Técnicas avanzadas de Protección de Redes Eléctricas Inteligentes

Existen diferentes ideas sobre lo que es una Smart Grid o red inteligente y así, mientras que unos la definen como un sistema basado en redes locales cuasi autónomas, otros se plantean una red de este tipo como una entrega de electricidad desde la parte de generación hasta el consumidor usando la tecnología digital para ahorrar energía, reducir costos e incrementar la fiabilidad. Básicamente, el objetivo de Smart Grid es aumentar la eficiencia en los sistemas de generación, transmisión y distribución de las empresas eléctricas. Smart Grid es sinónimo de: innovación en sistemas eléctricos, generación distribuida (Distributed Generation, DG), aprovechamiento de recursos renovables, una solución a problemas ambientales, mayor acercamiento a diversas zonas geográficas y demográficas y mejoras en el control de carga. Con la presente tesis, se ha pretendido plasmar un estado del arte actual, en lo que al estudio de calidad de suministro se refiere. La propia elaboración del documento ha permitido un sondeo de los nichos de investigación que podrían ser interesantes respecto al tema. Esta tesis aborda la detección rápida de perturbaciones de señales eléctricas para integrar esta funcionalidad avanzada en inversores inteligentes, dentro del marco de la integración en la red, a gran escala, de fuentes de energía renovables. Se propone una técnica basada en estadística, actuando en el paradigma de detección de faltas y aislamiento (Fault Detection and Isolation, FDI), para la detección temprana en el sistema de potencia. Con ello se pretende mejorar la actuación sobre los sistemas de interconexión y la eficiencia energética de la red eléctrica. El nuevo método está basado en suma acumulativa (CUmulative SUM, CUSUM) y es aplicado a un amplio conjunto de eventos de calidad de suministro para analizar su rendimiento. Los resultados obtenidos indican que el algoritmo propuesto genera residuos robustos y estima con gran precisión las transiciones de los eventos analizados. La principal ventaja del método es que permite una detección de eventos más rápida que los métodos tradicionales, debido a que realiza un procesamiento de muestra a muestra. Además, el método propuesto no requiere demasiado esfuerzo computacional, lo que significa que es adecuado para la integración de un relé de protección multifuncional disponible en los nuevos inversores inteligentes. Se presenta también el diseño y desarrollo de una arquitectura flexible, robusta, modular y con la potencia de cálculo adecuada para la implementación de estos nuevos sistemas de protección y medida para la eficiencia energética. Finalmente, se presenta el rendimiento de un método de segmentación causal y anti-causal (CaC) para la localización automática de las partes no estacionarias de eventos de calidad de suministro. La localización exacta en el tiempo de eventos y la consecuencia de los mismos es importante para analizar de forma automática las perturbaciones en la Smart Grid del futuro. El método de segmentación desarrollado también se basa en el algoritmo CUSUM. La principal ventaja de la segmentación CaC es la elevada precisión en la localización de los segmentos de transición.There are different ideas about what a Smart Grid is. On the one hand, some authors define it as a system based on local electrical networks, which are almost autonomous. On the other hand, others visualize it as a kind of network where the electricity is delivered from the utilities to consumers using digital technology to save energy, reduce costs and increase the reliability of the system. Basically, the goal of Smart Grid is to increase efficiency in generation, transmission and distribution systems from power companies of the electric business. Thus, Smart Grid covers concept such as innovation in electrical systems, Distributed Generation (DG), the use of renewable resources, a solution to environmental problems, the integration of geographic and demographic areas and improvements in the load control. The aim of this thesis was to obtain a true global perspective of the components that comprise the system, and future trends that seem interesting under the development that is expected from DG in particular in the coming years. Therefore, the production of the document itself has enabled a survey of the research niches that could be interesting on the field of study. This thesis addresses the fast detection of electrical signal disturbances for advanced smart inverter functionalities within the framework of large-scale grid integration of renewable energy sources. A statistical-based technique under the fault detection and isolation (FDI) paradigm is proposed for fast events detection in power systems. The aim is to improve the performance of interconnection systems and the energy efficiency of the electricity grid. The method developed is based on the CUmulative SUM (CUSUM) algorithm and is applied to a wide range of power quality events to analyze its performance. The results show that the method generates residuals that are robust to noise and accurately estimates the time locations of underlying transitions in the power system. The main advantage of the proposed technique is its earlier event detection, with respect to other traditional methods, since it performs sample-by-sample evaluations. Moreover, the proposed technique does not require much computational effort, which means that the presented detection method is suitable for integration into the multifunction relay protection subsystems available in novel smart inverters. The design and development of a flexible, robust and modular architecture are presented; it integrates adequate computing power to implement these new protection systems and energy efficiency. Finally, the performance of a joint causal and anti-causal (CaC) segmentation method for automatic location of nonstationary parts of power quality events is presented. The accurate time allocation of events and sequences of events is important to automatically analyze disturbances in the future Smart Grid. The segmentation method developed is also based on the CUSUM algorithm. The main advantage of CaC segmentation is the high precision in the location of the transition segments

Integración de dispositivos electrónicos inteligentes en Smart Grid

El sector eléctrico está experimentando cambios importantes tanto a nivel de gestión como a nivel de mercado. Una de las claves que están acelerando este cambio es la penetración cada vez mayor de los Sistemas de Generación Distribuida (DER), que están dando un mayor protagonismo al usuario a la hora de plantear la gestión del sistema eléctrico. La complejidad del escenario que se prevé en un futuro próximo, exige que los equipos de la red tenga la capacidad de interactuar en un sistema mucho más dinámico que en el presente, donde la interfaz de conexión deberá estar dotada de la inteligencia necesaria y capacidad de comunicación para que todo el sistema pueda ser gestionado en su conjunto de manera eficaz. En la actualidad estamos siendo testigos de la transición desde el modelo de sistema eléctrico tradicional hacia un nuevo sistema, activo e inteligente, que se conoce como Smart Grid. En esta tesis se presenta el estudio de un Dispositivo Electrónico Inteligente (IED) orientado a aportar soluciones para las necesidades que la evolución del sistema eléctrico requiere, que sea capaz de integrase en el equipamiento actual y futuro de la red, aportando funcionalidades y por tanto valor añadido a estos sistemas. Para situar las necesidades de estos IED se ha llevado a cabo un amplio estudio de antecedentes, comenzando por analizar la evolución histórica de estos sistemas, las características de la interconexión eléctrica que han de controlar, las diversas funciones y soluciones que deben aportar, llegando finalmente a una revisión del estado del arte actual. Dentro de estos antecedentes, también se lleva a cabo una revisión normativa, a nivel internacional y nacional, necesaria para situarse desde el punto de vista de los distintos requerimientos que deben cumplir estos dispositivos. A continuación se exponen las especificaciones y consideraciones necesarias para su diseño, así como su arquitectura multifuncional. En este punto del trabajo, se proponen algunos enfoques originales en el diseño, relacionados con la arquitectura del IED y cómo deben sincronizarse los datos, dependiendo de la naturaleza de los eventos y las distintas funcionalidades. El desarrollo del sistema continua con el diseño de los diferentes subsistemas que lo componen, donde se presentan algunos algoritmos novedosos, como el enfoque del sistema anti-islanding con detección múltiple ponderada. Diseñada la arquitectura y funciones del IED, se expone el desarrollo de un prototipo basado en una plataforma hardware. Para ello se analizan los requisitos necesarios que debe tener, y se justifica la elección de una plataforma embebida de altas prestaciones que incluye un procesador y una FPGA. El prototipo desarrollado se somete a un protocolo de pruebas de Clase A, según las normas IEC 61000-4-30 e IEC 62586-2, para comprobar la monitorización de parámetros. También se presentan diversas pruebas en las que se han estimado los retardos implicados en los algoritmos relacionados con las protecciones. Finalmente se comenta un escenario de prueba real, dentro del contexto de un proyecto del Plan Nacional de Investigación, donde este prototipo ha sido integrado en un inversor dotándole de la inteligencia necesaria para un futuro contexto Smart Grid.The electricity sector is undergoing major changes both at management level as at the level of the market. One of the keys that are accelerating this change is the increasing penetration of Distributed Energy Resources (DER), which is giving greater prominence to the distribution areas when considering the management of the electricity system. The complexity of the scenario that is expected in the near future requires that grid equipment will have the ability to interact in a much more dynamic system than in the present, where the connection interface must be equipped with the necessary intelligence and communication capability so that the entire system can be managed as a whole effectively. Today we are witnessing the transition from the traditional model of power system to a new system, active and intelligent, known as Smart Grid. This thesis deals with the study of an Intelligent Electronic Device (IED), which is oriented to providing solutions for the needs that the evolution of the electricity system requires. This IED is able to integrate into the current and future grid equipment, providing functionality and therefore added value to these systems. To locate the needs of these electronics devices, an extensive study of backgrounds has been conducted, beginning with analyzing the historical evolution of these systems, the characteristics of the electrical interconnection that these systems have to control, the various functions and solutions to be provided, finally arriving to a review of the current state of art. Within this background, also it carried out a regulatory review, at international and national level, needed to understand the point of view of the different requirements to be complied by these devices. Then the specifications and considerations for the design of this IED and its multifunctional architecture are discussed. At this point of work some original approaches in design are proposed, these are related to the functional architecture of IED and the way of how the data should be synchronized, depending on the nature of events and different functions. The development of the device follows with the design of the various subsystems. Some novel algorithms are presented here, as the approach of anti-islanding system based on multiple weighted methods detection. Once the architecture and functions of the IED have been designed, the development of a prototype based on a hardware platform is discussed. For this purpose, the needed requirements are analyzed, and the choice of a high-performance embedded platform that includes a processor and an FPGA is justified. A Class A testing protocol applies to the prototype developed to test the monitoring parameters, according to the IEC 61000-4-30 and IEC 62586-2 standards. Also various tests to estimate the delays involved in protection algorithms are presented. Finally a real test scenario is discussed. This was carried out within the context of a project of the National Research Plan, where this prototype has been integrated into an inverter providing it with the necessary intelligence for a future Smart Grid context