Oscilación de
Potencia
Proyecto PDT:
estudios de estabilidad de escenarios a corto plazo del
sistema eléctrico uruguayo (UdelaR – FING – IIE)
Celia Sena, Ricardo Franco
Diciembre - 2006
Oscilación de Potencia
Desarrollo de la presentación
 Definiciones
 Fenómeno de Oscilación de Potencia
 Efectos en los relés de protección de las
líneas de trasmisión
 Métodos para la detección
 Filosofía de protección
2
Definiciones

Oscilación de potencia (power swing):
 Variación en la potencia trifásica, debida al
avance o retroceso de los ángulos relativos entre
generadores, como respuesta a cambios en la
magnitud de la carga, faltas y otras
perturbaciones en el sistema.

Oscilación de potencia estable:
 Es estable si los generadores no pierden el paso
polar y el sistema alcanza un nuevo estado de
equilibrio.

Oscilación de potencia inestable:
 Es inestable si un generador o grupo de
generadores pierde el paso polar.
3
Definiciones

Condición de pérdida de paso polar
(out-of-step condition):
 Oscilación de potencia inestable.

Centro eléctrico del sistema o tensión
cero (electrical system center or voltage zero):
 Es el punto o puntos del sistema eléctrico
donde la tensión se hace cero durante
una oscilación de potencia inestable.
4
Fenómeno


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 más de un 5%.
Existe una balance entre la potencia
activa y reactiva generada y la
consumida.
5
Fenómeno


Cualquier cambio en la potencia
generada, potencia demanda o en el
sistema de potencia causa cambios en
la potencia del sistema, oscilando
hasta alcanzar otro punto de equilibrio
entre la generación y la carga.
Estos cambio ocurren
permanentemente y son compensados
por los sistemas de control.
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Fenómeno
Faltas en el sistema de potencia
Conexiones de líneas de trasmisión
Desconexiones de generadores
Pérdida o aplicación de grandes
bloques de carga
Causan
 Oscilaciones de potencia




7
Fenómeno

Dependiendo de la perturbación y de la
acción de los controladores las
oscilaciones pueden ser
 Estables
 Inestables
8
Fenómeno


La oscilación de potencia puede hacer
que la impedancia vista por un relé
entre en su característica de
operación.
La operación de estos relés puede
hacer que salgan de servicio líneas de
trasmisión u otros componentes,
haciendo más débil el sistema,
aumentando la gravedad de la
perturbación.
9
Fenómeno


Los relés de distancia propensos a
operar durante una oscilación de
potencia deben ser bloqueados
temporalmente.
En los relés de distancia modernos se
tienen disponibles las funciones:
 PSB: Bloqueo por oscilación de potencia
(power swing blocking).
 OST: Disparo por oscilación de potencia
(out-of-step tripping).
10
Fenómeno

PSB: Bloqueo por oscilación de
potencia:
 Esta función diferencia entre una falta y
una oscilación de potencia.
 Bloquea el relé de distancia, previene el
disparo durante una oscilación de
potencia.
 Debe detectar y despejar las faltas que
ocurren durante una oscilación de
11
potencia.
Fenómeno


El disparo indebido de interruptores
durante una oscilación de potencia
puede causar daño al equipamiento y
contribuir al apagón en varias áreas del
sistema.
Es necesario, el disparo controlado de
ciertos elementos en determinados
puntos del sistema para evitar daño al
equipamiento y minimizar los efectos
de la perturbación.
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Fenómeno

OST: Disparo por oscilación de
potencia:
 Esta función diferencia entre una
oscilación estable de una inestable.
 Permite disparar algunos elementos del
sistema para evitar el daño de los equipos
y que la perturbación se extienda por el
sistema.
13
Fenómeno


Con la separación del sistema en áreas
no siempre se alcanza el balance
generación-carga, en cada una de
ellas.
En estos casos, se implementa un
sistema de rechazo de carga o
disparo de generación, para evitar
el apagón en esas áreas.
14
Efecto sobre los relés de protección de las
líneas de trasmisión


Los relés de distancia responden a los
valores de secuencia positiva.
La impedancia medida por el relé
durante una oscilación de potencia
varía en función del ángulo d, entre las
tensiones equivalentes del sistema.
15
Efecto sobre los relés de protección de las
líneas de trasmisión
•
Los relés de distancia responden a los
valores de secuencia positiva.
16
Efecto sobre los relés de protección de las
líneas de trasmisión
•
•
ES está desfasada d de ER
Impedancia medida por los relés de
distancia en A
17
Efecto sobre los relés de protección de las
líneas de trasmisión
•
Trayectoria de la impedancia durante
una oscilación de potencia
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Métodos para la detección: Convencionales




Se basan en el cálculo de la
impedancia de secuencia positiva.
Régimen estacionario: la impedancia
medida es la impedancia de carga.
Durante una falta: la impedancia se
mueve rápido desde la impedancia de
carga hasta la de falta.
Oscilación de potencia: la impedancia
se mueve lento.
19
Métodos para la detección: Convencionales

Los esquemas convencionales de PSB
utilizan la diferencia en la velocidad
de la impedancia para diferenciar
entre una falta y una oscilación de
potencia.
20
Métodos para la detección: Convencionales
Características concéntricas:


Para medir la velocidad de la variación
de la impedancia, mide el tiempo que
requiere la impedancia para atravesar
dos características concéntricas de
impedancia.
La detección de la oscilación de
potencia se realiza antes que la
impedancia entre en la característica
de operación.
21
Métodos para la detección: Convencionales
22
Métodos para la detección: Convencionales
Características blinder (2 rectas):


Para medir la velocidad de la variación
de la impedancia, mide el tiempo que
requiere la impedancia para atravesar
dos rectas.
Se optimiza el esquema si las rectas
son paralelas a la impedancia de la
línea.
23
Métodos para la detección: Convencionales
24
Métodos para la detección: Convencionales
Características blinder (1 recta):


Este tipo de esquema se utiliza como
OST.
Este esquema retrasa el disparo hasta
que la oscilación ya pasó los 180° y
están volviendo a ponerse en fase las
tensiones.
25
Métodos para la detección: Convencionales
Características R


Este tipo de esquema se utiliza como OST.
Algoritmo que describe el esquema:
Y 2  R  R1  T 1
dR
0
dt
26
Métodos para la detección: Convencionales
27
Métodos para la detección: Adicionales
Cálculo continuo de la impedancia

Este método determina la condición de
oscilación de potencia calculando la
impedancia en forma continua.

Calcula la impedancia cada 5ms y se
compara con la calculada 5ms antes.
28
Métodos para la detección: Adicionales
29
Métodos para la detección: Adicionales
Cálculo continuo de la impedancia
Δt = 5 ms

N-1:
Cálculo de Zv_N-1

N:
Cálculo de Zv_N
Predicción de Zv_N+1_esperada, según Zv_N, Zv_N-1 y Δt

N+1:
Cálculo de Zv_N+1
Comparación de Zv_N+1 con Zv_N+1_esperada
Determinación de si hay oscilación de potencia
Predicción de Zv_N+2_esperada, según Zv_N+1, Zv_N y Δt
30
Métodos para la detección: Adicionales
Sincrofasores



En una oscilación de potencia el ángulo de
las tensiones de las barras reflejan cambios
en la velocidad de rotación.
Actualmente se puede medir en forma
sincronizada los ángulos de diferentes barras
del sistema.
Cuando se detecta oscilación de potencia, se
realiza una separación del sistema o un
rechazo de carga.
31
Métodos para la detección: Adicionales
Sincrofasores

Considerando un sistema con dos
máquinas, medir Δδ y calcular en tiempo
real el criterio de igual área, para determinar
establilidad o no.

Usar algoritmos predictivos de la variación
de δ(t) y comparar con la medida de los
sincrofasores en barras estratégicas.
32
Métodos para la detección: Adicionales
Centro de oscilación SCV (swing center voltage):

SCV: se define como el punto del sistema
(equivalente de 2 fuentes), donde la tensión
es cero y el ángulo entre los sistemas es d =
180°.

Este punto se puede aproximar por:
SCV  VS cos j
donde VS tensión local, j ángulo entre la tensión y
corriente.
33
Métodos para la detección: Adicionales
34
Métodos para la detección: Adicionales
Centro de oscilación SCV:
SCV  VS cos j


d 
SCV1  E1 cos 
2
La derivada de SCV1 es:
d SCV 1
dt
 d  dd

sen 
2
 2  dt
E1
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Métodos para la detección: Adicionales
Centro de oscilación SCV:
d 
SCV1  E1 cos 
2
d SCV 1
dt
d  180 
 d  dd
sen 
2
 2  dt
E1
SCV 1  d
0  SCV 1  1 pu
Si

d SCV 1
SCV 1  0
 máximo
dt
Si
d  0 
d SCV 1
SCV 1  1
 mínimo
dt
Si
d  120 
SCV 1 
1
2
36
Filosofía de protección ante osc. de potencia

La filosofía para la aplicación de los
esquemas PSB y OST es:
 Evitar dispara cualquier elemento del sistema
durante una oscilación de potencia estable.
 Proteger el sistema de potencia durante
oscilaciones inestables.

Se debe diseñar un sistema de disparo para
separar en áreas el sistema, en condiciones
de oscilación de potencia inestables.
37
Filosofía de protección ante osc. de potencia



Los esquemas de disparo por oscilación de
potencia están diseñados para proteger el
sistema durante oscilaciones inestables,
separando en áreas, de manera de mantener
la estabilidad dentro de cada área.
Los esquemas de disparos deben estar
instalados cerca del centro eléctrico del
sistema, para mantener el balance entre
generación y carga.
Los esquemas de disparo deben evitar
disparar cuando el ángulo entre los sistemas
38
es cercano a 180°.
Filosofía de protección ante osc. de potencia



Los esquemas de disparo OST están
acompañados con esquemas de bloqueo
PSB para evitar disparos indeseados.
Los esquemas de bloqueo son instalados en
otros puntos del sistema, para evitar la
separación del mismo de manera no
controlada.
Estos esquemas están acompañados con
sistemas de rechazo de carga y disparo
de generación.
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Bibliografía




Power Swing and Out-of-Step Considerations on Transmission Lines;
IEEE PSRC WG D6; Mike McDonald, Demetrios Tziouvaras y otros.
GER-3180; Application of Out-of-step Blocking and Tripping Relays;
John Berdy.
Out-of-Step Protection Fundamentals and Advancements; Demetrios
Tziouvaras y Daqing Hou.
Zero-setting Power-Swing Blocking Protection; G. Benmouyal, D. Hou y
D. Tziouvaras.
40
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Oscilación de Potencia (presentación PDT 21-12