Sincrofasores

8/19/2019 Sincrofasores

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Prof. Félix Cabral Rodríguez | Jeifry Batista Hernández

IEM-5500-03 SINCROFASORES


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Facultad de Ingeniería y Arquitectura¨Escuela de Ingeniería Electromecánica¨

¨ Sincrofasores ¨Lab. Análisis de Sistemas de Potencia, IEM-5500-03

Prof.: Félix Cabral

Sustentantes:

Jeifry Batista - EJ9126

23 de febrero de 2015

Universidad Autónoma de Santo Domingo, Santo Domingo


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Sincrofasores1

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ContenidoIntroducción .......................................................................................................................................2

1. Fasor ...........................................................................................................................................3

2. Origen de los fasores ..................................................................................................................3

3. Sincrofasores ..............................................................................................................................4

4. Muestreo y procesamiento de la señal ......................................................................................6

5. Obtención de la fase y de la amplitud de una señal ...................................................................6

6. Aplicaciones de los Sincrofasores ...............................................................................................7

6.1 Monitoreo en tiempo real de variables de estado ...................................................................8

6.2 Transductor de fase y registro dinámico ..................................................................................8

6.3 Sistemas de protección especial basada en Out-of-Step ..........................................................86.4 Estimación de estado ...............................................................................................................9

6.5 Análisis en subestaciones .........................................................................................................9

6.6 Análisis en sistemas de potencia ............................................................................................10

6.7 Control en sistemas de área amplia .......................................................................................11

Conclusión ........................................................................................................................................12

Bibliografía .......................................................................................................................................13

Jeifry Batista Hernández


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Sincrofasores2Introducción

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Introducción

La presente investigación se refiere al tema de los Sincrofasores que no es

más que una medición de fasores que están sincronizados con la hora UTC quetienen como referencia una onda coseno.

La característica principal de los sincrofasores es que ha podido reducir losproblemas de un sistema de potencia monitoreando y controlando en tiempo real,otorgándoles a los operadores de este una mayor información al momento detomar una decisión. Además de que pueden resolver una gran variedad deproblemas de protección, automatización y control del sistema de potencia yademás gracias a estos podemos detectar situaciones de riesgo de inestabilidad y

tomar decisiones rápidas.

Las causas de la implementación de esta tecnología son debido alcrecimiento de la demanda en el sector eléctrico que han llevado a los límites decapacidad los sistemas y que permiten la reducción de los cálculos necesarios paradeterminar el estado del sistema.

Este documento lo que pretende brindar sobre el concepto de sincrofasor ycuáles son sus características de funcionamiento, sus ventajas y además de cuáles

son sus aplicaciones en el ámbito eléctrico.



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Sincrofasores3Fasor

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1. Fasor

La representación de señales sinusoidales como fasores es usada comúnmente enel análisis de sistemas de potencia de corriente alterna. Una sinusoide ( ) =

cos( + ) se puede representar como un fasor = + = √ 2 =√ 2 (cos + ) en que depende de la definición de la escala de tiempos u origende tiempos t =0.Entonces un fasor es un número complejo que representa a una sinusoide, con

parte real X r y parte imaginaria X i . Esto aplica a las señales eléctricas sinusoidales como lastensiones y corrientes.

Dado que los vectores también pueden representarse mediante númeroscomplejos los vectores que representan señales sinusoidales eléctricas son llamadosfasores.

El fasor visto como vector tiene entonces módulo √ 2� (valor eficaz) yángulo o argumento respecto de la referencia de ángulos ( t =0).

Es importante indicar que el fasor está definido para la velocidad angular w,por lo que la evaluación con otros fasores (o de varios fasores) debe ser realizadacon la misma escala de tiempos y la misma frecuencia.

2. Origen de los fasores

En 1893, el alemán Charles Steinmetz, introdujo formalmente el términofasor para representar un problema complejo de corriente alterna como unproblema simple de álgebra.

Para ello, representa la onda sinusoidal como un número complejo cuyamagnitud es la misma que la onda original, mientras que el ángulo es la fase de la

onda en un instante de tiempo, particularmente t = 0 s. Normalmente esta variableestá asociada a una frecuencia única y al considerar que los parámetros del sistemapermanecen constante durante el estudio, la dependencia del tiempo se puedeeliminar:



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Sincrofasores4Sincrofasores

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( ) = ( + ∅) → = √ 2 \∅ Una aplicación directa de fasores a sistemas eléctricos de potencia es para

estudios de flujos y de cortocircuito, por otro lado, para análisis transientes sedeben resolver las ecuaciones diferenciales en el dominio del tiempo.

3. Sincrofasores

Los sincrofasores, en términos generales, son mediciones de fasores queestán sincronizadas con la hora UTC (Universal Time Coordinated) y que crean unaonda coseno de frecuencia nominal (50 ó 60 Hz) como referencia. Dichasincronización debe ser precisa ya que un desfase de tan solo 1 μs provocará unerror en el ángulo de fase de 0,0216° para un sistema a 60 Hz ó de 0,018° para unsistema a 50 Hz.

Para la definición de fasores en tiempo real es necesario obtener el ángulode fase de manera sincronizada, esto se logra comparando la señal con una funcióncoseno que presenta la frecuencia nominal del sistema y que sigue el estándar UTC(Coordinated Universal Time). Bajo esta explicación, la fase será el desplazamiento

que tiene la señal muestreada frente a la función coseno elaborada internamentedentro de cada unidad de medida fasorial.

En el pasado no era posible monitorear, en tiempo real, los ángulos relativosde fase de todas las tensiones e intensidades de la red, debido a la falta decapacidad de procesamiento y a las grandes dificultades propias de la recolección,coordinación y sincronización de los datos de la red, esto ha cambiado totalmentegracias a las nuevas tecnologías en comunicación, medición, procesamientoelectrónico de datos y sincronización a través de satélites que en unión con los

sincrofasores, brindan un nuevo escenario donde se facilita la implementación deun importante número de aplicaciones que permiten aumentar la eficacia de la red,herramientas que facilitan el conocimiento del estado del sistema de potencia y suoperación confiable cerca a los límites eléctricos y físicos.

Las nuevas tecnologías en medición fasorial sincronizada (sincrofasores) se



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Sincrofasores6Muestreo y procesamiento de la señal

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de un solo estado del sistema eléctrico para la estimación de variables, reduciendola incertidumbre ocasionada por los retardos en las vías de comunicación ytransferencia de los datos medidos entre las subestaciones y los centros de controlpara la estimación de estado con métodos convencionales.

4. Muestreo y procesamiento de la señal

Para que se obtenga un sincrofasor es necesario medir analógicamente laseñal de voltaje o corriente, filtrándole las frecuencias altas. Posteriormente, almomento de convertir la señal de análoga a digital, se utiliza la frecuencia demuestreo, fs, dependiente de una señal externa con referencia de tiempo absoluta.Luego de realizar la conversión A/D, se calibran los datos para compensar loserrores del hardware al momento de la adquisición de los mismos. Finalmente, sedispone de datos calibrados a una frecuencia de muestreo alta (por ej. 8.000muestras por segundo) y que son adecuadas para aplicaciones de oscilografía,análisis de armónicos y medidas sincrofasoriales. La figura siguiente muestra esteproceso.

5. Obtención de la fase y de la amplitud de una señal

Para obtener la fase y la amplitud de una señal se puede utilizar el métodode la correlación, éste consiste en multiplicar la forma de onda, v(t), por un fasorunitario y sincronizado:



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Sincrofasores7Aplicaciones de los Sincrofasores

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( ) = ( ) cos ( + ) → ( ) = ( ) − Que expresándolo en términos de exponenciales:

( ) = ( )( +) + −( +)

2 − = ( )

2 [( −) +)] + −[( +) +)] Filtrando el término de alta frecuencia mediante un filtro pasa bajos, se

logra obtener la componente de interés ( 0) , la que presenta una amplitudigual a la mitad de la original, por lo que luego de un adecuado escalamiento seobtiene el fasor:

( ) =( )

√ 2 L ( ( 0 ) + ) De las partes real e imaginaria de este proceso, que se encuentran

calculadas por separado, se obtienen la magnitud y la fase de manera tradicional.

El sistema digital de la Figura ilustra el equivalente al proceso descrito.

6. Aplicaciones de los Sincrofasores



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Algunasaplicaciones académicas que tienen los sincrofasores son:

6.1 Monitoreo en tiempo real de variables de estado

Con los medidores fasoriales se puede obtener el ángulo de fase del voltaje desecuencia positiva (PSV: Positive-Sequence Voltage), variable de estado másimportante de la red debido a que éstas están relacionadas a los márgenes deestabilidad transientes, flujos de potencia por las líneas y seguridad en el voltaje.

6.2 Transductor de fase y registro dinámico

El registro de variables de estados, en puntos estratégicos de la red, otorgainformación valiosa antes y después de contingencias que puedan afectar alsistema eléctrico, además facilita la toma de decisiones por parte de losoperadores para responder a estos eventos.

6.3 Sistemas de protección especial basada en Out-of-Step

Cuando una parte del sistema empieza a perder el sincronismo con respecto

a otra, los esquemas de protección detectan inestabilidad, pudiendo aislarsectores, realizar desprendimiento de cargas y de generadores.

Frente a esta pérdida de sincronismo, se han propuesto dos aplicaciones:• Medir el fasor de PSV en barras estratégicas del sistema. Frente a una

contingencia, el ángulo de fase entre los puntos se calcula en tiempo real, ymediante un algoritmo de predicción se determina las condiciones de



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estabilidad o inestabilidad.• En la medida en que un sistema de dos máquinas pueda representar la red,

se puede realizar una medición simultánea del ángulo de fase entre lasreactancias transitorias de las máquinas. Frente a una contingencia, secalcula el nuevo ángulo entre las máquinas y con el algoritmo de áreasiguales, implementado en tiempo real, se puede determinar si el nuevopunto de operación es estable.

6.4 Estimación de estado

Teniendo un programa de estimación de estado se puede proveer en tiemporeal un valor estadístico de las variables de estado del sistema. Con este sistema sepodría detectar y corregir errores en las mediciones. Hay que considerar que esteestimador de estado es una aplicación estacionaria y que es un proceso del ordende pocos minutos, debido a la resolución de ecuaciones no lineales del sistema.

Pasado un tiempo, algunas empresas como SEL han introducido estos equiposde medida fasoriales en relés de protección como una opción estándar. Por lo queal día de hoy estos equipos proveen soluciones que podrían ser muy costosas ycomplicadas de implementar mediante aproximaciones tradicionales.

6.5 Análisis en subestaciones

• Verificación de la fase del voltaje y corrienteGeneralmente, los equipos de medida presentan una fase como

referencia y a partir de ésta obtienen las medidas de las otras fases. Sinembargo, utilizando un relé que incluya sincrofasores, se pueden obtener lasmagnitudes y fase de los voltajes y corrientes referenciados a un tiempoabsoluto.

•

Refinamiento de la medición en tiempo real del voltajeUtilizando una configuración adecuada se pueden obtener diversasmedidas de un mismo punto. Como cada una de éstas puede presentar unerror aleatorio, debido a los instrumentos de medida, se puede obtener unpromedio de las mediciones, reduciendo el error.

• Verificación SCADA y de respaldo



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Las medidas fasoriales presentan una mejora con respecto a sistemasSCADA tradicionales, esto debido principalmente a que la tasa de muestreoes mayor, por lo que la visualización del sistema o de los puntos de interésresulta ser más exacta.

• Análisis de canales de comunicaciónEn ciertas oportunidades los canales de comunicación entre

subestaciones presentan asimetrías distintas a las especificadas, adhiriendoerrores a las medidas y causando diferencias importantes entre los datosobtenidos por los distintos equipos. Utilizando una fuente común desincronización, este error se logra evitar ya que no depende deaproximaciones o estimaciones de la asimetría existente en el canal decomunicación.

6.6 Análisis en sistemas de potencia

• Monitoreo de la frecuencia en sistemas de área ampliaUtilizar estos equipos de medida en distintos puntos del sistema,

desde la transmisión hasta la distribución, permite analizar en tiempo realposibles contingencias del sistema, correlacionando los datos.

• Mejora de la estimación de estadoMonitoreando en distintos puntos el voltaje y conociendo las

admitancias del sistema, se puede calcular las corrientes, y teniendo esto sepueden obtener los flujos de potencia activa, reactiva, pérdidas, etc. Sinembargo estos cálculos en un sistema SCADA tradicional pueden presentarerrores en la estimación de estado, debido a que los datos medidos nopresentan un alineamiento absoluto con respecto al tiempo y no siempreestán presentes todas las medidas. El proceso se puede realizar de maneramás rápida y confiable, incluyendo al sistema SCADA, equipos de medidafasoriales.

• Almacenamiento de perturbaciones en sistemas de área ampliaEl almacenamiento preciso de las variables relevantes de un sistema

de potencia, permite a las autoridades respectivas analizar y explicar loseventos producidos por una contingencia.



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Sincrofasores11

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6.7 Control en sistemas de área amplia

• Control de generación distribuidaUn requisito importante en la generación distribuida (GD) es el no operar enisla, ya que si lo hace se pueden producir problemas tanto para el generadorcomo para las cargas conectadas. Con esto, un esquema que detecte cuandoun generador está operando en isla y desconectarlo en un tiempo adecuadodel sistema es necesario. En la actualidad existen varios esquemas dedetección de operaciones en isla, por ejemplo, los basados en frecuencia yvoltaje. Con mediciones sincronizadas estos esquemas se pueden aplicardirectamente.

• Asistencia sincronizada de partidas en negroSe llama partida en negro cuando un generador empieza a operar sin utilizarenergía de la red. Se pueden usar sincrofasores para proveer un sistema devisualización similar a un SCADA tradicional, además se pueden utilizar comovisualizador para conectar este sistema que está volviendo a operar con otroque ya está en operación.

• Protección basada en sincrofasoresSe pueden implementar esquemas automáticos de desprendimiento decarga (Automatic Generation-Shedding Scheme, AGSS) basados en laintercambio de información sincronizada de los relés de protección.



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Sincrofasores12Conclusión

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Conclusión

Como resultado de la investigación presentada, es posible concluir que las nuevastecnologías de medición fasorial son una importante herramienta de evaluaciónpara los operadores del sistema, además de que nos ayuda a facilitar unainformación rápida de cómo es que se encuentra el sistema ya que permite reducirlos cálculos.

Los Sincrofasores van a revolucionar la eficiencia de estos sistemas, ya que al estarsincronizados con el tiempo les brindan a los operadores el estado de todo elsistema, los que los ayuda a tomar mejores decisiones cuando surge cualquier tipo

de problema.Como ya vimos los Sincrofasores nos ayudan a saber rápidamente los valores devoltajes y corriente en cualquier punto de la red, el monitoreo de la frecuencia ypuede mejorar la protección cuando se pierde el sincronismo entre dos partes parapoder aislar ese punto de la red.



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Sincrofasores13Bibliografía

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Sincrofasores14Bibliografía

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