Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada. Jorge Enrique Gómez C. XM S.A. E.S.P. Foto toma

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Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada. Jorge Enrique Gómez C. XM S.A. E.S.P.

Foto tomada de: http://yesidcardenas.com/dr/aesthetic-plastic-surgery-colombia/aesthetic-plastic-surgeon

Temario Introducción y Objetivo  Modelamiento de la dinámica electromecánica  Medición fasorial sincronizada  Validación de modelos  Simulaciones dinámicas híbridas  Índices de semejanza  Técnicas y estrategias en la calibración de modelos  Registros reales

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Introducción: Modernización de los sistemas de energía eléctrica Escenario actual de los mercados de energía eléctrica:      

Apertura de los mercados; Restricciones ambientales y de sustentabilidad; Requisitos de calidad; Fuentes renovables y generación distribuida; Cargas como agentes activos.

Avances tecnológicos:    

Renovación/modernización de equipos; Sistemas de transmisión flexibles; Sistemas avanzados de supervisión, control y protección; Medición fasorial sincronizada: WAMS, WAMPACS

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Estudios de planeación y operación continuarán utilizando programas de simulación:  Modelos representan componentes del sistema.



La calidad de los modelos es clave en la seguridad:  Seguridad mayor que la requerida, operación costosa;  Seguridad menor que a necesaria, operación arriesgada.



La medición fasorial sincronizada se establece como un instrumento promisorio para validar el desempeño global del sistema, subsistemas y elementos.

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Introducción: La importancia de los modelos



Objetivo general:  Desarrollar una metodología automática para la verificación y la calibración de los modelos dinámicos de unidades generadoras, utilizando registros fasoriales reales de perturbaciones naturales de un SEE.



Objetivos específicos:    

Implementar simulaciones dinámicas híbridas; Proponer índices para cuantificar calidad de los modelos; Utilizar registros fasoriales reales; Desarrollar herramienta para calibrar los parámetros de los modelos.

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Objetivos del proyecto de investigación

Modelamiento de la dinámica electromecánica

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada

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Modelamiento de la dinámica electromecánica

Medición fasorial sincronizada

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada

 

Información almacenada en WAMS, es registro continuo de la dinámica del sistema de potencia. Principales aplicaciones :       

análisis de oscilaciones electromecánicas; análisis post-mortem de eventos; Validación do desempeño dinámico; Mejoramiento de los estimadores de estados; Validación de modelos; Esquemas de defensa; Protecciones sistémicas. Número de apagones Confiabilidad Seguridad

WAMS Wide Area Monitoring System

WAMPAC Wide Area Monitoring Protection Control

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Medición fasorial sincronizada: Aplicaciones del sistema WAMS y evolución

Validación de modelos

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada

Sistémica  Simulaciones con el sistema completo (System-Wide Model Validation);  Usualmente hechas después de apagones  Enorme esfuerzo obtención caso base;  Sin registros en todas las áreas;  Registros sin buena sincronización;  Secuencia de eventos no es perfecta.

 Semejanzas cualitativas importantes



De componentes/subsistemas  Minimiza los problemas inherentes a la validación sistémica

 Tradicionalmente: pruebas de campo  Equipos comisionados;  Altos costos;  Operación no óptima del sistema.

 Perturbaciones programadas.

La validación sistémica es el objetivo final del proceso.

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Validación de modelos

El proceso de validación de modelos

Se indican cuales modelos y estructuras presentan la mejor representación de cada uno de los elementos, y se determinan sus parámetros

Datos de fabricante; Valores típicos; Pruebas de campo.

Verificación Se comparan los resultados de las simulaciones con los registros reales

Simulación sistémica Simulación de subsistemas

Calibración Se ajustan los parámetros de los modelos para obtener la mejor representación en las simulaciones

Manuales Automáticas

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Determinación

 Se aprovechan las perturbaciones naturales del sistema;  No requiere comisionamento de equipos;  Registros fasoriales en el mismo “espacio/dimensión” de los programas de simulación.

Verificación sistémica:

Verificación de componentes:

 Fuente natural de registros;  Disponibles frecuencias, tensiones y corrientes (magnitud y ángulo) y potencias sincronizadas;  Utilizada en análisis post-mortem y de desempeño global.

 Incorpora registros en las simulaciones;  Aísla los componentes del sistema;  No es necesaria la secuencia de eventos; » Quedan incluida en el registro

 Simulaciones dinámicas híbridas.

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Validación de modelos con medición fasorial

Verificación: Simulaciones dinámicas híbridas

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada

Simulaciones dinámicas híbridas Formulación matemática  La dinámica puede ser descrita formalmente como: x: vector variables de estado xT=[x1…xM]; y: vector variables algébricas yT=[y1... yi-1 yi+1…yN];

 Si el valor de yi=y*(t) es conocido (registros): y*: variable conocida de registros reales.

 A cada paso de integración t, un nuevo valor de y* es introducido para reflejar la alteración en las condiciones del entorno.

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Estrategia para verificar modelos de generadores



Cuatro variables definen el estado de una barra: V, /f, P, Q. 





Conocidas dos, las otras pueden ser calculadas por simulación.

Comparaciones rigurosas entre modelos y registros reales Entendimiento del desempeño del sistema de potencia.

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Verificación de modelos usando simulación dinámica híbrida

Simulaciones dinámicas híbridas: implementación Métodos directos 

Exigen intervención directa en el esquema de solución. 



Desarrollar/programar las ecuaciones (Matlab, C, C++,C*…)

Métodos indirectos 

Emplean componentes externos de software comercial.

Transformador desfasador (HUANG-Zhenyu, et al., 2004)

Generador de respuesta rápida (Kosterev, 2004).

Impedancia variable (MA, et al., 2008)

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Las ecuaciones diferenciales y algébricas que representan el sistema, se resuelven mediante el método implícito alternado.



Para las ecuaciones diferenciales se usa la regla trapezoidal, según la cual, para el sistema representado por: 𝑥 = 𝑓(𝑥)



El valor aproximado de la variable de estado 𝑥 en el instante 𝑡1 = 𝑡0 + ∆𝑡, se calcula como:

𝑥 𝑡1 = 𝑥 𝑡0

∆𝑡 + 𝑓(𝑥 𝑡0 + 𝑓(𝑥 𝑡1 ) 2

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Implementación del método directo

Verificación: índices de semejanza

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada

 

Comparar gráficamente simulación y registros; Evaluación subjetiva;



Es necesario cuantificar las discrepancias

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Verificación cualitativa



1 𝑀𝑆𝐸 = 𝑛





Error cuadrático medio 𝑛

𝑧𝑘𝑠 − 𝑧𝑘𝑟

Error cuadrático medio porcentual

1 𝑃𝑀𝑆𝐸 = 𝑛

2

𝑘=1

𝑛

𝑘=1

𝑧𝑘𝑠 − 𝑧𝑘𝑟 𝑧𝑘𝑟

2

∗ 100%

Fitness Global 𝐹𝑖𝑡𝐺𝑙𝑜𝑍 𝑡1

1 = 1− 𝑡1

𝑡1

0

𝑧𝑠𝑖𝑚 (𝑡) − 𝑧𝑟𝑒𝑐 (𝑡) 𝐹𝑎𝑐 ∗ 𝑍𝑛𝑜𝑚

2

𝑑𝑡 ∗ 100%

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Índices para cuantificar discrepancia/semejanza



 

Indicador expresado como porcentaje; Define de un índice global; Un valor alto de fitness indica adherencia del modelo; 

Fitness global 100%  adherencia perfecta



Znom escala valores permitiendo comparar, por ejemplo, P y Q; Fac permite amplificar las diferencias.



Fitness Global



𝐹𝑖𝑡𝐺𝑙𝑜𝑍 𝑡1

1 = 1− 𝑡1

𝑡1

0

𝑧𝑠𝑖𝑚 (𝑡) − 𝑧𝑟𝑒𝑐 (𝑡) 𝐹𝑎𝑐 ∗ 𝑍𝑛𝑜𝑚

2

𝑑𝑡 ∗ 100%

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Indicador propuesto: fitness global



Se simulan dos tipos de perturbaciones  Corto circuito en B2 y apertura de L2  Apertura sin falla de L2



Se programan en Matlab: ecuaciones y solución  Desarrollo de los modelos del generador y sus controles

 

Se alteran arbitrariamente los parámetros Se comparan los índices de discrepancia/semejanza

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Sistema de prueba

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Comparación de índices: Alteración de H en 120%

Corto circuito 



FitGlo1 considera Fac=1.0 FitGlo considera Fac=0.1

Apertura de línea

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Comparación de índices: Alteración de X’d en 80%

Corto circuito  

FitGlo1 considera Fac=1.0 FitGlo considera Fac=0.1

Apertura de línea

Técnicas y estrategias en la calibración de modelos

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada



Ensayo y error:  Calibración subjetiva, compleja y de poco éxito.



Heurísticas basadas en sensibilidades:  Procedimiento manual y sin garantía de calibración óptima.



Basados en estadísticas:  Estimación da máxima probabilidad.



Técnicas alternativas:  Redes neurales, análisis en el dominio da frecuencia, series de Hartley.

 Problema

de optimización, minimizando errores de trayectoria

 Mínimos cuadrados.

 Filtro

de Kalman

 Es un estimador (predictor-corrector) del estado de un sistema dinámico.

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Técnicas y estrategias en la calibración de modelos

Determinación

Verificación

Calibración

 Estructuras de modelos y parámetros definidos;  Plan piloto de pruebas;  Base de datos del SIN colombiano

 Perturbaciones naturales sintéticas y reales;  Simulaciones dinámica híbrida, método directo;  Índices de semejanza: fitness global.

 Sensibilidad de la trayectoria;  Parámetros relevantes a ser calibrados;  Mínimos cuadrados.

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Metodología a ser implementada



Procura la mejor representación del sistema real en los modelos.



Principales desafíos:  Cada modelo (máquina, reguladores) posee sus parámetros (>40 en total);  Identificar los parámetros problemáticos;  Determinar los parámetros factibles de calibrar.



Se propone un método para encontrar estos parámetros, de manera automática e independiente del tipo de registro o perturbación empleada en la SDH.

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Calibración de parámetros



Sistema dinámico modelado por ecuaciones diferenciales.



Evolución en el tempo de las salidas: trayectorias

𝑧𝑖 (𝑡) = ∅𝑖 (t, 𝝆) 

𝝆: parámetros del sistema

Variación de la trayectoria por variación de parámetros r 𝜕∅𝑖 𝜕∅𝑖 𝜕𝜌𝑗 : funciones sensibilidad de trayectoria ∆∅𝑖 ≅ ∆𝜌𝑗 𝑆𝑖 𝑡, 𝜌 : matriz de sensibilidad de trayectoria 𝜕𝜌𝑗 𝑗

𝑆𝑖 𝑡, 𝜌 =

𝜌=𝜌𝑛

𝜕∅𝑖 (𝑡, 𝜌) 𝜕∅𝑖 (𝑡, 𝜌) 𝜕∅𝑖 (𝑡, 𝜌) 𝜕∅𝑖 (𝑡, 𝜌) = … 𝜕𝜌𝑗 𝜕𝜌1 𝜕𝜌2 𝜕𝜌𝑛

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Sensibilidad de trayectorias



Subconjunto calibrables = observables ∩ relevantes

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Parámetros relevantes a ser calibrados

∆𝜌𝑘+1

=

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Calibración por mínimos cuadrados

𝜕𝐽 𝜕𝜌

Γ −1

𝜌𝑘+1 = 𝜌𝑘 + ∆𝜌𝑘+1

Simulación dinámica híbrida

𝜕𝐽 = 𝜕𝜌

𝑇0 0

𝜕𝑧 𝑡 𝜕𝜌

𝑇

𝑧𝑟𝑒𝑐 (𝑡) − 𝑧𝑠𝑖𝑚 (𝑡) 𝑑𝑡 𝜌=𝜌𝑘





Sensibilidades cercanas a cero, indican que ese no es un parámetro problemático o que el tipo de perturbación, no es adecuado para calibrar ese parámetro;

La sensibilidad del fitness a variaciones en el parámetro 𝜌𝑖 , es mucho mayor cuando el propio parámetro 𝜌𝑖 es el parámetro problemático;

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Sensibilidad del fitness para cada parámetro



Aprovechando las propiedades del fitness y sus sensibilidades, se realiza la calibración de un modelo simplificado.

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Ejemplo de calibración para el sistema de prueba empleando modelo clásico y sin controles

Registros reales

Validación de modelos de simulación en sistemas eléctricos utilizando medición fasorial sincronizada



Registros sintéticos  Obtenidos a través de simulaciones  Usados para comprobar la metodología



Registros reales  Obtenidos a través PMUs  Perturbaciones naturales del sistema  Usados para validar los modelos



Número de fps requerido?  10, 20, 30, 60, 120 ?

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Tipos de registros

Objetivo: apropiarse de la tecnología de medición fasorial y entendimiento detallado de la norma IEEE C37.118 de 2005. Tarjetas de adquisición de datos

Computador Industrial

En junio de 2009 se instaló la primera PMU tipo XM, en la subestación La Esmeralda 230 kV. Actualmente, PMUs tipo XM en 12 subestaciones. Esmeralda, Torca, Chivor, Guavio (caverna), Sochagota, Sabanalarga, Betania, Ancón Sur, Cartagena, Cerromatoso, Chinú y Urrá

Unidad de Acondicionamiento de señales

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La PMU desarrollada en XM



Desde abril de 2013 la primera PMU a nivel mundial instalada en la caverna de una megacentral.  Unidades 1 y 3 Guavio (270 MVA c/u).



La señal de sincronismo se envía por fibra óptica desde subestación externa hasta la caverna a 500 m bajo tierra.



El proyecto llegó a feliz término con la ayuda incondicional de EMGESA y la colaboración de Reason Tecnología, Brasil http://www.reason.com.br



Calcula 120 fps y guarda localmente registros de las perturbaciones.

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PMU tipo XM en caverna

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Registro de perturbaciones: tensiones

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Registro de perturbaciones: frecuencia



Implementar y validar la metodología en el sistema de prueba, usando modelos completos.  Máquina síncrona: 13 parámetros  Regulador de velocidad: Guavio ~14 parámetros  Regulador de tensión: Guavio ~40 parámetros  

La verificación cuantitativa del modelo completo es posible Es posible calibrar todos los parámetros relevantes?

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Qué sigue?

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Modelo regulador de velocidad

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Regulador de tensión

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Regulador de tensión: Voel, Vuel, Upss

Muchas gracias

Jorge Enrique Gómez C. XM S.A. E.S.P. [email protected]

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