Método y sistema de medida de desequilibrios en una red eléctrica.

La presente invención describe un método y sistema de medida de desequilibrios en una red eléctrica.

El método comprende las etapas de obtener valores eficaces y argumentos de las tensiones y las corrientes de las fases a la frecuencia fundamental; calcular el valor eficaz y el argumento de las tensiones de secuencia positiva y los valores eficaces de las tensiones de secuencia negativa; determinar, las potencias activas y reactivas de cada una de las fases a la frecuencia fundamental; y calcular el valor del vector potencia de desequilibrio según la siguiente ecuación:

****IMAGEN-01****

en donde α = 1

MÉTODO Y SISTEMA DE MEDIDA DE DESEQUILIBRIOS EN UNA RED ELÉCTRICA Campo de la invenci ón La presente invención se refiere de maner a general al campo del control y el mantenimiento de redes y sistemas eléctricos, y más concret amente a la medida de los efectos

energéticos de los desequilibrios de tensiones sobre el

func i onami ento de s i stemas e l éctri cos trifásicos a tres y a

cuatro hilos , con receptores equilibra dos y

desequilib rados .

Antecedentes de la invención En la técnica anterior se conocen diferentes formulaciones de la potencia de desequilibrio, magni t ud encargada de medir l os efectos de los desequilibrios en los sistemas eléctricos (véase, por ejemplo, L.S. Czarnecki,

" Power related phenomena in three-phase unbalanced systems" , IEEE Trans on Power Deliver y , vol . 10 , n . o 3 , julio de 1995; A. E. Emanuel, " The Buchholz-Goodhue Apparent Power defini tion : The practical approach for nonsinusoidal and unbalanced systems" , IEEE Trans on Power Deliver y , vol . 13 , n . o 2, abril de 1998 ) . Una expresión bastante utilizada de la potencia de desequilibrio (Su ) es la siguiente, incluida en el borrador de la norma IEEE 1459-2010 , de la Sociedad de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de Estados Unidos de América, en función de la potencia aparente a la frecuencia fundamental (SIl y la potencia aparente de secuencia positiva (S , ) :

siendo las expresiones de estas potencias aparentes :

S =3 I (V 2+V 2+V 2) . (¡2 +¡2+¡2)

11/ + -0+-0

en donde los subíndices + , y O se refieren, respectivamente , a las componentes de secuencias positiva (directa) , negativa (inversa) y cero (homopolar) de las tensiones y corrientes de las fases del sistema .

La preferencia por las expresiones anteriores de las potencias aparentes se encuentra en que están más relacionadas con los fenómenos físicos presentes en los sistemas eléctricos, en que las tensiones y corrientes en ellas verifican las leyes de Kirchhoff y en que la primera de las potencias aparentes proporciona los mismos resultados que la potencia aparente de Buchholz (1922) . Por ello, se entiende que los efectos de los desequilibrios , medidos por la potencia Su , obtenida de esta manera, son más próximos a la realidad del fenómeno que aquellos que se deducen del empleo de otras expresiones de la potencia aparente , con más significado matemático .

Sin embargo, el empleo de la potencia Su para la medida de los efectos de los desequilibrios en los sistemas eléctricos es muy limitado, puesto que esta magnitud no es conservativa y, por tanto, la potencia de desequilibrio total de una instalación o red eléctrica no se obtiene como la suma de las potencias de desequilibrio de cada uno de sus receptores . Asimismo, Su no proporciona información acerca de si el desequilibrio es debido a cargas resistivas o reactivas , o en qué fase o fases los desequilibrios tienen mayor entidad .

Para evitar este inconveniente de Su , la patente ES 2 316 280 El , de los presentes inventores, da a conocer un procedimiento y sistema de medida del denominado "fasor 30 potencia de desequilibrio" (11;, ) , término empleado por primera vez en dicha patente . El módulo del fasor potencia de desequilibrio coincide con el valor de Su cuando las tensiones del sistema están equilibradas . El fasor potencia de desequilibrio es útil para medir los efectos de los desequilibrios de las cargas y evita algunos de los problemas de la potencia de desequilibrio Su -El fasor potencia de desequilibrio se expresa, en función de las potencias activas y reactivas (Pz, Qz ) de cada fase del sistema (z = 1, 2, 3) , como sigue:

= .., ¡ 2 · ¡ P2 +a P3 '1 -1¡-, 1)

-AII r.: (1 ~ '+a b .p+ -'Ql +a Q2 +aQ3-, .q

en donde a=ILI20° ; p, q son los ejes coordenados ortogonales que definen el plano en donde se representa el

fasor potencia de desequilibrio y el superíndice b denota que dichas potencias son las correspondientes a tensiones equilibradas .

Por tanto, el fasor potencia de desequilibrio presenta ventajas frente a Su . Sin embargo, no mide los efectos causados por los desequilibrios de las tensiones ; por ello, su empleo está limitado al análisis de los desequilibrios producidos por las cargas eléctricas cuando las tensiones de alimentación están perfectamente equilibradas o tienen desequilibrios muy pequeños .

Los desequilibrios de las tensiones en los sistemas eléctricos intervienen, desde el punto de vista energético, de dos maneras : por un lado, perturban a los flujos de potencia originados por los desequilibrios de cargas y , por otro lado, dan lugar a un flujo de potencia propio del

desequilibrio de tensiones , que se define en una dimensión diferente al plano del desequilibrio de cargas . Es decir, la medida completa de los efectos energéticos de los desequilibrios en los sistemas eléctricos requiere de una magnitud vectorial, representada en un espacio de tres dimensiones (15, q, z) . Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de un método y sistema que permitan medir desequilibrios en una red eléctrica debidos tanto a efectos de desequilibrios de cargas como a efectos de desequilibrios de tensiones .

Sumario de la invención Según un primer aspecto, la presente invención da a conocer un método de medida de desequilibrios en una red eléctrica que comprende las etapas de :

i) obtener valores efi caces (VAl ' VSl ' Ved y argumentos (UA1. US1. UC1) de las tensiones de las fases a la frecuencia fundamental , así como los valores eficaces (lAl , 1 8t , l e l ) Y los argumentos (~A1. ~B1 , ~C1) de las corrientes de las fases a la frecuencia fundamental de la red eléctrica;

ii) calcular el valor eficaz (v, y el 15 argumento (u. = UA1 . ) de las tensiones de secuencia positiva y los valores eficaces de las tensiones de secuencia negativa (V_ = VAl-) y cero (Vo = VA1º) ;

iii) determinar, a partir de los valores de las tensiones y corrientes a la frecuencia fundamental , 20 las potencias activas (PAt, PBt , Pel ) Y reactivas de cada una de las fases a la frecuencia fundamental ; y iv) calcular el valor del vector potencia de desequilibrio (Su) según la siguiente ecuación :

en donde a=ILI20" ;

j es la unidad imaginaria ; Ou V_IV, y OA Vo/V, son los grados de desequilibrio y de asimetría, respectivamente , de las tensiones de las fases ; y 15, q, z son los vectores unitarios ortogonales que

definen el espacio propio del vector potencia de

desequilibrio .

Según un segundo aspecto, la presente invención

también da a conocer un sistema de medida de desequilibrios en una red eléctrica, que comprende : un módulo de análisis, configurado para obt ener

valores eficaces (VAl ' VS1 , Ved y argumentos « (lAl , (lBl, (lCl ) de las tensiones de las fases a la frecuencia fundamental , así como los valores eficaces (lAI , l Bl , l el ) Y los argumentos (~Al , ~Bl , ~Cl) de las corrientes de las fases a la frecuencia fundamental de la red eléctrica; un módulo de simétricas, configurado para obtener el valor eficaz ( V+ = VA1+ ) y el argumento (a-+-;;;; aAl -+-) de las tensiones de secuencia positiva y los valores eficaces de las tensiones de secuencia negativa (V_ = VAl-) y cero (Vo = VAlo) ;

un módulo de potencias activas y reactivas , configurado para obtener las potencias activas (PAI , Pm, Pc¡) y reactivas ( Q AI, Qm, Q cl ) de cada una de las fases a la frecuencia fundamental ; un módulo vector potencia de desequilibrio, configurado para calcular el valor del vector

potencia de desequilibrio (S, , ) según la siguiente ecuación :

en donde

a = I L I20º ;

j es la unidad imaginaria ;

Vo /V~ son los grados de

desequilibrio y de asimetría, respectivamente , de

las tensiones de las fases ; y

15, q, z son los vectores unitarios ortogonales que

definen el espacio propio del vector potencia de desequilibrio; y un módulo de información, configurado para proporcionar información sobre el valor calculado del vector potencia de desequilibrio .

Por tanto, la present e invención proporciona un método y sistema de medida de desequilibrios en una red eléctrica, basados en el cálculo de una nueva magnitud denominada "vector potencia de desequilibrio" tal como se definirá a continuación en el presente documento . El vector potencia de desequilibrio proporciona información sobre los desequilibrios producidos en una red eléctrica, debidos tanto a efectos de desequilibrios de cargas como de tensiones , más precisa que lo disponible hasta ahora en el estado de la técnica .

Gracias a la información proporcionada mediante el vector potencia de desequilibrio, el método...

1. Método de medida de desequilibrios en una red

eléctrica, que comprende las etapas de :

i) obtener valores eficaces (VAl ' VBl , Ved y argumentos

5 ( nA1 . aB1. aC1) de las tensiones de las fases a la

frecuencia fundamental , así como los valores

eficaces (IA1, I B1 , I C1) Y los argumentos ( ~A1. ~B1 . ~C1)

de las corrientes de las fases a la frecuencia

fundamental de la red eléctrica;

10 ii) calcular el valor eficaz (v, y el

argumento (a+ = aA1+) de las tensiones de secuencia

positiva y los valores eficaces de las tensiones de

secuencia negativa (V_ = VA1 ) Y cero (Vo = VA1º ) ;

iii) determinar, a partir de los valores de las

15 tensiones y corrientes a la frecuencia fundamental ,

las potencias activas (FAl , FB1 , FCl ) Y reactivas

( Q AI' Q J) I, QCI ) de cada una de las fases a la

frecuencia fundamenta l; y

iv) calcular el valor del vect or potencia de

20 desequilibrio (Su) según la siguiente ecuación :

en donde a=IL 120' ;

j es la unidad imaginaria ;

Vo/V! son los grados de

desequilibrio y de asimetría, respectivamente , de

las tensiones de las fases ; y

15 , q, z son los vectores unitarios ortogonales que

5 definen el espacio propio del vector potencia de

desequilibrio .

2 . Método según la reivindicación 1, caracterizado por

que comprende además una etapa inicial de adquirir los

valores instantáneos de tensión Ve ) e

10 intensidad (iA , i a, id de las fases (A, B, e) en un

punto de la red eléctrica y separar sus componentes a

la frecuencia fundamental (VAl ' Val , VC) , (Úl , i al ,

i cl ) , usándose dichos valores en la etapa i) de

obtener los valores eficaces y argumentos de las

15 tensiones y las corrientes de las fases a la

frecuencia fundamental de la red eléctrica .

3 . Método según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores , caracterizado por que comprende además una

etapa de calcular una componente (Su; ) del vector

20 potencia de desequilibrio que determina los efectos

conjuntos de los desequilibrios de tensiones y cargas ,

según la siguiente expresión :

. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores , caracterizado por que comprende además una etapa de cal cul ar una componente (Su\, ) del vector potencia de desequilibrio que determina el efecto excl usi vo de los desequilibrios de tensi ones , según la siguiente ecuación :

5

5 . Mé t odo según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2 ,

caracterizado por que comprende además :

una etapa de calcular una componen te (Su; ) del

10 vector pot encia de desequilibrio que determina los

efectos conjuntos de los desequilibri os de tensi ones y

cargas , según l a siguiente expresión :

p JI cos (Ct -Ct ) +1·QAl sen (Ct - (1 ) +a2 POI cos (a -u ) +

V + Al V + I V + Rl

Al Al BI

.p

+

, QBI PCI -QCI

+ ja" -sen (u+ -a BI) +a-cos (a+-uCl) + j a-sen (u+ -UCl )

V

VBl VC1 o PAI

J. sen (a -u ) + QAI cos (a -u ) +J'a2 POI sen (u -u ) +

V + Al V + Al V + Rl

Al Al Rl

-

-q

, QSI -PCI QCI

+a--cos (u+-u 8l) + ja-sen (a+ -u Cl) +a-cos (u+ -UCl) VBl VCI VCI

una etapa de calcular una componente (~y ) del vect or potencia de desequilib rio que determina el efect o exclusivo de los desequilibrios de tensiones , según la siguiente ecuación :

· V1, 2

, 2

, , ( p, ] ( ) Q, ] ( ) .p, ] ( ) Q, ] ( »)

S", . = • \ Uu t u ~.

1... - (OS (l. - (Id t } -sen (l . - (l xl t j -sen (l. - (l xl +-COS (1+ - (l. d

·z

.

x-.U, C Vxl Vxl Vd Vd

6. Método según la reivindicación 5, caracterizado por que comprende además una etapa de presentar

visualmente el valor calculado de al menos uno del

vector potencia de desequilibrio (Su) , su componente

Su; y su componente Suv ·

7 . Método según cualquiera de las reivindicaciones 5 y 6,

caracterizado por que comprende además una etapa de

emitir una alarma cuando el valor calculado de al

menos uno del vector potencia de desequilibrio (Su) ,

su componente Sui y su componente SUl' supera un umbral

determinado .

8 . Sistema de medida de desequilibrios en una red

eléctrica, que comprende :

un módulo de anál isis (14) , configurado para

obtener valores eficaces (VAl ' VBl , Ve 1 ) y argumentos

(UA1, aS1, UC1) de las tensiones de las fases a la

frecuencia fundamental , así como los valores

eficaces (lAI , l Bl , Ied y los argumentos (PA1, PB1, Pe, )

de las corrient es de las fases a la frecuencia

fundamental de la red eléctrica;

un módulo de simétricas (15) , configurado para

obtener el valor eficaz (Vt = VAlt ) y el argumento

(at = nA1t) de las tensiones de secuencia positiva y

los valores eficaces de las tensiones de secuencia

negativa (V_

un módulo de potencias activas y reactivas (16) ,

configurado para obtener las potencias activas (PA) ,

PE1 , Pel ) y reactivas ( Q A1' QIl1' Q C1) de cada una de las

fases a la frecuencia fundamental ;

un módulo vector potencia de desequilibrio (17) ,

configurado para calcular el valor del vector

30 potencia de desequilibrio (S... ) según la siguiente

ecuación :

en donde a=ILI20" ;

j es l a unidad imaginaria ; VO/Vt son los grados de desequilibrio y de asimetría, respectivamente , de las tensiones de las fases ; y 15, q, z son los vectores unitarios ortogonales que definen el espacio propio del vector potencia de desequilibrio; y

un módulo de información, configurado para proporcionar información sobre el valor calculado del vector potencia de desequilibrio .

9. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado por que comprende además un módulo de adquisición (13) , configurado para adquirir los valores instantáneos de tensión (VA, VB, ve) e intensidad (iA, i B, ie) de las fases (A, B, C) en un punto de la red eléctrica y separar sus componentes a la frecuencia fundamen t al

(VAl ' V Blr ved , (iAI , i BI , i ed , usándose dichos valores por el módulo de análisis (14) para obtener los valores eficaces y argumentos de las tensiones y las corrientes de las fases a la frecuencia fundamental de la red eléctrica .

10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado por que el módulo vector potencia de

desequilibrio (17) está configurado además para calcular una componente (Su;) del vector potencia de desequilibrio que determina los efectos conjuntos de los desequilibrios de tensiones y cargas , según la siguiente expresión :

PAI ( ) Q, <l ( ) 'P" ( )

-cos 0:+ -a AI +j -sel1 0.+ -al +a -cos 0:+ -OSI +

V, n VAl V81

·15

+

+ja 2 QSI sen (o. -o: ) +a PC1 cos (o: -o. ) + ja QCI sen (o. -o: )

V +SI +C1 V +CI

V

SI C1 CI

P Q P

J-~sel1 (O: -o. ) +~cos (o: -o. ) +J-.

2. ----ª-L sel1 (o. -o: ) +

V t Al V t Al V t BI Al Al 81

-

'q ¡Q, , ( ) ' Pel ( ) Qel ( )

+a -COS 0: + -a SI +ja-sen 0:+ -a C1 +a-cos 0:+ -a C1

V

V81 Vo o 11 . Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por que el módulo vector potencia de 10 desequilibrio (17 ) está configurado además para calcular una componente (SUy) del vector potencia de desequilibrio que determina el efecto exclusivo de los desequilibrios de tensiones , según la siguiente ecuación :

. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado por que el módulo vector potencia de desequilibrio (17) está configurado además para calcular : una componente del vector potencia de desequ.il.ibL".io que deleL-m.ina los efeclos conjunlos de los desequilibrios de tensiones y cargas , según la siguiente expresión :

PAj

coslo -o ) +j-QAI senlo -o ) +a 2 PBI coslo -o ) +

V t Al V t 1 V t 81

Al Al Bl

•Ji +

+) a2 QBI sen (o. - (t ) +a Pel cos (a -o. ) + ja QCI sell (o. -Ct )

V + B1V +C1 V + Cl BI el el

. P" 1 ) Q" 1 ) ' l P" 1 )

) -sen U+ -0. ..11 +-c05 u+ -n AI +Ja -sen 0. + -aB1 + VAl V, n VB1

_

-_

.q

+a2 QBI coslo -o ) +) "a PCJ senlo -o ) +a QCI coslo -o )

V t BI V t CJ V t CJ BI C\ el

una componente del vector potencia de desequilibrio que determina el efecto excl usivo de los 5 desequilibrios de tensiones , según l a siguient e ecuación :

13 . Sist ema según la reivindi caci ón 12 , caract erizado por

10 que el módu l o de i nformaci ón es un módul o de

vi sualización (1 8 ) confi gurado par a representar

visualmente dicha información consist ent e en al menos

uno del valor calculado y la representación gráfica de

dicho valor de al menos uno del valor calculado del

15 vector potencia de desequilibrio, su component e Sui y

su componente S", . .

14 . Sist ema según cualquiera de las reivindicaciones 12 y

13 , caracteri zado por que e l módulo de i n formación es

un módul o de alarma configurado para emi t i r una a l arma

20 cuando el val or calculado de al me nos uno del vect or

potencia de desequilibrio (So ) , su component e Su; y su

componente S", . supera un umbral determi nado .

15 . Sist ema según cualquiera de las reivindicaciones 8 a

13, caracterizado por que comprende además :

sensores de medida (8) de tensión e intensidad para medir valores instantáneos de tensión e intensidad; un acondicionador de señal (9) para adaptar la corriente de secundario de cada sensor de medida (8) a la tensión aplicable a unas entradas analógicas de una tarjeta de adquisición (10) ; una tarjeta de adquisición (la ) que convierte las señales analógicas en una serie de muestras discretas que se utilizan como entrada en el módulo de adquisición (13) ; un sistema procesador (11) que conecta la tarjeta de adquisición (10) con el módulo de adquisición (13) ; Y

un dispositivo de visualización (12) conect ado con el módulo de visualización (18) para presentar visualmente al menos un valor calculado por el sistema de medida .