Uso de sincrofasores para la detección de oscilaciones de potencia y pérdida de sincronismo. Aplicación al sistema eléctrico uruguayo para la separación controlada en islas

Abstract

El sistema eléctrico uruguayo se puede describir como dos áreas interconectadas por dos líneas de 500kV y algunas líneas débiles de 150kV. La motivación de esta tesis son las ocurrencias reales de la apertura de ambas líneas de 500kV, que conduce al sistema a grandes cortes de energía eléctrica incluyendo la zona crítica de la capital del país. Esta tesis investiga un esquema de protección sistémica (WAP o SPS) para la separación controlada en islas del sistema uruguayo y el disparo de carga para evitar esos cortes de energía, basado en la medida remota y local de sincrofasores de tensión mediante PMU y las funciones de WAP llamadas PSD y OOST que usan la derivada primara (deslizamiento) y la derivada segunda (aceleración) del ángulo de fase relativo entre las tensiones remota y local. También explora el comportamiento de las oscilaciones de potencia e inestabilidades en el plano aceleración-deslizamiento y las razones por las que la combinación de los algoritmos PSD y OOST detecta anticipadamente inestabilidad o pérdida de sincronismo. La investigación se basa en estudios exhaustivos de estabilidad transitoria usando modelos dinámicos reales. El esquema de WAP analizado en esta tesis es hábil y beneficioso para la detección de la contingencia estudiada, así como actuando en consecuencia. En términos de la cantidad de carga que es necesario disparar para mantener la integridad del sistema, la rápida estrategia PSD-OOST ahorra 30% comparando con la estrategia actual que no separa al sistema en isla, y ahorra 15% comparando con otra estrategia WAP que usa solamente medidas y acciones locales para la separación en isla y el disparo de carga.

The Uruguayan power system can be described as two areas interconnected by two 500kV lines and a few weak 150kV lines. The motivation of this thesis are actual occurrences where both 500kV lines are tripped leading the system to widespread blackouts including the critical area of the nation’s capital district. This thesis researches a Wide Area Protection (WAP or SPS) scheme for controlled islanding of the Uruguayan network and load shedding to avoid those blackouts, based on local and remote voltage synchrophasor measurements through Phasor Measurement Unit (PMU) and WAP functions called PSD and OOST that use the first derivative (slip) and second derivative (acceleration) of the phase angle difference between remote and local voltages. It also explores the behavior of power swings and instabilities in the acceleration-slip plane and the reasons why PSD and OOST algorithms combination detects instability or out-of-step in advance. The investigation is based on comprehensive transient stability studies using actual dynamical models. The WAP scheme analyzed in this thesis is skillful and profitable detecting the contingency under study and acting in consequence. In terms of the load shedding amount necessary to maintain system integrity, the fast PSD and OOST WAP strategy saves 30% compared to the actual WAP strategy without islanding, and saves 15% compared to another WAP strategy that only uses local measurements and actions for islanding and load shedding.