Control remoto automático de desviación de energía

En los centros de control de energía, los operadores no siempre pueden garantizar el despacho de energía. Este artículo presenta un sistema de control para la desviación de la energía; la ley de control de energía es lineal y varía en el tiempo con retroceso en el horizonte de control, el cual permite la convergencia del error de la energía a cero en un tiempo infinito; esto considera las limitaciones operacionales de las plantas de generación hidráulica, incluyendo el mecanismo de amortiguación de la respuesta transitoria que evita cambios innecesarios de actuadores mecánicos. La ley de control es fácil de implementar con baja carga computacional y es compatible con los sistemas convencionales de SCADA para sistemas de potencia. La implementación del control ha reducido la desviación de energía en un 55 por ciento.

Palabras Claves del Paper: Control automático, administración de energía, desviacion de energía, despacho.

I. Introducción

La desregulación del sector de la electricidad requiere que las empresas de generación cumplan con requisitos estrictos para lograr el despacho de energía. Hoy en día, los sistemas SCADA usados en el smart grid, permiten la adquisición de datos y teleoperación de las plantas de energía desde los centros de control de energía. Sin embargo, la enorme cantidad de operación, cambios en las cuotas de generación por eventos en las unidades de generación o redespachos, además de diferentes eventos en el área de control, no permite a los operadores monitorear constantemente la energía de cada planta, para cumplir con el despacho diario.

Por lo tanto, un control automático de la desviación de la energía en cada planta en el área de control es necesario. El despacho debe ser realizado hora a hora, en el horizonte de las 24 horas. [1] La ley de control es del tipo tiempo finito, la cual nos lleva a una dependencia explícita del tiempo de la acción de control.

Este artículo presenta una solución a este problema, implementado satisfactoriamente en el Centro de Ganador segundo lugar Premio a la Investigación y Desarrollo 2011 - Asocodis - CNO - CAC Supervisión y Maniobras (CSM) de la empresa EPSA. [2] La siguiente sección presenta la descripción del sistema y el problema de control. La arquitectura general de la solución se presenta en la sección II; la sección III presenta los principales problemas de implementación del control de la desviación de la energía; la sección IV describe la implementación de la solución y en la sección V muestra los resultados experimentales del sistema de control propuesta. Finalmente, se presentan las conclusiones y los trabajos futuros.

II. Descripcion del sistema y problema de control

La operación del sistema colombiano de potencia es centralizado en el Centro Nacional de Despacho (CND), el cual está integrado por varios centros de control locales [3]. Esta integración se realiza usando enlaces de comunicación desde cada centro de control con el CND; en el caso del CSM de EPSA, este tiene un enlace de comunicación principal en fibra óptica y un respaldo por microondas.

El CSM tiene un centro de control para monitorear y controlar el sistema de potencia. Este tiene una estación maestra y un sistema de comunicaciones (a través de la línea de poder, microonda y fibra óptica) con unidades terminales remotas en las plantas de generación y las subestaciones de transformación. Hay una medida de potencia cada 4 s en cada generador en las centrales eléctricas y la energía cada 3 min en las fronteras comerciales de cada central.

El SCADA tiene funciones para programar la entrega cada hora, rampas para los cambios en la generación y control local carga-frecuencia que aseguran una buena respuesta de control de potencia. Las mediciones se almacenan en una base de datos operacional. El CND realiza el despacho económico y envía al CSM la programación (hora a hora) de cada planta (o cadena de plantas) para las próximas 24 horas. Cada planta puede ser controlada directamente por el CND en control automático de generación (AGC), con el fin de mantener la frecuencia eléctrica y el intercambio de potencia en la red con utilidad. Si se presentan eventos de la aplicación del programa, el CND realiza redespacho sobre las 24 horas, como se observa en la Fig. 1.

Así, el CSM por el programa SCADA busca cumplir con el programa de generación y redespacho. Si una planta de generación se desvía del despacho programado fuera de la banda de tolerancia del 5 por ciento, la desviación que se genera es penalizada económicamente [4]. Hay tres maneras por las cuales una planta puede desviarse, sin ser penalizado: La autorización por el CND debido a cambios inesperados en la demanda o la pérdida o de cualquier otra unidad de generación, cuando el programa de generación cambia de cero a cualquier valor y viceversa y los cambios mayores a 230 MW en el programa de generación.

Entre otras, la compañía encontró como causas de las desviaciones de energía, la restricción de las variaciones de potencia en la rampa y los errores humanos de los operadores, debido principalmente por la necesidad de atender emergencias. Además, la regulación eléctrica nacional requiere que todas las unidades de generación ejecuten la regulación de frecuencia primaria, lo que es un servicio en línea que cambia automáticamente la potencia suministrada por la unidad generadora de cambios de frecuencia en el sistema [1]. Por lo tanto, incluso si el centro de control envía la potencia de referencia para la planta de energía requerida para satisfacer la energía programada, esta potencia no es necesariamente satisfecha por la unidad de generación debido a su respuesta a la regulación de frecuencia primaria De lo anterior, el problema de control es minimizar el error de energía (energía que se genera, menos energía programada) al final de cada período (una hora), manteniendo un error máximo del 5%, el cálculo de los valores de las nuevas potencias de cada una de las unidades generadoras, respetando las limitaciones operacionales de cada una de las unidades generadoras (límites de potencia máxima y mínima, pendiente de energía para la carga y descarga, etc.), su respuesta dinámica a los cambios en la potencia (retrasos en los tiempos de comunicación, la dinámica de la turbina y el gobernador), sin interferir en la frecuencia primaria de regulación. El control debe ser integrado en el SCADA e interactuar con los diferentes modos de operación de las plantas (AGC, despacho sin penalización, etc.)

III. Diseño conceptual

A. Especificaciones funcionales del control de desviación de energía.

Para resolver este problema, hay tres funciones básicas para controlar las desviaciones de la energía:

• Manejo del despacho diario de las plantas del CSM.
• Control de energía cada hora, para cada planta.
• Control de potencia de cada unidad generadora.

La siguiente tabla muestra estas funciones en términos de su al cance, la pr inc ipal var iable obtenida por c ada func ión, su hor i zont e t empor a l y el periodo de muestreo utilizado para la función. El Sistema de control de desviación de la Energía EDCS, realiza las funciones a través de tres elementos básicos:

• El algoritmo de control de energía, programado en lenguaje C y vinculado al SCADA existente.
• Software que enlaza el SCADA y el algoritmo de control.
• Interfaces Hombre-Máquina, uno para la supervisión general de todas las plantas del CSM y una interfaz de control para cada planta.

B. Especificaciones funcionales del HMI

Los EDCS tienen 2 HMI: monitoreo y control, Ver FIG. 3. El algoritmo en lenguaje C recopila y envía datos a las interfaces de control y monitoreo y genera reportes. El (SCHEDULE) y el Control de la Frecuencia de Carga LFC ya están implementados en el SCADA; el SCHEDULE recibe las referencias de potencia desde el algoritmo en lenguaje C y los envía al LFC en una estructura de control en cascada. El operador se comunica con los CDE a través de la HMI de control.

C. Control de Energía

La fig. 4 muestra el diagrama de bloques del sistema de control de energía.

Hay dos niveles jerárquicos: un control interno para cada unidad de generación implementado a través de la LFC y un control de energía externa el cual recibe la energía medida por los contadores de energía en la frontera comercial de la planta; P1, P2 y P3 son los generadores de potencia en cada unidad y PR1, PR2 y PR3 son las referencias de potencia para el LFC generada por el controlador de energía. Los contadores de energía transmiten datos cada 180s, lo cual impone la frecuencia de muestreo para el control de la energía; el controlador de energía es un optimizador de planeación y no un regulador. El controlador de la energía tiene una sola entrada: la energía programada para la planta en el período (horas), y las múltiples salidas: las referencias de potencia para cada unidad generadora de la planta. Dependiendo de la ubicación del medidor de energía en el sistema de potencia, no necesariamente la energía de los medidores es la integral de la suma de las potencias de las unidades en la planta. El control de frecuencia de carga, los límites de las referencias de potencia en la magnitud y la tasa de cambio, garantizan un buen seguimiento de la potencia de la señal de referencia; este utiliza una estructura de controlador de Smith[5], con un modelo de unidad dinámica el cual respeta su respuesta a la regulación de frecuencia primaria; de esta manera, el controlador de la energía no interfiere con la regulación de frecuencia primaria e impone los límites de potencia máxima y mínima y los límites de porcentajes autorizados (Vm) en cada unidad de generación.

La Fig. 5 muestra la estructura del controlador de desviación de energía.

La ley de control es el planificador que calcula la potencia de referencia Pr(t) para la planta, para corregir el error de desviación de energía al final de cada periodo, a partir de la medida de energía E(k) cada 3 minutos y desde la medida de potencia instantánea generada en la planta ; Pd es la referencia de potencia de la planta, la cual corresponde a la energía despachada.

La ley de control calcula la potencia de referencia la cual tiene valores mínimos y máximos . La potencia de referencia Pri(t) para enviar a cada unidad vía LFC, tiene una escala de: Pri(t) = βiPr(t) donde βi son los factores de participación de cada unidad de la planta: .

En el k-esimo subperiodo, el tiempo transcurrido desde el inicio del periodo de despacho es: t=kSP donde SP es el periodo de muestra (3 minutes).