Aplicación de Técnicas de Sincronismo para Sistemas de Medida Distribuidos y Desarrollo de un Medidor Fasorial basado en el protocolo IEEE1588

Abstract

En la actualidad se debate a nivel científico la necesidad de una evolución conceptual y tecnológica de la red eléctrica. En este nuevo marco de trabajo se define el concepto de red inteligente “Smart Grid”. Esencialmente se plantea una red activa, dotada de inteligencia, con autonomía que tenga la capacidad de reconfiguración según las necesidades locales y que mejore los tiempos de restablecimiento del suministro incrementando la eficiencia energética en general. Por tanto, la principal motivación que me ha conducido a la elección de este tema, ha sido la creciente preocupación mundial por favorecer la evolución de estos sistemas hacia una gestión energética inteligente. Esta motivación ha propiciado la aparición de nuevos líneas de investigación que facilitan a la comunidad científica el desarrollo de sistemas experimentales para que intervengan en la generación, el transporte y la distribución de la energía de forma eficiente, garantizando el suministro con la intervención de sistemas más inteligente que trabajen de forma coordinada. Uno de los aspectos técnicos más importantes para conseguir este objetivo es mantener una sincronización de forma permanente entre todos los dispositivos. La creciente integración de protocolos para la comunicación basados en Ethernet y que han sido desarrollados para todo tipo de aplicaciones industriales ha conducido a la aparición de un protocolo con capacidad de sincronización precisa y sin la necesidad de integrar un GPS en cada uno de los puntos de supervisión y control. El análisis del Protocolo PTP “Precisión Time Protocol” ha sido el principal objetivo de mis trabajos de investigación. La adaptación del protocolo para su uso alternativo y el desarrollo de procedimientos experimentales para verificar si cumple con las expectativas. Mis trabajos están orientados hacia una línea de investigación que permita integrar este protocolo en todo tipo de sistemas diseñados para la monitorización, control y protección de las redes eléctricas. Esta alternativa con IEEE 1588 ha adquirido protagonismo porque puede mantener una única fuente de sincronismo de alta calidad con GPS para un gran número de sistemas encargados de monitorizar y gestionar la red de suministro Uno de los sistemas más avanzados es la Unidad de Medida Fasorial (PMU)”Phasor Measurement Unit” o sincrofasor. Estos medidores permiten determinar la estabilidad de la red eléctrica en una zona geográfica muy amplia con una exactitud del orden de un microsegundo. Por tanto, la sincronización de estos sistemas es clave para la vigilancia, protección, control y estimación de estado en sistemas de potencia. El segundo gran objetivo ha sido el diseño de una PMU experimental alternativa con sincronismo PTP. Por tanto, los objetivos de la tesis se concretan en el estudio de los procedimientos de sincronización y medida incluidos en la norma de Sincrofasores, en el estudio del protocolo PTP para la sincronización de sistemas de medida y control distribuidos, en la selección de varios dispositivos comerciales compatibles con el protocolo PTP y en el desarrollo varios procedimientos experimentales para medir la exactitud y estabilidad alcanzada por cada uno de los dispositivos trabajando como esclavos PTP. Puesto que este procedimiento de medida necesita un patrón de referencia para la validación de los resultados utilizo un Instrumental especializado. Finalmente los estudios de las dos normas y los análisis de estabilidad me han permitido evaluar la integración del protocolo en un sistema embebido. Los ensayos finales me han permitido evaluar la viabilidad del sistema propuesto.

Smart Grids represents an opportunity to fundamentally improve the energy industry through optimization, reliability and efficiency. With the implementation of advanced technologies such as smart metering, distribution automation and smart appliances, the consumer monitors and controls energy usage. Keys to the smooth operation of the Smart Grid are performance and accuracy. Reliable synchronization techniques are essential in ensuring performance and accuracy criteria are met and maintained. Smart Grid encompasses a myriad of complex devices, which are required to seamlessly work with one another. Synchronized Phasor Measurement Units (PMUs) are a key element of monitoring, protection, control and state estimation applications in power systems. PMUs deliver precisely time synchronized (IEEE 1588-2008) values of voltage and current phasors and other power system related quantities like frequency, breaker positions etc. to a central data processing system, known as a Phase Data Concentrator (PDC). Each PDC collects the phasor measurement results of a certain area. Finally, the data of the entire power network are made available to a central management system PDC. Due to the microsecond accuracy and the high sampling rates 10 to 50 per second of the measurements, the system is able to capture and represent the dynamic behavior of the power network. This demand has given rise to new lines of research to find alternatives to distributed synchronization maintaining the level of equipment quality but lower cost. The alternative with IEEE 1588 has gained prominence. We maintain a single source of high quality sync GPS for a large number of systems managers to monitor and manage the grid. The number of computers and the quality of each of the quartz oscillators for maintaining the local synchronism is not a problem. The PTP protocol allows continuously synchronizes local clocks and prevent loss of stability in the medium to long term. In this line, several researchers have been devoted to the study of Synchronized Measurement Techniques (TMS) specially oriented distributed applications [1-3] in the field of electrical networks. Synchronized phasor measurements are addressed in the following international standards: IEEE C37.118 and IEC 61850. These standards state; phasor angles must be measured relative to UTC with an accuracy of ± 26 μs. The work done in this thesis are directed to the study protocol (PTP) "Precision Time Protocol" and its possible integration in the systems responsible for energy management. In developing this thesis I had to work with two versions of the standard, that of 2002 (IEEE 1588 v1) and defined in the 2008 (IEEE 1588 v2). In particular most of the trials included in the thesis let me check if feasibility of their integration into the PMUs. The IEEE standard C37.118-2005 clearly specifies the maximum allowable error phase measurements. In the thesis I have followed carefully the specifications and the findings are related to the results obtained in reference to the standard.