Sistema de emulación multiconfigurable para el estudio de eventos en redes de energía trifásica con varias líneas.

Se ha diseñado un circuito para estudiar el comportamiento de la red eléctrica trifásica. En este circuito se puede seleccionar el número de líneas y las longitudes de las mismas en distintos tramos.

El circuito está compuesto por múltiples tramos de línea desarrollados siguiendo el modelo en PI. Estos tramos se han diseñado para que tengan parámetros inductivos y capacitivos seleccionables en función de la distancia. Un sistema de multiplexación controlado por un microprocesador proporciona flexibilidad a la topología de la red.

No se conocen alternativas para la emulación de señales en la red eléctrica con topologías reconfigurables

Sistema de emulación multiconfigurable para el estudio de eventos en redes de energía trifásica con varias líneas.

Objeto

Se presenta a evaluación un circuito electrónico con el que se puede configurar la topología de una red de energía eléctrica trifásica, de transporte o distribución, para emular eventos que se puedan producir en ella.

El circuito que se presenta, se puede utilizar para reproducir señales equivalentes a las de la red eléctrica y estudiar fenómenos que se producen en la situación de operación real. La emulación de faltas o efectos transitorios en los procesos de conexión/desconexión de cargas o líneas son posibles en un entorno seguro que permite la repetitividad de los efectos y su posterior análisis.

Sector de la técnica

La seguridad pública y la calidad de servicio son dos de las características más destacables que describen los esfuerzos de los responsables de los sistemas de transporte y distribución de energía eléctrica. El nivel de importancia que adquiere la calidad en el suministro de energía eléctrica se ha incrementado considerablemente debido al desarrollo de las aplicaciones de la electricidad en todos los campos y la gran evolución técnica alcanzada. La electricidad ha de ser entregada a los clientes en las mejores condiciones, establecidas éstas como un compromiso entre una adecuada calidad de servicio y seguridad, así como el mantenimiento de un coste satisfactorio para suministradores y clientes. Los riesgos que entraña el suministro eléctrico hacen de la seguridad un factor clave en constante evolución para que la generación, transporte y distribución a los usuarios finales se realice dentro de estrictos límites de seguridad, en primer lugar, para con las personas y, en segundo, para instalaciones y medio ambiente en general.

Existen factores externos (incidentes atmosféricos, acciones fortuitas de terceros sobre los conductores, polución industrial o salina) que condicionan la posibilidad de obtención de este producto con un determinado nivel de calidad. Puesto que estos incidentes son imprevisibles, las compañías eléctricas disponen de sistemas de protección que evitan la propagación y consecuencias del funcionamiento anómalo provocado por la falta. La imposibilidad de diseñar un sistema totalmente fiable en cuanto a calidad y seguridad, por razones económicas y técnicas, ha exigido el desarrollo de numerosas tecnologías destinadas a detectar los fallos ocurridos y a restablecer el suministro de energía eléctrica.

En los diversos eventos o perturbaciones que se pueden producir en la red trifásica, las tensiones e intensidades son muy variadas. Por este motivo, se han desarrollado un gran número de herramientas que ayudan a los técnicos a conocer cómo se desarrolla el evento en un entorno seguro. La mayoría de estas herramientas funcionan sobre un ordenador, es decir, son programas informáticos con los que se modeliza de forma cómoda la red y el evento a estudiar. Además, los resultados son fácilmente observables, los eventos son repetibles y las redes y cualquiera de los parámetros del ensayo fácilmente reconfigurables. En este ámbito, se puede decir que los modelos realizados y los ensayos son de gran utilidad para el analista de la red eléctrica pues le permiten prever tendencias. Sin embargo, un paso más, se consigue con los circuitos de emulación pues permiten analizar comportamientos más reales. Un circuito electrónico diseñado para emular el comportamiento real de una red eléctrica, permite trabajar en un entorno seguro, a base de modelos, pero, a diferencia de los ensayos llevados a cabo en un entorno de simulación software, se tienen en cuenta efectos reales de los componentes que se están utilizando que son difícilmente reproducibles en los entornos de simulación.

En conclusión, se puede establecer que es necesario el estudio del comportamiento de la red eléctrica ante diversos eventos. En la medida de lo posible se tiene que ofrecer al analista de las redes de energía eléctrica un entorno seguro en el que pueda reproducir de manera repetitiva el comportamiento real de la red eléctrica y analizar los efectos que los diferentes eventos producen en ella. Esto es posible en el circuito electrónico objeto de la presente solicitud de patente.

Estado de la técnica

El análisis de eventos y/o perturbaciones en las líneas de transporte y distribución de energía eléctrica se ha estudiado desde hace más de medio siglo. Para ello, se han desarrollado teorías, modelos, procedimientos, equipos de sensorización, equipos de protección, equipos de presentación de resultados, etc. Además, se han desarrollado diversos programas de simulación y se han construido algunos equipos de emulación.

Se pueden encontrar en la Bibliografía, tanto desarrollos teóricos como algún programa de simulación. Es, sin embargo, más difícil encontrar circuitos prácticos que permitan la emulación. Así, existe un estudio realizado en 1980 en el que se comparan varios modelos de líneas para el transporte de energía eléctrica. El modelo más sencillo está formado solo por una resistencia. Este modelo se va complicando cuando se añaden nuevos elementos, como por ejemplo el L-R y el modelo en PI. Además, para realizar simulaciones se puede usar el modelo de parámetros distribuidos. El título de este artículo es "Transmission line models for line protection" (que traducido es: "Modelos de líneas de transporte para protección de líneas"), que fue publicado en la revista Electrical Power & Energy Systems, (título de la revista, sin traducción), Vol. 2, nº 1, págs. 35-42, Enero 1980.

Los modelos que se desarrollaron inicialmente para estudiar las faltas que se producían en la red eléctrica se ampliaron y perfeccionaron para el estudio de transitorios. Para ello, se añadió la parametrización multifrecuencia de las líneas a los modelos para realizar la simulación, como se indica en el artículo titulado "Accurate Modelling of Frequency-Dependent Transmission Lines in Electromagnetic Transient Simulations" (que traducido es: "Modelado preciso de líneas de transporte dependientes de la frecuencia en simulaciones con transitorios electromagnéticos"), que fue publicado en la revista IEEE Transactions on Power Apparatus. and Systems (título de la revista, sin traducción), Vol. PAS-101, nº 1, págs. 147-157. 1982.

Tras crear los modelos de simulación, se comienzan a utilizar para determinar la naturaleza de los eventos que ocurren en la red. Así, en el artículo "Development of an advanced transmission line fault location system. Algorithm development and simulation" (que traducido es: "Desarrollo de un sistema avanzado de localización de faltas en líneas de transporte. Desarrollo del algoritmo matemático y simulación"), que fue publicado en la revista IEEE Transactions on Power Delivery (título de la revista, sin traducción), Vol. 7, nº 4, págs. 1972-1983, Oct. 1992, se desarrollan del modelos específicos y se aplica un algoritmo para detección de faltas en líneas de transporte.

También se analiza el número de secciones de redes en PI que hay que disponer para simular transitorios en "Analysis and selection of transmission line models used in power system transient simulations" (que traducido es: "Análisis y selección de modelos de líneas de transporte usados en simulaciones de transitorios en el sistema eléctrico"), que fue publicado en la revista Electrical Power & Energy Systems, (título de la revista, sin traducción), Vol. 17, nº 4, págs. 239-246, 1995.

Además se usan los modelos de linea en PI para realizar una compensación de cargas reactivas, como en "Design of compensation schemes for long AC transmission lines for maximum power transfer limited by voltage stability" (que traducido es: "Diseño de esquemas de compensación para líneas largas de transporte de corriente alterna para máximo transporte de energía, limitada por la estabilidad de la tensión"), que fue publicado en la revista Electrical Power & Energy Systems, (título de la revista, sin traducción), Vol. 17, No. 2, págs. 83-89, 1995.

En 1997 se propone un modelo de líneas de transporte en las que separa el circuito reactivo de transporte del circuito de pérdidas para simular con el EMTP, en "Phase-domain multiphase transmission line models" (que traducido es: "Modelos de líneas de transporte multifase en el dominio de la fase"), que fue publicado en la revista Electrical Power & Energy Systems, (título de la revista, sin traducción), Vol. 19, nº 4, págs. 241-248, 1997.

El mismo año 1997,...

1. Sistema electrónico para emular la red eléctrica, que está formado por varios circuitos de emulación de líneas trifásicas, un circuito de control, varios equipos de generación trifásica, varios circuitos de carga, diversas impedancias de falta, multiplexores analógicos (relés) para la conexión y desconexión y otros elementos para crear desequilibrios en las corrientes y tensiones del sistema. Todos estos elementos se caracterizan:

Por realizar, a través de un conjunto de multiplexores analógicos las conexiones de unas líneas con las otras y configurar de forma flexible la topología que quiere el usuario, incluso con bifurcaciones (una línea que comienza en medio de otra).

Por tener líneas compuestas de varias secciones en pi. Cada una de estas secciones está formada por una autoinducción, un conjunto de resistencias y dos baterías de condensadores. La autoinducción tiene tantas tomas seleccionables como distancias definidas. Cada una de las resistencias del conjunto se conectan en serie con la toma de la autoinducción que se ha seleccionado mediante un multiplexor analógico. Cada batería tiene tantos condensadores como el número de distancias definidas (un condensador de una de las baterías conectado al comienzo de la autoinducción mediante un multiplexor analógico y otro condensador del mismo valor, de la otra batería, conectado mediante otro multiplexor analógico a la toma seleccionada de la autoinducción).

Por tener un sistema de control compuesto por un microprocesador que activa la conexión de los distintos multiplexores para configurar la topología de la red, la distancia de cada línea, las cargas y su forma de conexión, las faltas, los desequilibrios y otros eventos para el estudio de transitorios.

2. Sistema electrónico para emular la red eléctrica, descrito en la reivindicación primera, que tiene generadores y cargas trifásicas, en cualquier comienzo o fin de sección pi, los cuales se conectan mediante multiplexores analógicos.

3. Sistema electrónico para emular la red eléctrica, descrito en la reivindicación primera, que tiene multiplexores analógicos en el punto de comienzo o de fin de cualquier sección pi, con los que se conectan cargas generadoras de: transitorios, desequilibrios o faltas en las líneas.