Software para el procesamiento de las oscilografías generadas en la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA. Software para el procesamiento de las oscilografías generadas en la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV. Autor: Julio Cesar García Mendoza. Tutor: Dr. Roberto Luis Ballesteros Horta. Santa Clara 2013 "Año 55 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA. Software para el procesamiento de las oscilografías generadas en la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV. Autor: Julio Cesar García Mendoza E-mail: [email protected]. Tutor: Dr. Roberto Luis Ballesteros Horta Dpto. de Automática, Facultad de Ing. Eléctrica, UCLV E-mail: [email protected]. Santa Clara 2013 "Año 55 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Julio Cesar García Mendoza. Fecha. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Julio Cesar García Mendoza. Fecha. Autor. Boris Luis Martínez Jiménez, Dr.. Fecha. Jefe de Departamento. Responsable ICT o J’ de Carrera, (Dr., M.Sc. o Ing.) Responsable de Información Científico-Técnica. Fecha.

(4) i. PENSAMIENTO. “La sabiduría es el único bien que no se pueden llevar los ladrones.” Benjamín Franklin.

(5) ii. DEDICATORIA. Dedico esta tesis, que constituye el logro de mis esfuerzos, a mi familia: a mis padres que son mi razón de ser y a Amaia, mi querida hija, que con sus pocos meses de vida se ha robado mi corazón. A Daimara, por la paciencia y la dedicación que me ha tenido todos estos años. A mi hermanito, ese que solo da dolores de cabeza, a ti, Carlos Alberto, no necesito decirte por qué….

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradezco a todos los que de una u otra forma han colaborado en la realización de esta tesis; principalmente a mi tutor, el Dr. Roberto Luis Ballesteros Horta, por el tiempo que me ha dedicado y la ayuda ofrecida, “Profe, sin usted no lo hubiese logrado”. A los profes del departamento de automática que fueron parte de mi formación profesional. A la Dra. Martha Bravo, por la información ofrecida. A mis colegas y compañeros de cuarto: José Luis, Yaidel, Wao, el Eléctrico, Hernández, los Ale, Rolando, a la Salsa y en especial al que trasciende una amistad, al hermano, a Magdiel, por el apoyo ofrecido tanto en el ámbito personal como en el profesional. A las amigas e infiltradas de esas “carreras campismo” que tanto ayudaron, especialmente a Laura e Inalvys. A Carlos Alberto, el amigo de toda la vida, de las buenas y las malas, del apoyo incondicional. A toda mi familia, especialmente a mis padres Diana y Julio, por el apoyo, por ser la base e inspiración de todos mis logros. A mi hija, porque me impulsa a querer ser mejor y a esforzarme para salir adelante. A Daimara por toda la ayuda y el apoyo ofrecido..

(7) iv. TAREAS TÉCNICAS.  Análisis de la bibliografía sobre subestaciones, instrumentación de campo y oscilografías.  Caracterización de la subestación Santa Clara 220 kV, así como la instrumentación existente y del protocolo COMTRADE.  Desarrollo de un software para procesar la información generada según el protocolo COMTRADE y almacenarla en base de datos.  Desarrollo de un software para visualizar las señales.  Valoración de pruebas con oscilografías generadas por instrumentos de campo de la subestación de 220kV de Santa Clara.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. El procesamiento de oscilografías generadas en las subestaciones eléctricas es una tecnología novedosa a nivel mundial. Este procesamiento permite un análisis de las perturbaciones, minimizar los efectos de las mismas y la identificación de problemas o eventuales fallas de forma rápida. En países como Cuba, la generación de energía eléctrica es un factor de gran importancia, por lo que se han dado pasos en el estudio y desarrollo del procesamiento y análisis de las oscilografías. En la presente investigación se realiza el diseño de un software que permite el procesamiento de las oscilografías registradas en la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV, además de almacenar en base de datos con formato estándar y visualizar a través de gráficas y pantallas la información procesada. Para la realización de este diseño se realiza un análisis bibliográfico de las subestaciones eléctricas y la forma en que se registran las oscilografías en estas, conjuntamente de una caracterización de la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV. Los resultados obtenidos, tras haber realizado pruebas con registros oscilográficos obtenidos en la subestación, validan el diseño realizado y demuestran la rapidez con la cual el software diseñado puede procesar, visualizar y almacenar la información..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREAS TÉCNICAS ...........................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ................... 6. Subestaciones Eléctricas .......................................................................................... 6. 1.1.1. Definición de Subestación Eléctrica ............................................................... 7. 1.1.2. Clasificación de las Subestaciones Eléctricas ................................................. 8. 1.1.3. Subestaciones Eléctricas en Cuba ................................................................. 12. 1.2. Instrumentos de medición en Subestaciones Eléctricas ......................................... 13. 1.2.1. Mediciones en Subestaciones Eléctricas....................................................... 15. 1.2.2. Instrumentos que generan Oscilografías ....................................................... 15. 1.2.3. Analizadores de redes modelo ION .............................................................. 17. 1.3. Oscilografías en Subestaciones Eléctricas ............................................................. 17. 1.3.1. Definición de Oscilografías .......................................................................... 18. 1.3.2. Ventajas del uso de Registros Oscilográficos ............................................... 20.

(10) vii 1.3.3. Características de las Perturbaciones ............................................................ 21. 1.3.4. Estándar COMTRADE para Almacenamiento de Datos .............................. 22. 1.4. Conclusiones del Capítulo...................................................................................... 24. CAPÍTULO 2.. DISEÑO DE UN SOFTWARE PARA EL PROCESAMIENTO DE. OSCILOGRAFÍAS EN LA SUBESTACIÓN SANTA CLARA 220 kV ............................ 25 2.1. Subestación Eléctrica Santa Clara 220 kV ............................................................. 25. 2.2. Dispositivos Electrónicos Inteligentes en la Subestación Santa Clara 220 kV ...... 26. 2.2.1. Características de los analizadores de redes modelo ION ............................ 27. 2.2.2. Características del relé digital de protección a distancia 7SA522 ................ 28. 2.3. El estándar COMTRADE en la Subestación Santa Clara 220 kV ......................... 29. 2.4. Diseño del software para el procesamiento de los ficheros COMTRADE ............ 33. 2.4.1. Arquitectura del software diseñado .............................................................. 33. 2.4.2. Programa principal del software diseñado .................................................... 35. 2.5. Etapas del software diseñado ................................................................................. 36. 2.5.1. Adquisición ................................................................................................... 36. 2.5.2. Procesamiento ............................................................................................... 38. 2.5.3. Almacenamiento ........................................................................................... 40. 2.5.4. Visualización ................................................................................................ 41. 2.6. Conclusiones del Capítulo...................................................................................... 43. CAPÍTULO 3.. PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................... 44. 3.1. Registros de Perturbaciones ................................................................................... 44. 3.2. Pruebas y resultados ............................................................................................... 45. 3.2.1. Prueba con ficheros generados por el relé 7SA522 ...................................... 45. 3.2.2. Otras pruebas realizadas ............................................................................... 53. 3.2.3. Valoración de los resultados ......................................................................... 55.

(11) viii 3.3. Valoración técnico - económica ............................................................................. 56. 3.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 57. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 58 Conclusiones ..................................................................................................................... 58 Recomendaciones ............................................................................................................. 59 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 60 ANEXOS .............................................................................................................................. 63 Anexo A. Diagrama en bloques de la pantalla principal ............................................. 63. Anexo B. Diagrama en bloques de la etapa de adquisición ........................................ 63. Anexo C. Almacenamiento en base de datos Excel .................................................... 64. Anexo D. Almacenamiento en las Variables Globales ................................................ 65. Anexo E. Diagrama en bloques de la etapa de almacenamiento ................................ 65.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Muchos autores han hecho referencia a los grandes descubrimientos científicos y al impresionante desarrollo tecnológico existente en la civilización y la época en la que vivimos. Asimismo, las personas aprovechan y disfrutan diariamente de los diversos servicios derivados de la ciencia, la ingeniería y la tecnología; aunque existe muy poco conocimiento y reconocimiento del papel que juega la Automática en todas las áreas de la actividad humana (J. Hernández, 2003). Diversas han sido las fuentes por las que se han logrado importantes descubrimientos, necesarios e imprescindibles en la sociedad moderna. La energía eléctrica es uno de estos grandes descubrimientos, que constituye una fuente primordial en el impulso del desarrollo del comercio, la industrialización y el bienestar de la población. Esta proviene desde los centros de generación, que pasan a su vez mediante las redes eléctricas a las subestaciones, instalaciones que están ubicadas estratégicamente, para distribuirse por medio de circuitos eléctricos hacia los puntos de consumo (Mar Pérez & Vidal López, 2011). Las compañías de electricidad prestan un servicio de alta importancia a las poblaciones, siendo este el suministro de la energía eléctrica. Con el transcurso del tiempo se ha hecho necesario el perfeccionamiento de este servicio, por lo que se ha introducido en el mismo el proceso de automatización. Esto ha traído consigo la instalación de nuevos instrumentos con funciones más avanzadas, tal es el caso de los instrumentos de campo para subestaciones eléctricas, que pueden generar registros oscilográficos. Con los registros se puede determinar las causas de las perturbaciones ocurridas en el servicio eléctrico. A partir de la década del 70 la industria electrónica alcanzó un gran desarrollo, cuando los fabricantes comenzaron a cambiar los dispositivos electromecánicos por los de estado sólido, basados en microprocesadores. Estos equipos son denominados; dispositivos.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. electrónicos inteligentes (IEDs, por sus siglas en ingles); los cuales presentan interfaces de comunicación, almacenan datos históricos, y constan de unidades terminales remotas integradas para entradas y salidas de datos (Andruela, 2010). El uso de registradores oscilográficos para determinar la ocurrencia de perturbaciones es relativamente reciente en el área de la generación eléctrica, pues estos ofrecen una gran cantidad de datos, los cuales normalmente no están disponibles de forma rápida y eficiente para los operadores y analistas que las utilizan para el análisis de eventos. No todos los dispositivos están unidos a una red de comunicación que permita la recolección de datos en el momento en que se produce dicha perturbación. Por otra parte, una gran cantidad de registros puede ser generada, pero solo una parte de estos datos es significativa. Un buen análisis de las oscilografías es realizado por los especialistas que muchas veces no están en el lugar de la perturbación (Ballesteros Horta, Santos Azevedo, Cabral Leite, Holanda Bezerra, & de Lima Tostes, 2011). La utilización de registros oscilográficos para analizar las perturbaciones, se impulsó con la llegada de las protecciones digitales. La Unión Eléctrica de Cuba no se encuentra aislada a todos los avances tecnológicos alcanzados a nivel mundial en cuanto a los servicios de electricidad, por lo que este sistema se ha implementado en las subestaciones eléctricas. En Cuba, como en todos los países, la generación de energía eléctrica es un factor de gran importancia, por lo que se está llevando a cabo la modernización de las subestaciones eléctricas, siendo este el caso de la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV, con la introducción de nuevos instrumentos de campo. Estos instrumentos generan oscilografías, las cuales se almacenan en ficheros según el estándar COMTRADE. Por tanto, la información almacenada no está en formato de base de datos estándar. Esta tecnología permite determinar las causas de las perturbaciones ocurridas con el procesamiento de las oscilografías. En la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV existe un software para realizar un análisis de las perturbaciones, el cual se obtiene con la compra de los instrumentos de campo que realizan los registro oscilográficos. En la subestación no se cuenta con un software que facilite la información de los registros oscilográficos en una base de datos con formato.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. estándar y posibilite la visualización detallada de las perturbaciones que son registradas para ser utilizada en otras aplicaciones. Después de haber abordado la problemática existente, queda establecido el problema científico: ¿Cómo desarrollar un software que facilite la visualización de señales y el almacenamiento de información en base de datos estándar? Objetivo general Para dar respuesta al problema científico se define como objetivo general: diseñar un software para el procesamiento de las oscilografías generadas por instrumentos de campo de la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV, para disponer de dicha información en formato estándar y poder visualizar y analizar las perturbaciones ocurridas. Para cumplimentar este objetivo general, se definieron los siguientes objetivos específicos: Analizar la bibliografía existente sobre subestaciones eléctricas, instrumentación de campo y oscilografías. Determinar las características que presenta la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV, así como los instrumentos de campo presentes en esta que generan oscilografías. Diseñar la base datos en formato estándar para el almacenamiento de los datos. Diseñar el sistema de procesamiento de las oscilografías generadas por los instrumentos de campo. Diseñar una interfaz Hombre – Máquina que permita la presentación de las oscilografías. Evaluar los resultados de las pruebas realizadas. Resultados Con la realización de este trabajo de diploma se obtiene una base de datos en formato Excel que permite el almacenamiento de los datos en formato estándar. Un software que permite el procesamiento y la visualización de las oscilografías generadas por los instrumentos de campo de la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV..

(15) INTRODUCCIÓN. 4. El resultado obtenido se puede aplicar en otras subestaciones, además de servir como base teórica para posteriores estudios. Impacto posible Con el desarrollo de este proyecto se contribuye a la modernización de la Unión Eléctrica de Cuba (UNE), pues facilita al análisis de las oscilografías generadas por los instrumentos de campo en la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV y así ofrecer respuestas de fiabilidad con soluciones económicamente factibles. La implementación del software diseñado facilita a los especialistas e investigadores la realización de estudios y análisis de las perturbaciones ocurridas, para así poder determinar las posibles causas de estas perturbaciones ocurridas. Estos resultados poseen una aplicación práctica de trascendencia para el personal técnico, como para los investigadores que laboren en la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV y en la Unión Eléctrica de Cuba (UNE), pues contribuye al conocimiento de nuevas tecnologías y metodologías de trabajo, aplicable a las subestaciones eléctricas.. Estructura del trabajo El trabajo de diploma, posterior a este tema introductorio, está compuesto por tres capítulos y los epígrafes correspondientes a cada uno de ellos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y finalmente los anexos. Se resumen los aspectos tratados en cada capítulo como se muestra a continuación: El primer capítulo comprende las definiciones fundamentales que encierran argumentos teóricos del problema científico, dedicado a la revisión bibliográfica de las subestaciones eléctricas, así como de los instrumentos de campo que generan oscilografías y al estudio de las técnicas que se utilizan en la actualidad para el registro y procesamiento de las oscilografías generadas por los instrumentos de campo en una subestación eléctrica. Al concluir el capítulo se realizan las conclusiones parciales del mismo.. En el capítulo dos se realiza una caracterización de la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV y los instrumentos de campo que generan oscilografías. Se realiza el diseño del software que permite obtener la información en base datos con formato estándar con la utilización de.

(16) INTRODUCCIÓN. 5. Microsoft Excel y el diseño que permite la visualización de señales, en función de lograr un intercambio hombre – máquina. Al concluir el capítulo se encuentran las conclusiones parciales correspondientes.. El capítulo tres incluye el software diseñado para el procesamiento de la información, la visualización de señales y la base de datos obtenida en formato estándar con toda la información registrada en ella. Se exponen los resultados de la validación mediante pruebas y resultados obtenidos con los datos generados por los instrumentos de campo de la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV. Al concluir el capítulo se realizan las conclusiones parciales del mismo..

(17) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS. EN. 6. SUBESTACIONES. ELÉCTRICAS. La instrumentación existente en las subestaciones eléctricas en la actualidad ha alcanzado un elevado desarrollo. Con estos avances se supera la vieja tendencia, en la que al presentarse una falla permanente, para restablecer el servicio de energía eléctrica se empleaba mucho tiempo en seccionar o aislar la falla, debido a que los equipos eléctricos de las subestaciones se encuentran en puntos distantes de la red eléctrica, y el personal por este motivo tardaba en llegar al punto de falla. Debido a las exigencias de un servicio continuo al usuario, fue necesario sustituir los equipos mecánicos de las subestaciones eléctricas por equipos electrónicos más modernos, lo que ha permitido un mayor control de las subestaciones eléctricas. En el presente capítulo se expone un análisis teórico sobre el concepto y clasificación de las subestaciones eléctricas y el estado actual en el que se encuentran estas en Cuba. Se ofrece una panorámica de la clasificación de la instrumentación con que se cuenta en las mismas, se dan a conocer las características de dichos instrumentos, así como su importancia para la detección de perturbaciones mediante registros oscilográficos. Se define la importancia del uso de las oscilografías en las redes eléctricas, así como la clasificación de estas. Se describen las principales características de las perturbaciones que ocurren en las redes eléctricas. Se expone la utilización del estándar COMTRADE para el almacenamiento de los registros oscilográficos. 1.1. Subestaciones Eléctricas. La energía eléctrica es uno de los grandes descubrimientos que constituye una fuente primordial en el impulso del desarrollo del comercio, la industrialización y el bienestar de.

(18) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 7. la población. Por lo que se hace necesaria una subestación que suministre la energía eléctrica con potencia y voltaje apropiados para lograr una mayor productividad. Las subestaciones eléctricas constituyen un elemento fundamental en las redes de distribución de energía eléctrica. Dicha importancia se debe a que, al transmitir la corriente eléctrica se producen pérdidas de potencia, que son directamente proporcional a la corriente elevada al cuadrado. La potencia eléctrica en una red es directamente proporcional al valor de su tensión y al de su corriente. Por tanto, cuanto mayor sea el valor de la tensión, menor deberá ser el de corriente y en consecuencia, menores serán las pérdidas de potencia. Además de transformadores, las subestaciones eléctricas están dotadas de elementos de maniobra, tales como: interruptores, seccionadores, protección de fusibles e interruptores automáticos, que desempeñan un papel fundamental en los procesos de mantenimiento y operación de las redes de distribución y transporte. La automatización de subestaciones ha pasado de la simple sustitución de los procesos existentes por otros más sofisticados a la interacción entre procesos. Ha facilitado el desarrollo de nuevas funciones que antes no eran posibles; y ha ofrecido nuevas y potentes capacidades para los usuarios, lo que a su vez ha generado una mayor necesidad de automatización. 1.1.1 Definición de Subestación Eléctrica Diversos son los criterios que se han planteado de lo que se entiende hoy como subestación eléctrica. Esta juega un rol muy importante en la red de energía eléctrica, asociada a una estación de generación, transmisión y distribución de electricidad. En una subestación la tensión a través de los transformadores de potencia se convierte desde alto a bajo, o viceversa. Las subestaciones eléctricas son parte integrante del sistema de transporte y distribución de una red eléctrica, que funcionan como punto de conexión o desconexión de las líneas de transporte, de las líneas de distribución, de las centrales de generación y de los transformadores elevadores y reductores. Los objetivos de las subestaciones son obtener la máxima seguridad, flexibilidad y continuidad del servicio con los mínimos costes de.

(19) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 8. inversión y operación que satisfagan los requisitos de la red eléctrica (Hernández Guerreiro, 2008). Entre las definiciones planteadas encontramos que: “Una subestación es un conjunto de máquinas, aparatos y circuitos, que tienen la función de modificar los parámetros de la tensión y corriente, permitiendo el control del flujo de energía, brindando seguridad para el sistema eléctrico, para los mismos equipos y para el personal de operación y mantenimiento” (Moret Fernández, 2012). Otro de los criterios planteados define: “Las subestaciones son las componentes de los sistemas de potencia en donde se modifican los parámetros de tensión y corriente, sirven además, de punto de interconexión para facilitar la transmisión y distribución de la energía eléctrica y pueden clasificarse de acuerdo a su función y construcción” (Mar Pérez & Vidal López, 2011). Por lo general, se define que las subestaciones tienen una función principal, transformar la tensión proveniente de las centrales generadoras. Estas constituyen parte integrante del sistema electroenergético. 1.1.2 Clasificación de las Subestaciones Eléctricas Las subestaciones eléctricas pueden clasificarse de acuerdo a su función y construcción (Mar Pérez & Vidal López, 2011) (observar la figura 1.1). Existe una clasificación en cuanto a la potencia y tensión que manejan las subestaciones. Aunque la clasificación de las subestaciones en muchos países en cuanto a los niveles de tensión no es la misma, es decir, es específica de cada país, pues actualmente no existe ningún acuerdo internacional referente a este tema (Moret Fernández, 2012)..

(20) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 9. Figura 1.1 Clasificación de subestaciones.. Clasificación en cuanto a su función: Subestación elevadora: Se refiere a aquellas que se encuentran cerca de las centrales generadoras de energía eléctrica. En este tipo de subestaciones se modifican los parámetros principales en la generación de la energía eléctrica por medio de los transformadores de potencia, elevando el voltaje y reduciendo la corriente para que la potencia pueda ser transportada a grandes distancias con el mínimo de pérdidas. Subestación reductora: Las subestaciones reductoras son las encargadas de reducir los niveles de tensión a valores menores. Para que pueda ser distribuida a distancias medias, a través de líneas de transmisión, subtransmisión y circuitos de distribución, los cuales operan a bajos voltajes para su comercialización. Clasificación según la potencia y tensión: Según Fernández (2012) la clasificación existente relacionada con la potencia y la tensión que se pueden manejar en una subestación eléctrica son: Subestación de transmisión: Son las subestaciones en las que las líneas de transmisión manejan una tensión de 230 kV..

(21) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 10. Subestación de subtransmisión: Son aquellas que manejan una tensión entre 230 kV y 115 kV. Subestación de distribución primaria: Son las subestaciones que gobiernan una tensión entre 115 kV y 23 kV. Subestación de distribución secundaria: Son las que manejan una tensión por debajo de 23 kV. Como se mencionó anteriormente, los niveles de tensión no son iguales en todos los países, pues en cada país se trabaja con una clasificación específica. Cuba no es la excepción, pues también trabaja con niveles de tensión específicos (Eléctrica, 2000). Teniendo en cuenta estos criterios, las subestaciones eléctricas en Cuba se clasifican como: Subestación de Transmisión: En estas subestaciones las líneas de transmisión manejan una tensión de 220 kV y 110 kV. Subestación de subtransmisión: El nivel de tensión es de 34,5 kV (33kV). Subestación de distribución primaria: En este tipo de subestación la tensión es de 13,8 kV (13 kV) y 4,33 kV (4kV). Subestación de distribución secundaria: Los niveles de tensión son de 480 V (440), 380 V, 220 V, 110 V. La clasificación anteriormente descrita, en cuanto al funcionamiento, se debe a que la energía eléctrica es originada en plantas generadoras. Posterior a su generación, pasa por una etapa de transformación donde se eleva y se transmite a través de las líneas de transmisión a la subestaciones de subtransmisión. En las subestaciones de subtransmisión se somete a un proceso de transformación y se reduce esta tensión para ser transmitida a las subestaciones de distribución, disminuida a un nivel adecuado, de forma tal que pueda ser utilizada en los centros de consumo..

(22) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 11. Clasificación de acuerdo a la construcción de la subestación: Se conoce que las subestaciones eléctricas se clasifican de acuerdo al tipo de instalación que poseen, aspecto que depende de la estructura de construcción de estas (Moret Fernández, 2012), por lo que se pueden clasificar en: Subestaciones tipo intemperie: Estas subestaciones generalmente se construyen en terrenos expuestos a la intemperie, y requieren de un diseño, aparatos y máquinas capaces de soportar el funcionamiento bajo condiciones atmosféricas adversas (lluvia, viento, nieve), por lo que generalmente se utilizan en los sistemas de alta tensión (observar la figura 1.2).. Figura 1.2. Subestación tipo intemperie. Subestaciones tipo interior: En este tipo de subestaciones, los aparatos y máquinas están diseñados para operar en interiores y generalmente son usados en las industrias (observar la figura 1.3).. Figura 1.3. Subestación tipo interior.

(23) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 12. Subestaciones tipo blindado: En estas subestaciones los equipos y las máquinas están bien protegidos y el espacio necesario es muy reducido. Generalmente se utilizan en fábricas, hospitales, auditorios, edificios y centros comerciales que requieran poco espacio para su instalación, generalmente se utilizan en tensiones de distribución y utilización. 1.1.3 Subestaciones Eléctricas en Cuba En los últimos años, el país está inmerso en una Revolución Energética (Cruz, 2011) que involucra indistintamente a todos los sectores, por lo que se requiere de una cuantiosa inversión.. Este. proyecto. depende. para. su. adecuado. funcionamiento. del. reacondicionamiento de las redes eléctricas e inclusión de los grupos de generación distribuida, que posibilite un funcionamiento eficiente y adecuado del sistema electroenergético nacional (SEN). Para la interconexión adecuada de los grupos de generación distribuida es necesaria una correcta operación de las subestaciones asociadas, las cuales tienen el objetivo de tomar potencia del lado de alta tensión del nivel de transmisión o de los grupos electrógenos directamente, reducir el voltaje y distribuir la potencia a través de un determinado número de alimentadores primarios en el área asignada (Gondres Torné, Lajes Choy, & del Castillo Serpa, 2007). Por tanto, el correcto funcionamiento de las subestaciones es fundamental y esto depende de los elementos de interconexión, tales como: interruptores, barras, seccionadores, que enlazan al SEN y así mantener la disponibilidad y confiabilidad del sistema (Carruyo Romero & Harding Montiel, 2007) . En Cuba, las subestaciones eléctricas están a prueba de contingencias climatológicas extremas, soportan fuertes vientos y emiten poco ruido, además de diseñarse de acuerdo a las normas establecidas para el cuidado del medio ambiente. El correcto funcionamiento de las subestaciones es primordial, pues estas, eliminan las molestias causadas por los frecuentes altibajos en el voltaje, funcionamiento que posibilita que las plantas cuenten con una tecnología avanzada que le permite al operador identificar las interrupciones en un período de tiempo breve..

(24) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 13. La Unión Nacional Eléctrica (UNE) desarrolla un amplio programa inversionista, que incluye la remodelación y construcción de modernas subestaciones eléctricas con el objetivo de elevar el servicio a clientes estatales y residenciales. Estas obras están acordes con las estrategias encaminadas a lograr una alta disponibilidad y reducir las pérdidas de energía en el sistema. La construcción de modernas y eficientes subestaciones eléctricas garantiza el servicio a la población y los proyectos de desarrollo vinculados con la recuperación de la economía, previstos por el Estado. Estas facilitan un servicio más confiable y eliminan las pérdidas por concepto de transferencia de energía, lo cual determina una mayor calidad en los servicios (Cruz, 2011). 1.2. Instrumentos de medición en Subestaciones Eléctricas. En las subestaciones eléctricas se utilizan diferentes instrumentos para la realización de mediciones, entre estos podemos encontrar: Voltímetros: Muestran una indicación numérica de la tensión, normalmente en una pantalla tipo LCD. Suelen tener prestaciones adicionales como memoria, detección de valor de pico, valor eficaz (RMS), autorrango y otras funcionalidades. Amperímetros: Son instrumentos que mide la corriente que está circulando por un circuito eléctrico. Frecuencímetros: Estos instrumentos miden la frecuencia durante un intervalo de tiempo, mediante el uso de un contador que acumula el número de períodos.. Los instrumentos mencionados anteriormente, en la actualidad, se han sustituidos por otros construidos con nuevas tecnologías, dándole paso a la aparición de instrumentación más moderna y sofisticada. Entre los equipos más recientes podemos encontrar los relés de protección y los equipos con tecnología digital para las protecciones. Los relés están clasificados según su funcionamiento (Carruyo Romero & Harding Montiel, 2007). Algunos de estos son: relé de distancia, relé de bajo voltaje, relé direccional de potencia, relé de baja excitación de campo, relé de secuencia negativa, relé térmico, relé instantáneo de sobrecorriente, relé temporizado de sobrecorriente, relé de sobrevoltaje, relé.

(25) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 14. direccional de sobrecorriente, relé de recierre, relé de desconexión con enclavamiento y relé diferencial. Los relés más utilizados se muestran a continuación: Relé de sobrevoltaje: Su función es detectar voltajes por encima de sus valores de rangos ajustados. Relé de bajo voltaje: Su función es detectar voltajes por debajo de su rango establecido. Relé instantáneo de sobrecorriente: Su función es detectar valores de corriente que sobrepasen el rango al cual fue ajustado, actuando de manera instantánea. Relé temporizado de sobrecorriente: Su función es detectar valores de corriente que sobrepasen el rango al cual fue ajustado, actuando de acuerdo con el tiempo de retardo al cual fue ajustado. Relé diferencial: Su función es detectar la corriente de defecto de una línea por comparación de las corrientes en sus dos extremos captadas por medio de transformadores de intensidad. Cuando la comparación de corrientes se hace de dos líneas en paralelo, se llama relé diferencial transversal. Relé de distancia: Su función es detectar fallas en el sistema de potencia a través del valor de la impedancia del elemento protegido. La medición de ésta se hace indirectamente a través de los valores de voltaje y corriente medidos de manera directa. Los equipos con tecnología digital son unidades de protección con un elevado desarrollo, basados en microprocesadores. Estos ofrecen características de protección, monitoreo, medición y control programable, que expanden los límites de protección proporcionados comúnmente por múltiples dispositivos de función única. La capacidad de medición es exacta y permite reemplazar medidores por separado y reducir el cableado en los paneles. Permiten realizar los registros oscilográficos, que proporcionan datos detallados de perturbaciones en el sistema (L. Hernández, 2009). Estos Dispositivos Electrónicos Inteligentes contienen un conjunto completo para medición de corriente y voltaje. Asimismo, calculan componentes de secuencia, flujo de potencia activa y reactiva, factor de potencia, demanda, valores mínimos y máximos..

(26) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 15. 1.2.1 Mediciones en Subestaciones Eléctricas En las subestaciones eléctricas se realiza un amplio número de mediciones de parámetros, entre los que podemos encontrar: Tensión: Permite conocer la tensión que está aplicada en las barras. Corriente: Este parámetro permite conocer la corriente que se consume por la carga y a su vez, determina el estado de los interruptores. Potencia activa: Es aquella potencia que convierte la energía eléctrica en otras formas de energía. Este parámetro es de gran interés en las subestaciones, pues debe existir una correspondencia entre la potencia recibida y la potencia entregada. Potencia reactiva: Es de gran interés y seguimiento en las subestaciones, esta potencia es utilizada para la generación de un campo eléctrico o magnético, en dispositivos tales como: motores, transformadores y capacitores. Potencia aparente: Es el producto de la corriente y la tensión, o la resultante de la suma de los vectores de la potencia activa y la potencia reactiva. De gran utilidad, ya que permite obtener un conocimiento de la capacidad en Volt - Ampere (VA) que asume el transformador de potencia. Factor de potencia: Este parámetro relaciona la potencia activa y la potencia aparente, permite un mayor conocimiento de la utilización eficiente del uso de la energía, debido a que, un bajo factor de potencia trae consigo una disminución de la tensión y de la capacidad de carga. Frecuencia: Es un índice de la variación de la carga en el sistema. Para poder realizar una correcta medición de los parámetros mencionados anteriormente, se hace necesaria la utilización de instrumentos de medición que presenten alta precisión para mostrar los resultados. Por esto es necesaria la utilización de instrumentos de última generación; entre los que encontramos los IEDs, que brindan altas prestaciones y permiten registros oscilográficos. 1.2.2 Instrumentos que generan Oscilografías En las subestaciones eléctricas existe una tendencia a la utilización de instrumentos de medición de última tecnología con capacidad para realizar registros oscilográficos como son los analizadores de redes eléctricas modelo Power Logic ION. Los analizadores de.

(27) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 16. redes modelo ION poseen características similares, que en la medida que avanza el número del modelo aumenta la cantidad de prestaciones que poseen. Estos forman parte de la instrumentación de las subestaciones y se utilizan en aplicaciones empresariales de gestión de energía, tales como el monitoreo de la alimentación y en las mediciones. Otros instrumentos son los relés de protección digital, los cuales son un elemento fundamental en el correcto funcionamiento de las subestaciones. Existen otros instrumentos que posibilitan la realización de registros oscilográficos, entre los que encontramos los equipos de Protección Digital de Frecuencia (DFF, por sus siglas en ingles), que permiten el registro de los últimos 150 sucesos ocurridos y registran las oscilografías de tensiones y señales digitales (Systems Integration Specialists Company, 2009). Otros instrumentos que integran esta línea son los utilizados para analizar fenómenos de un sistema eléctrico. Estos equipos ejecutan las funciones de oscilografías y de otras funciones que se requieren actualmente para el análisis de una o más instalaciones eléctricas. Además del tradicional registro de corta duración, que se utiliza para el análisis de cortas perturbaciones, energización y otros transitorios, los equipos realizan otras funciones, entre las que encontramos: Registros fasoriales para el análisis de oscilaciones, caídas de tensión y otros eventos dinámicos, generados por disparos o por medición continua. Registros de calidad de energía (promedio histórico), aplicado al análisis del régimen permanente del sistema, contemplando informaciones como distorsión armónica. Algunos ejemplos de los instrumentos mencionados anteriormente son: el RPV-311, equipo destinado a la adquisición, el monitoreo y registro de magnitudes eléctricas en aplicaciones que demandan alto desempeño, modularidad, flexibilidad y elevado número de canales (Silveira, 2011a). Otro instrumento es el RPV-350, que permite registrar las perturbaciones que ocurren en las redes eléctricas y resulta transportable para la adquisición, monitoreo y registro de magnitudes eléctricas (Silveira, 2011b)..

(28) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 17. 1.2.3 Analizadores de redes modelo ION Los analizadores de redes modelo ION son equipos de control de calidad de la energía eléctrica que pueden tomar medidas que les diferencian de los medidores eléctricos. Algunas de estas medidas son: fluctuaciones de frecuencia, fluctuaciones de tensión lentas o rápidas, baja frecuencia (“Flicker”), desbalance de suministro de tensión, magnitud armónica, huecos de tensión (“DIPs”), interrupciones de tensión de corta o larga duración (Mora Flórez, 2011; SUPPRESS, 2010). Estos instrumentos proporcionan información precisa que permite realizar un amplio análisis de la calidad eléctrica. Además de incorporar funciones para registrar y clasificar todas las perturbaciones de la red eléctrica. De forma general, las funciones de estos sistemas son: Adquisición e integración de datos. Control manual y automático. Supervisión y monitorización en tiempo real. Análisis de tendencias. Análisis de calidad de alimentación. Creación de diagramas personalizados. Integración de equipos de otros fabricantes. 1.3. Oscilografías en Subestaciones Eléctricas. El uso de las oscilografías data de hace varias décadas (Tcheou, 2005), alrededor de los años 50, se registraban las oscilografías por equipos electromagnéticos que a través de una aguja móvil que iba registrando oscilaciones en un rollo de papel en movimiento. A principio de los 70, el registro empezó a hacerse en papel fotográfico por dispositivos analógicos. Fue a mediados de los años 80 que aparecieron los primeros oscilógrafos digitales y se consolidaron en los años 90, que eran llamados registradores digitales de perturbación. Con la evolución de la tecnología y abaratamiento del hardware de aplicación en el.

(29) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 18. mercado, los recursos oscilográficos fueron incorporados en gran parte de los relés digitales utilizados en sistemas de protección.. En el área de la generación eléctrica, el uso de los registros oscilográficos es una tecnología avanzada. Estos registros facilitan una gran cantidad de datos de las perturbaciones y eventos que ocurren en las redes eléctricas, los cuales se utilizan en el análisis post-evento. Las oscilografías constituyen una base importante en el análisis del origen de fallas. Es importante saber que las oscilografías tienen como objetivo fundamental permitir el análisis post-evento de las perturbaciones, diferente a los sistemas de protección que deben operar en tiempo real en respuesta a las perturbaciones. Las oscilografías constituyen una herramienta complementaria para sistemas de protección, pues permite que los especialistas realicen el análisis de las perturbaciones y posteriormente realizar las correcciones de los parámetros de protección, así como cualquier defecto que surja (Moreto & Rolim, 2010). En el análisis de las oscilografías, la habilidad del operador para analizar y encontrar la fuente de los eventos o perturbaciones es un aspecto fundamental (Ballesteros Horta, et al., 2011). Uno de los usos más antiguos y mejor conocidos para los registros de oscilografías y la ubicación de fallos, consiste en determinar la distancia desde el punto de ocurrencia de un fallo con respecto a determinada línea de transmisión. Así, los equipos de mantenimiento pueden ser enviados directamente a los lugares donde probablemente ocurrió el fallo para reparar los daños causados por la perturbación, posibilitando que el trabajo sea más rápido y eficiente. Además, le permite a los especialistas realizar otros procedimientos, entre los que encontramos los análisis fasoriales para verificar el equilibrio entre fases y el análisis de armónicos para observar la intensidad de los armónicos presentes en la señal. 1.3.1 Definición de Oscilografías Las oscilografías son el registro de los movimientos oscilatorios, una variación, perturbación o fluctuación en el tiempo de un medio o sistema representando las señales analógicas y binarias como una función. Se presenta el funcionamiento del sistema de potencia de una subestación eléctrica para una mejor comprensión de cómo se generan las oscilografías:.

(30) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 19. En una subestación el sistema de potencia, en régimen estacionario, opera muy cerca de su frecuencia nominal y las magnitudes de las tensiones en las diferentes barras no varían demasiado. Por lo tanto, existe un balance entre la potencia activa y reactiva generada y la consumida. Cualquier cambio en la potencia generada, potencia demandada o en el sistema de potencia causan cambios en la potencia del sistema, que oscila hasta alcanzar otro punto de equilibrio entre la generación y la carga. Estos cambios ocurren permanentemente y son compensados por los sistemas de control. Entre las perturbaciones que causan oscilaciones de potencia, encontramos: - Las fallas en el sistema de potencia. - Las conexiones de líneas de trasmisión. - Las desconexiones de generadores. - La pérdida o aplicación de grandes bloques de carga. Estas perturbaciones resultan en cambios repentinos en la potencia eléctrica, mientras que la potencia mecánica se mantiene constante. En dependencia de las perturbaciones y de la acción de los controladores las oscilaciones pueden ser estables o inestables. En la actualidad existen dos formas muy utilizadas para realizar la clasificación de las oscilografías, estos tipos de clasificaciones se muestran a continuación: Oscilografías de corta duración o transitoria: Son utilizadas para el monitoreo de fenómenos transitorios de origen electromagnético; en general posibilita el estudio y mantenimiento de sistemas de protección, para detectar un mal funcionamiento de equipos y para la localización de fallas. Además, pueden ser utilizadas para el análisis de armónicos y otros procedimientos, donde se incluye el procesamiento de señales para el análisis de sistemas y evaluación de la calidad de la energía. Oscilografías de larga duración: Son las oscilografías responsable del monitoreamiento de oscilaciones de baja frecuencia, de transitorios lentos de origen electromagnético; en general, es utilizado con el propósito de avalar el comportamiento dinámico de sistemas eléctricos..

(31) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 20. 1.3.2 Ventajas del uso de Registros Oscilográficos Los registradores oscilográficos tienen dos funciones diferentes, la función de captura y la función de visualización. La primera de estas funciones hace referencia a la captura y el almacenamiento de la información en el interior de la protección y forma parte del software del relé; mientras que la segunda se refiere a la recuperación y visualización gráfica de los datos almacenados (Torres García & Jácome Depaz, 2004). Como se ha expuesto hasta el momento, el uso de registros oscilográficos es una tecnología novedosa en el área de la generación de energía eléctrica y como todo avance tecnológico, su utilización proporciona grandes ventajas, relacionadas con el aporte de nuevos y valiosos recursos (Zimath, Espíndola, & Varela, 2009), entre los que encontramos: Comunicación en red Ethernet, destinada a minimizar los tiempos de obtención de los registros por la central de análisis, y a mejorar la infraestructura de comunicación existente. Sincronización de los datos oscilógrafos de forma integrada, lo que facilita la comparación con la secuencia de eventos generada por el sistema de control y supervisión digital de las plantas. Integración de las señales del sistema de protección en los registros de oscilografías, tornando el análisis del evento más completo, y al mismo tiempo, más detallado. Reducción en el tiempo de indisponibilidad de la unidad averiada, con rápido acceso al evento registrado y con diversidad de informaciones disponibles. Almacenamiento de registros fasoriales de larga duración, permitiendo el análisis de fenómenos electromecánicos con duración superior a algunos segundos.. Los oscilógrafos almacenan los registros en formato digital, permitiendo que el análisis de cualquier perturbación se pueda realizar tanto al lado del panel como remotamente, a través de una estación de análisis localizada en uno de los puntos predeterminados en la red de oscilografías. Los oscilógrafos permiten realizar un análisis pos-evento con mayores detalles. Otra de las ventajas de los oscilógrafos es que la configuración del equipo también se puede realizar remotamente, minimizando así el transporte de los equipos especializados hacia las.

(32) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 21. plantas, en caso de que sea necesario realizar actualizaciones o ajustes. Los equipos, además, presentan un sistema de autodiagnóstico, permitiendo la identificación automática de problemas internos, evitando que solo se perciba que el equipo no está operando de forma correcta después de que ocurra una falla de operación. 1.3.3 Características de las Perturbaciones Se entiende por perturbación cualquier disturbio ocurrido en la red eléctrica que altere los parámetros de tensión y corriente. Se entiende por falla como una perturbación, caracterizada por la interrupción del flujo de energía (Tcheou, 2005). El operador o persona a cargo de una subestación eléctrica necesita que los procesos funcionen correctamente la mayor parte del tiempo. Sin embargo, muchas veces no es esto lo que ocurre, y el sistema debe estar preparado para afrontarlo (Electric, 2009); por lo que existen numerosas causas que provocan fallos en el sistema. Entre las causas más frecuentes podemos encontrar las que se muestran a continuación: Causas climáticas: La caída de un rayo en una torre de alta tensión; la inundación de una subestación de transformación; el viento puede acercar dos conductores produciendo descargas eléctricas; entre otros fenómenos provocados por la naturaleza. Envejecimiento de los equipos: El aislante de los conductores disminuye su eficiencia después de pasados varios años de la construcción de dichos conductos; sucesivos ciclos de calentamiento y enfriamiento varían las propiedades dieléctricas de los materiales; las partes metálicas pueden corroerse; entre otros. Otras causas: Entre estas causas encontramos, entre otras, mala operación de los equipos, acción de animales, roturas por obras de otras empresas. Independientemente de la causa que provoca el fallo, si el desperfecto es grande, puede provocar situaciones anormales en la operación. Los fallos en el sistema serán observables como perturbaciones de los valores medidos en situaciones normales de operación. Los valores habitualmente controlados en un sistema eléctrico son: tensión, corriente, potencia y frecuencia..

(33) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 22. El análisis de perturbaciones es más utilizado por los agentes de transmisión, ya que la mayoría de los disturbios eléctricos son registrados a partir del monitoreamiento de las líneas de transmisión. La función principal del análisis de perturbaciones es: Verificar la correcta actuación del sistema de protección durante una parada. Identificar fallas en los equipos. Monitorear el comportamiento del sistema en respuesta a perturbaciones. Observar el comportamiento de los interruptores. 1.3.4 Estándar COMTRADE para Almacenamiento de Datos En la actualidad, con la instalación de modernos instrumentos de medición en las subestaciones eléctricas, se genera un conjunto de datos, dados por la ocurrencia de perturbaciones. Estos datos son almacenados y se guardan según el formato estándar COMTRADE, aprobado por la institución IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en español, Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, para almacenar los datos generados por instrumentos de medición en redes eléctricas (L. Hernández, 2009; IEEE, 1999). La recolección de datos y la posterior interpretación de estos permiten la reconstrucción de eventos ocurridos, así como el análisis de operaciones inesperadas, además de permitir una sincronización de los datos. Para poder realizar una recopilación de datos, como se mencionó anteriormente, se hace necesaria la utilización de instrumentos que sean capaces de generar oscilografías y el estándar industrial para redes eléctricas COMTRADE. El estándar COMTRADE, es un formato para los datos de oscilógrafos de alta velocidad sobre múltiples canales de datos. Es típicamente usado en la captación detallada de datos de las perturbaciones de una red de energía eléctrica (Systems Integration Specialists Company, 2009). Este define un formato común para archivos de datos digitales, es necesario para trabajar los datos de perturbaciones, ensayos y simulaciones. Además, este estándar posee una estructura normalizada en el archivo de configuración, que permite su adecuada utilización y realizar una mayor extracción de información útil para los operadores que lo utilizan..

(34) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 23. Cada registro de COMTRADE tiene hasta cuatro archivos relacionado con él. Cada uno de estos archivos posee una clase diferente de información (IEEE, 2012), aunque entre todos dan a conocer: Información de texto legible. Configuración. Datos. Información. Estos registros poseen diferentes extensiones como: CFG, para los archivos de configuración. DAT, para los archivos de datos. INF, para los archivos de información. HDR, archivo de texto legible libre que puede contener información de datos, no contenida en el archivo de extensión CFG. Los registros almacenados en el archivo de configuración pueden contener datos numéricos, datos de texto, o ambos. Los datos se guardan en formato de archivo binario o ASCII. Si el fichero es almacenado en ASCII, los campos dentro del fichero son delimitados con comas para poder identificar diferentes campos en el fichero (IEEE, 1999); entre estos campos tenemos: Nombre de la estación. Identificación del instrumento de medición. Revisión del estándar COMTRADE. Número de canales de medición. Tipo de canales de medición. Información de los diferentes canales de medición. Frecuencia de línea..

(35) CAPÍTULO 1. OSCILOGRAFÍAS EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS. 24. Frecuencia de muestro en Hz Fecha de los datos. Hora de los datos Hora de la perturbación. Cantidad de muestras. Con la información recopilada se puede realizar la reconstrucción del momento en que ocurre una perturbación en la red eléctrica y así tomar las medidas necesarias para corregir el error. 1.4. Conclusiones del Capítulo. Las subestaciones eléctricas constituyen una parte importante en el sistema de suministro de energía eléctrica, debido a los niveles de tensión y corriente que se operan en estos lugares. Posibilitándole a las personas el disfrute del servicio eléctrico que es tan necesario en todos los hogares, industrias y demás lugares públicos. La clasificación de las subestaciones en cuanto a los niveles de tensión es general, pero los niveles de estas tensiones son característicos de cada país. Además de ser la clasificación por su construcción un estándar en todos los países. En la actualidad, en las subestaciones eléctricas se encuentran instalados instrumentos de medición con tecnología avanzada. Estos pueden detectar la ocurrencia de perturbaciones en las redes eléctricas, almacenar en memoria los datos generados para el posterior análisis. Los datos almacenados se guardan según el estándar COMTRADE aprobado por la IEEE, lo que permite un trabajo más cómodo con los datos y ofrece la posibilidad de extraer mayor cantidad de datos útiles para la determinación de las causas de la ocurrencia de perturbaciones..

(36) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE UN SOFTWARE PARA EL PROCESAMIENTO DE OSCILOGRAFÍAS EN LA SUBESTACION SANTA CLARA 220 KV. CAPÍTULO 2. DISEÑO. DE. UN. SOFTWARE. PARA. 25. EL. PROCESAMIENTO DE OSCILOGRAFÍAS EN LA SUBESTACIÓN SANTA CLARA 220 kV. En el presente capítulo se muestra como está conformada la subestación eléctrica de Santa Clara 220 kV, así como la instrumentación que se encuentra instalada en la misma. Se realiza una descripción de las características de los instrumentos que pueden realizar registros oscilográficos y del formato COMTRADE en el que son almacenados estos registros. Se realiza el diseño de un software que permite realizar el procesamiento, almacenamiento en formato estándar y visualización de los registros oscilográficos almacenados. 2.1. Subestación Eléctrica Santa Clara 220 kV. La subestación eléctrica Santa Clara 220 kV se encuentra ubicada en el municipio de Santa Clara perteneciente a la provincia de Villa Clara. Según la clasificación de las subestaciones se encuentra en el grupo de subestaciones reductoras, ya que reduce la tensión de 220 kV a 110 kV como se establece en Cuba (Eléctrica, 2000) y es de tipo intemperie, de acuerdo al tipo de instalación que posee. Es una de las subestaciones que se ha modernizado con la instalación de nuevos instrumentos de campo que tienen la capacidad de realizar registros oscilográficos. La subestación está compuesta por dos transformadores de 220 kV a 110 kV y dos barras una de 220 kV y otra de 110 kV. Posee cinco enlaces por la línea de 220kV, un doble enlace con Cienfuegos y otro con Vicente, además de un enlace con la termoeléctrica Antonio Guiteras. En la línea de 110 kV posee diez enlaces, donde encontramos un doble.

(37) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE UN SOFTWARE PARA EL PROCESAMIENTO DE OSCILOGRAFÍAS EN LA SUBESTACION SANTA CLARA 220 KV. 26. enlace con Sagua y otro con Santa Clara 110, posee enlaces con Planta Mecánica, Placetas, Camajuaní, Cienfuegos, Santo Domingo y Cruces, observar la figura 2.1. Figura 2.1 Diagrama de conexiones de la subestación eléctrica Santa Clara 220 kV.. Esta subestación tiene una carga promedio aproximada de 200 MVA, con la cual se encuentra al margen de su funcionamiento, pues soporta un máximo de 250 MVA. La instrumentación existente en este lugar está dada por numerosos IEDs, entre los que podemos encontrar los analizadores de redes modelo Power Logic ION y los relés de protección a distancia. Los instrumentos mencionados son los encargados de realizar las mediciones instantáneas de las variables existentes como son: valores de tensión, corriente y potencia. Además estos tienen la capacidad de realizar registros oscilográficos en caso de ocurrir algún tipo de evento inesperado para luego poder realizar un análisis post- evento. 2.2. Dispositivos Electrónicos Inteligentes en la Subestación Santa Clara 220 kV. Los Dispositivos Electrónicos Inteligentes los podemos encontrar en cualquier subestación eléctrica, tal como en la subestación Santa Clara 220kV. Aquí encontramos algunos, tales como: los analizadores de redes, que son parte integrante de los instrumentos que podemos encontrar en una subestación eléctrica. Estos instrumentos se utilizan en aplicaciones empresariales de gestión de energía, tales como el monitoreo de la alimentación y en las.

(38) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE UN SOFTWARE PARA EL PROCESAMIENTO DE OSCILOGRAFÍAS EN LA SUBESTACION SANTA CLARA 220 KV. 27. mediciones. Estos les proporcionan a los operarios o usuarios información para el análisis y seguimiento de la red eléctrica. Además podemos encontrar instrumentos como: los relés de protección digital para las líneas de transmisión, donde estos realizan una función importante registrando datos y protegiendo las líneas en caso de ocurrencia de variaciones no deseadas. 2.2.1 Características de los analizadores de redes modelo ION Dentro de la subestación eléctrica de Santa Clara de 220 kV se encuentran los analizadores de redes del modelo ION, se encuentra instalado el modelo ION 7330. Los analizadores de redes poseen características avanzadas en cuanto a los servicios que prestan; por lo que la instalación de estos modernos instrumentos establece capacidades de ampliación en caso de ser necesario. Podemos apreciar la conexión de instrumentos a través de la figura 2.2. Figura 2.2 Conexión de los instrumentos en la red del sistema supervisor de la Subestación Eléctrica 220 kV.. Dentro de estas características que poseen la familia de los instrumentos ION, se destacan: ION 7300: Son instrumentos de potencialidades para reemplazar los medidores analógicos, proporcionan una gran cantidad de mediciones eléctricas, analógicas y presentan posibilidades de entradas/salidas digitales, además de varios puertos y protocolos de comunicación. Sustituyen PLCs y monitorean presión, temperaturas y pueden medir la distorsión en los armónicos generados (Measurement, 2001a, 2001b)..

(39) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE UN SOFTWARE PARA EL PROCESAMIENTO DE OSCILOGRAFÍAS EN LA SUBESTACION SANTA CLARA 220 KV. 28. ION 7330: A este se le añade la posibilidad de correos electrónicos de los datos registrados y un modem opcional. Posee dos puertos RS - 485 y el puerto de datos infrarrojo estándar. Permite el almacenamiento de históricos así como la grabación de cualquier combinación de las mediciones a los intervalos programados por los puntos de referencia o condiciones de lógica. Posee hasta 30 días de capacidad de grabación en intervalos de 15 minutos (Measurement, 2001a). ION 7350: Posibilita un análisis más sofisticado y profundo de la calidad de la energía y configuración de alarmas. Sofisticada lógica y funciones matemáticas para llevar a cabo los cálculos sobre cualquier valor leído. Pantalla LCD, fácil de leer e iluminado desde el fondo con el contraste regulable. La pantalla LCD soporta visualización de datos local y posee una configuración básica, permite la visualización de 4 parámetros en carácter grande (Measurement, 2001a). ION 7650: Es el más útil, pues se utiliza en los puntos de medición fundamentales, tiene múltiples opciones de comunicación, compatibilidad con las webs y grandes capacidades de control. Posee protocolo de comunicación modbus master, modbus RTU, modbus TCP; comunicación RS-232 y alta velocidad por RS-485 (Measurement, 2004). Los analizadores de red son una familia muy amplia donde todos poseen compatibilidad entre ellos. Específicamente en la subestación Santa Clara 220kV se utiliza el instrumento ION 7330, lo que posibilita incluir nuevos elementos de la familia. ION y otros. instrumentos que posean compatibilidad con estos, en caso de ser necesario en la subestación. 2.2.2 Características del relé digital de protección a distancia 7SA522 En la subestación eléctrica Santa Clara de 220 kV se utilizan diferente instrumentos para realizar la protección de las líneas de transmisión y subtransmisión. En este lugar se encuentra instalado el relé de protección a distancia modelo 7SA522, entre otros relés. Este es un relé de protección a distancia diseñado por la SIEMENS, observar la figura 2.3.

(40) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE UN SOFTWARE PARA EL PROCESAMIENTO DE OSCILOGRAFÍAS EN LA SUBESTACION SANTA CLARA 220 KV. 29. Figura 2.3 Relé de protección a distancia, modelo 7SA522.. Entre las principales características del relé SIPROTEC 4 7SA522 tenemos que puede proporcionar protección a distancia e incorpora todas las funciones requeridas para la protección de una línea eléctrica. Este relé está diseñado y probado para alta velocidad de tiempo de respuesta en caso de alguna ocurrencia, este instrumento es apropiado para líneas y cableados aéreos. Posee comunicación digital de relé a relé, así como varios protocolos de comunicación, como son: protocolo IEC60870-5-103, profibus-FMS/-DP y Ethernet. Posee protecciones de niveles bajo/alto de voltaje, así como de niveles bajo/alto de frecuencias. Tiene incluido auto-ajuste de detección de oscilaciones de potencia para frecuencias de hasta 7 Hz, además de poseer registro de fallos a través de registros oscilográficos y posee localizador de fallas. Este dispositivo es uno de los encargados de realizar mediciones de tensión y corriente en las líneas de la subestación para lograr un correcto funcionamiento de la misma. Los datos que son utilizados para la realización del software son proporcionados por este instrumento, el cual los registra según el estándar COMTRADE (Siemens, 2004). 2.3. El estándar COMTRADE en la Subestación Santa Clara 220 kV. En la subestación eléctrica Santa Clara 220kV se registran un conjunto de datos, los cuales están dados por la ocurrencia de perturbaciones en las líneas de transmisión. Estos datos son registrados según establece el estándar COMTRADE aprobado por la IEEE, la información es facilitada por los IEDs. Entre estos podemos encontrar los analizadores de.