Coordinación de protecciones en redes eléctricas con generación distribuida

Actualmente, existen varias Directivas de la Unión Europea que persiguen el objetivo de conseguir una producción de electricidad sostenible en los Estados miembros de la Unión Europea y la promoción de un mayor desarrollo de la producción de electricidad a partir de fuentes de energía renovable con el objetivo de una mayor seguridad y continuidad del suministro eléctrico. La Unión Europea se ha fijado como meta convertirse en el líder mundial en producción de energías renovables con unos indicadores de al menos el 27 % de producción de energía renovable de toda la energía consumida en la Unión Europea para el año 2030. Para poder integrar las expectativas de producción de energía renovable de forma progresiva y eficiente en las redes eléctricas de distribución se deben superar nuevos retos técnicos, regulatorios y económicos. La integración de la Generación Distribuida en las redes eléctricas tiene, en general, efectos positivos como por ejemplo: minimizar las pérdidas de potencia en las líneas o la mejora de la estabilidad de tensión entre otros. Sin embargo, el rápido crecimiento de la penetración de la generación distribuida en las redes eléctricas hace indispensable realizar cambios en la forma en que las redes de distribución son operadas y protegidas. Efectos tales como el flujo de potencia bidireccional debido a la generación distribuida y su contribución a la corriente de falla son algunos de los principales problemas a los que se enfrentan los esquemas de protección que se encuentran en las redes eléctricas de distribución. En situaciones de alta penetración de energía renovable, los esquemas de protección tradicionales no logran detectar ni aislar las zonas de la red que se encuentran en situaciones de falta y esto es un problema que se encuentra aún sin resolver en las redes eléctricas de distribución. Los esquemas de coordinación de protecciones que se aplican normalmente en las redes eléctricas de distribución fallan y experimentan una falta de coordinación y un mal funcionamiento en presencia de generación distribuida. En esta tesis se presenta un algoritmo de protección de relés de sobreintensidad adaptativo (AORPA) que se ha desarrollado con el fin de proteger a una red eléctrica de distribución con generación distribuida y que es capaz de extender las capacidades de los relés de sobreintensidad tradicionales. El algoritmo desarrollado es capaz de localizar y aislar fallas en el alimentador principal y en las derivaciones de las redes típicas de distribución. El algoritmo AORPA contempla dos etapas: en la primera, el objetivo es localizar la sección bajo falta utilizando medidas de corrientes, en la segunda etapa el algoritmo optimiza el punto de operación de los relés de sobreintensidad digitales para optimizar la coordinaCión de los relés digitales que se encuentran en la red de distribución. El proceso de optimización tiene en cuenta la coordinación entre los relés de sobrecorriente -de varias zonas de protección y minimiza, al mismo tiempo, el tiempo de funcionamiento de cada uno de ellos. Los Algoritmos desarrollados se plantean para ser implementados en los IEDs (Intelligent Electronic Devices) utilizando las medidas de corriente y tensión disponibles siguiendo la arquitectura de comunicaciones definidas en la norma IEC 61850 para las comunicaciones en las subestaciones eléctricas. Igualmente, se propone un novedoso sistema de localización de faltas que está basado en mediciones de múltiples terminales con el objetivo de localizar el punto de fallo con la mayor precisión posible. El algoritmo de localización de faltas es una funcionalidad adicional que se implementa en dispositivo de protección del IED. Inicialmente, el algoritmo de localización de faltas identifica una sección/área o zona en falta y posteriormente el algoritmo de protección relé de sobrecorriente adaptativo (AORPA) optimiza el ajuste y la coordinación de los relés de protección digitales para aislar la zona en falta lo antes posible y de la forma más exacta. La efectividad de los esquemas de protección propuestos se ha probado en redes eléctricas de distribución donde se han estudiado distintas faltas equilibradas y desequilibradas y se han considerado diferentes resistencias de faltas. Los resultados muestran que los algoritinos de protección propuestos son capaces de localizar y aislar fallas en las redes eléctricas de distribución con alta penetración de generación distribuida.Nowadays, there are several EU Directives pursuing the public goal of sustainable electricity ín European member states and promoting the further development of electricity production from renewable energy sources by rneans of safe and reliable system operations. The European Union is committed to becoming the world leader in renewable energy with an EU target of at least 27 % for the share of renewable energy consumed in the EU in 2030. To integrate renewable production progressively and efficiently into distribution power networks new challenges must be faced. Distributed Generation has positive effects into distribution power networks, such as: minimizing power losses or improving voltage stability among others. However, the rapid integration of distributed generation into power networks requires changes to the way distribution networks are operated and protected. Reversing power flow due to DERs generation, and their contribution to fault current are some of the main problems faced by distribution protection schemes. Under this condition, traditional protection schemes fail to detect and to isolate network arcas under fault and this is a problem still unsolved at distribution power networks. Overcurrent relay coordination is one of the protection schemes developed to protect distribution power system. Under the presence of DERs, distributed protection schemes experiment a lack of coordination and malfunction under fault condition. In this thesis an adaptive overcurrent relay protection algorithm (AORPA) has been developed in order to protect a distribution power network with distributed generation extending the current capabilities of overcurrent relays. The developed algorithm is able to locate and isolate faults in the main feeder and laterals of a distribution power network. The AORPA algorithm works in two stages: in the first one, the objective is to locate the section under fault by current measurements, in the second stage the algorithm optimizes the operation point of the digital overcurrent relays. The AORPA adapts the operation point of overcurrent relay by means of a TMS optimization exploiting the whole functionality of digital overcurrent relay. The optimization process takes into account the overcurrent relay coordination between several protection zones and minimize the operating time of the relays. To deal with the AOPRA objective some IEDs have been incorporated to the power system. To manage the information of the IEDs (monitored voltages and currents) a communication system based in the IEC 61850 has been developed. Additionally, a novel Fault location process is proposed which is based on multiterminal measurements aimed at locating the fault with the highest accuracy possible. Fault locator algorithm is a supplementary protection functionality to be applied in the IED protection device. Initially, the fault location algorithm identifies a faulted section and then a fault on this section has to be located by using the adaptive overcurrent relay protection algorithm (AORPA). The effectivity of the proposed protection schemes has been tested in distribution power networks where balanced and unbalanced faults have been studied considering different resistance faults. Results show that the proposed protection algorithms are able to locate and isolate faults in distribution power networks with high penetration of distributed generation.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Edgardo Daniel Castronuovo.- Secretario: Jorge Moreno Mohino.- Vocal: Ana Belén Morales Martíne