacional

Centro de control

Regional Centro de controlRegional Centro de control Provincial RTU RTU RTU RTU RTU RTU RTU RTU RTU

eléctrico. Aquello que en sus comienzos empezó siendo un sistema de supervisión, control y adquisición de datos, siste-ma SCADA1, se ha ido convirtiendo con el tiempo en sistema de administración de energía ó EMS2 [KIM -90], [WAHA-92]. Por ello el sistema de control se convierte, hoy en día, en un sistema de supervisión con un amplio abanico de aplicaciones de control: generación, transmisión y distribución de energía sobre áreas geográficas muy grandes, adquiriendo datos del campo y suministrando información a los centros de control y operación. Todo esto le va a permitir llevar a cabo muchas tareas de manera automatizada, algunas de las cuales son: el despacho de energía, la resolución de problemas produci-dos por restricciones de carga o “caídas” de tensión, el cál-culo de las previsiones de demanda de la red, etc.

Por todo lo que hemos visto más arriba es por lo que las normas ANSI C37.1 [ANSI-87] definen el sistema de admi-nistración de energía, denominado genéricamente sistema de supervisión, como el conjunto de elementos de control, indicadores y equipos de telemedidas asociados a la es-tación principal3, así como todos los dispositivos comple-mentarios que se encuentren tanto en las subestaciones como en las propias remotas.

La estructura de un sistema de control puede estar goberna-da por un conjunto de centros jerarquizados de control o en paralelo que comparten información o se trasvasa entre ellos. Por ello en los siguientes apartados consideraremos los com-ponentes básicos de un sistema de control (Figura 3) que son: centro de control, unidad de transmisión remota RTU y me-dio de comunicación entre ellos, desarrollando su estructura, sus componentes y sus características de funcionamiento.

Centro de control

Los sistemas de control de redes eléctricas tienen la mi-sión de ejercer el control sobre determinados dispositivos y confirmar que este control se produce de forma adecua-da. Al conjunto de dispositivos, módulos funcionales e in-terfaces con los canales de comunicación que permitan lle-var a cabo correctamente las funciones de supervisión se le da el nombre de centro de control [ANSI-87].

En esta definición el concepto “control” implica todo tipo de control, asociando los equipos de telemedida al centro de control así como cualquier dispositivo complementario que en la remota exista. En sus comienzos los centros de control sólo llevaban a cabo las funciones SCADA, que ve-remos más adelante.

Con el tiempo se le fueron añadiendo otras funciones dife-rentes hasta conseguir lo que hemos llamado un sistema de gestión de energía EMS. Para llevar a cabo todas es-tas tareas, el centro de control en particular, y el sistema de control en general, debe estar diseñado bajo las premisas de fiabilidad, estabilidad y seguridad, economía.

1 Del inglés: SCADA = Supervisory Control And Data Acquisition 2 También del inglés: EMS = Energy Management System 3 Centro de control

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La consecución de estas tres premisas fue un gran paso hacia adelante en la ampliación de las posibilidades de uso de los centros de control. De las tres, la más significativa es la de seguridad y por ello vamos a ver más en profundi-dad lo que esto implica. Las condiciones de operación de un sistema se puede dividir en tres categorías o estados diferentes: estado normal, estado de emergencia y estado de restauración [DYLI- 77].

El primero de ellos, el estado normal, ocurre cuando los lími-tes de operación y carga son satisfechos por el sistema. Es razonable y deseable suponer que éste sea el estado en el que generalmente se encuentre el sistema cuando se encuen-tra en un estado de cuasi-equilibrio.

Un sistema está en estado de emergencia cuando los límites de operación no se satisfacen completamente. Existen dos ti-pos de emergencias: a) Cuando se violan únicamente los lími-tes de operación en el estado de cuasi-equilibrio, por ejemplo, cuando los límites de carga de un equipo se sobrepasan o la tensión en una línea es inferior a lo previsto. b) Cuando se vio-lan los límites de operación en estabilidad y como resultado de ello peligra la estabilidad del sistema. El primero de ellos reci-be el nombre de “emergencia de estado de equilibrio” mien-tras que el segundo se conoce como “emergencia dinámica”. El estado de restauración ocurre cuando en el sistema no se satisfacen los límites de carga y como consecuencia de ello el sistema completo o una parte de él se “cae”. En caso de que sea una parte del sistema la que se “caiga” el resto puede encontrarse en estado de emergencia. Naturalmente en estos casos la actuación del centro de control debe ser inmediata ya que se pueden suceder en cascada las “caí-das” de otras partes del sistema, deteriorándolo aún más. Al dividir el estado de operación de un sistema de potencia en tres estados posibles, estamos subdividiendo a su vez

el problema general de funcionamiento en tres subproble-mas, de los cuales el más significativo, desde el punto de vista del diseño y utilización del centro de control, será el relativo al funcionamiento y operación del sistema cuando éste se encuentre en el estado normal, estado en el que debe de encontrarse la mayor parte del tiempo. Por tanto la misión del centro de control consistirá en mantener al sis-tema en el estado normal de operación, previniendo o mi-nimizando el paso a otro estado diferente no deseado. Pa-ra realizar una estPa-rategia efectiva que nos permita llevar a cabo este objetivo vamos a desarrollar más detenidamen-te el concepto de seguridad del sisdetenidamen-tema.

La seguridad de un sistema se puede considerar como la capacidad que tiene ese sistema de enfrentarse a una per-turbación del mismo sin pasar a un estado de emergencia. Si eso ocurre diremos que el sistema es seguro. Para ello el propio sistema posee un conjunto de posibles contingen-cias clasificadas en seguras e inseguras, de manera que el sistema de control, para conseguir su propósito de prevenir o minimizar el paso del estado normal a cualquier otro es-tado de emergencia, debería ser capaz de saber si se en-cuentra o no en el estado normal. Si éste es el caso determi-nar si la contingencia que se presenta es segura o insegura y si es insegura ser capaz de determinar qué acciones son necesarias realizar para volver a un estado normal seguro. Todo esto ha llevado a integrar el control de la generación y el control de la transmisión, antes dispersas, en un único sis-tema. Para sistemas de control geográficamente poco dis-persos esta integración se lleva a cabo con un único cen-tro de concen-trol. Para sistemas más grandes es necesario lle-var a cabo esta integración mediante el uso de lle-varios nive-les de centros de control en una jerarquía de ordenadores.

Continuará...

Centro de control

comunicación

Medios de

Remotas

Campo

Hombre máquina Software Ordenador Adaptador Adaptador Adaptador Modem Modem Modem Modem RTU Modem RTU Modem RTU Modem RTU I N T E R F A Z

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