Simulador de entrenamiento y certificación, para operadores de

Simulador de entrenamiento y certificación, para operadores de
centro de control
PhD. Gomez Targarona J. C., IPSEP Univ. Nac. Rio Cuarto, [email protected]
Ing Vaschetti J.C. GECaP, FRC Univ. Tec. Nac, [email protected]
Ing. Ibarlucea C. GECaP, FRC Univ. Tec. Nac., [email protected]
Ing. Coyos C. GECaP, FRC Univ. Tec. Nac., [email protected]
Ing. Dean J., CCR EPEC, [email protected]
Ing. Modesti M. LABSEN, FRC Univ. Tec. Nac, [email protected]
simulación en tiempo real con estructura del
tipo HIL, es imprescindible poder evaluar el
efecto temporal del controlador en la evolución
de la dinámica del sistema; naturalmente se
desprende del simulador un entrenador para
operadores [2]. Una parte importante del
entrenador, lo constituyen la interfase gráfica y
su intercomunicación con el proceso.
Resumen -- El presente trabajo muestra la
implementación de un Simulador en Tiempo
Real, cuyo objetivo principal es el desarrollo
de un controlador para la grilla de potencia
basado en técnicas de Inteligencia Artificial,
utilizando un esquema tipo HIL (Hardware in
the Loop). Como segundo objetivo y en base a
un convenio Universidad - Empresa,
desarrollar un Entrenador para Operadores de
Centros de Control que haga uso de la
plataforma seleccionada. Sobre la base de un
caso de biblioteca, WSCC-9 barras (Western
System Coordinated Council), se presentan
los resultados obtenidos, y como avance del
convenio se presenta un modelo reducido de
la red Provincial de Energía, que permite
simular en tiempo real el comportamiento de la
misma. Se presenta también la interfase
gráfica del tipo HMI (Human Machine
Interface), la que se comunica en tiempo real
con el modelo bajo simulación. El nivel de
detalle obtenido, permite estudiar fenómenos
de estabilidad angular, asociados a despejes
de fallas fuera de tiempo. También puede
simular fallas monofásicas y trifásicas,
posibilitando además certificar y entrenar
operadores de Centrales y de Subestaciones.
Primero se trata el esquema de simulación
propuesto, evaluando a continuación las
posibilidades de la herramienta de simulación,
presentando luego la interfase gráfica,
mostrando el caso de biblioteca WSCC-9, y
por último se presenta el sistema reducido de
la red provincial para el entrenamiento de
operadores [3].
Como premisas de diseño se fijan:
•
•
•
•
Palabras claves – Simulador, sistema eléctrico
de
potencia,
controlador,
certificación,
entrenamiento, procesamiento paralelo.
1.
•
INTRODUCCIÓN
•
Debido a la extrema alinealidad de los
sistemas eléctricos de potencia, a las
diferentes perturbaciones a la que están
sometidos, a las distintas jerarquías, tanto
temporales como espaciales de los controles
que actúan sobre los mismos, a la dimensión
del espacio de estado que los representa, a su
formulación continua y discreta; parece una
selección natural encarar el control del sistema
mediante técnicas de Inteligencia Artificial [1].
•
2.
Flexibilidad de la herramienta para
permitir su interconexión con distintos
paquetes.
Soportar modelos de componentes en
la gama de los sistemas de potencia.
Permitir el desarrollo de dispositivos
ad-hoc en caso de ser necesario.
Soportar
el
desarrollo
de
controladores basados en Inteligencia
Artificial.
Permitir la utilización de esquemas
paralelos distribuidos, con el objeto de
simular modelos complejos.
Escalabilidad para ser ejecutado en
máquinas de diferentes tamaños.
Amplia utilización en el ámbito
universitario que permita su extensión
a las cátedras.
ESTRUCTURA HIL (HARDWARE IN
THE LOOP)
La estructura que se presenta en la Fig. 1,
tiene por objeto ensayar en tiempo real el
dispositivo bajo desarrollo, en este caso el
controlador. El modelo de la red que se ha
desarrollado mediante la Estación de
Modelado, es transferido al Computador
Dado que la programación de estos
controladores, es altamente lógico-formal, el
ensayo de los mismos se hace frente a una
1
MATLAB, se puede utilizar (OLE for Process
Control).
El procesamiento distribuido del modelo a
simular, se logra mediante el paquete RT-LAB,
el cual permite desdoblar al proceso en
módulos
de
ejecución
individual.
La
comunicación entre procesadores se efectúa
mediante el bus FireWire IEEE1394,
conectando los servidores en un esquema
Daisy Chain. Siendo QNX el Sistema
Operativo en Tiempo Real (RTOS) mediante el
cual se gestionan los servidores, existiendo la
posibilidad de utilizar Linux.
RTOS de ejecución en tiempo real. El modelo
del controlador se encuentra alojado en el
computador DDC (Direct Digital Control).
Mediante esta vinculación, es posible analizar
el comportamiento del controlador ante
eventos que suceden en el modelo de la red,
pudiendo de esta forma evaluar el desempeño
del mismo.
Las capas y los paquetes que se encuentran
detallados en los distintos bloques, cumplen
las siguientes funciones:
Estación de Modelado: sobre la plataforma
Windows se ejecuta la herramienta de
modelado MATLAB-SIMULINK, la que permite
construir el modelo de red a simular [4]. El
paquete RT-LAB, procesa y distribuye el
modelo para su ejecución en forma distribuida.
3.
HERRAMIENTA DE
MODELO DINÁMICO
MODELADO
–
Para modelación y simulación, se optó por un
paquete de propósito general de amplia
difusión en los ámbitos universitarios, que
permitiese tratar diferentes aspectos de la
operación y control de los sistemas eléctricos
de
potencia.
Soportando
además
interconexión con otros paquetes (acceso a
Base de Datos), y que de ser necesario
permitiese ampliar la librería de modelos.
Computador RTOS: si los requerimientos de
simulación no son exigentes, el modelo se
ejecuta sobre plataforma xPCTarget. En caso
de necesitarse procesamiento paralelo, la
opción es QNX con RT-LAB Engine [2],[5].
Computador DDC: el controlador se programa
mediante la herramienta MATLAB, si es
necesario mayor flexibilidad, se puede recurrir
al lenguaje C++.
Por medio el toolbox SimPowerSystems, se
cuenta con modelos de: transformadores
OLTC, centrales generadoras, líneas de
transmisión de corta, media y larga distancia,
instrumentos
de
medición,
dispositivos
interruptores, diferentes modelos de carga,
resolución de flujo de potencia, etc. [4].
La Fig. 2, presenta el Simulador para
entrenamiento de operadores, basado en las
herramientas anteriores, con el agregado de la
interfase gráfica HMI InTouch, el vínculo de
comunicaciones es DDE (Dynamic Data
Exchange) [6]. Con las nuevas versiones de
Cuenta además, con distintos toolboxes para
implementar controladores basados en:
inteligencia artificial, lógica difusa, redes
2
neuronales, algoritmos genéticos, paquetes de
control clásico y un potente lenguaje de
programación, que permite hacer uso de una
amplia librería de objetos, permitiendo la
interconexión y extensión.
La modelación en este paquete es del tipo
trifilar, esto no representa un problema, pues
con la interfase gráfica es posible una
presentación unifilar. La comunicación del
modelo con las diferentes pantallas gráficas es
por medio de canales DDE (Dynamic Data
Exchange).
Haciendo uso de la interfase CAD Simulink, es
posible implementar un modelo en forma
rápida. El paquete de ejecución RTW (Realime Workshop), permite ejecutar el modelo en
diferentes tiempos: tiempo real, tiempo de
máquina, acelerado y en forma fasorial, lo que
permite acomodar la simulación a los recursos
disponibles.
La generación se encuentra modelada
utilizando una máquina sincrónica del tipo
polos salientes, representada en su parte
eléctrica por un espacio de estado de orden
seis, utilizando la transformación d-q. Para la
parte mecánica, se utiliza la ecuación de
excursión (Swing equation). El sistema de
excitación es del tipo DC1A del IEEE, por su
parte el gobierno primario de la máquina se
consigue mediante un modelo no lineal de una
turbina hidráulica, un controlador del tipo PID y
un servomotor. Los lazos de realimentación de
potencia y velocidad, conforman un control del
tipo Speed-Drop [7].
En la Fig. 3, se puede apreciar el modelo
WSCC9 (Western Systems Coordinated
Council – 9 barras). Este modelo, presenta:
nueve barras, tres centrales generadoras del
tipo hidráulicas, seis líneas de transmisión de
media distancia, tres centros de carga, tres
transformadores step-up (que vinculan las
centrales a la red de alta tensión),
instrumentos de medición para potencia activa
y reactiva, medición de tensiones y corrientes,
interruptores
que
permiten
modelar
contingencias y variar cargas.
4.
3
HMI INTERFASE GRAFICA
La representación gráfica del monitoreo y
control, exige una serie de requisitos que
llevan a la utilización de un HMI profesional,
El gráfico unifilar y la interface HMI del sistema
WSCC9 puede apreciarse en la Fig. 4. Esta
pantalla pertenece al operador del Centro de
Control, en la que si bien los íconos son
sencillos, tienen características dinámicas. Por
ejemplo para indicar el tipo y sentido de los
flujos, los valores, el manejo y estado de los
interruptores, la posibilidad de apertura de
ventanas auxiliares para reconocer alarmas
y/o ampliar información sobre el evento y/o
estado de los dispositivos.
como lo es InTouch, que pueden resumirse en
los siguientes puntos [6], [8], [9]:
•
•
•
•
•
•
Deben poder lograrse imágenes de
mímicos complejos y dinámicos, como
lo son para la operación de centrales y
subestaciones, no es el caso del
centro de control propiamente dicho.
Manejar un sistema de monitoreo y de
alarmas, basado en reportes y logs
soportados en base de datos.
Potente comunicación con el sistema
SCADA y el modelo dinámico.
Poseer un lenguaje que permita
manejar decisiones lógicas, basadas
en los valores de las variables.
Presentar un manejo flexible de
ventanas, tanto en tipo como en
jerarquía.
Permitir representación multi-estación
jerarquizada de un proceso.
5.
MODELO REDUCIDO DE LA RED
PROVINCIAL
En la Fig. 5, si bien no es posible, por
cuestiones de espacio, apreciar un nivel de
detalle, la misma representa un modelo de
simulación de la zona sur de la provincia de
Córdoba, formulado conjuntamente con la
Empresa Provincial de Energía de Córdoba
(EPEC). El centro de generación seleccionado
es Villa María (parte superior izquierda). El
aporte desde La Pampa, está representado en
la parte superior derecha, el anillo se cierra en
la parte inferior desde Canals a Laboulaye.
4
planteado, no representando mayor problema
su sustitución.
Siendo Las Ferias, central ubicada en Río
Cuarto, el aporte desde San Luis y zona norte.
El modelo ha sido convalidado por corridas de
flujo, verificándose perfiles de tensiones,
ángulos y valores de flujo. Asimismo, ha sido
sometido a maniobras de operación,
comprobándose el comportamiento dinámico.
Es posible aún, resignando la simulación de
algunos fenómenos como el colapso en
tensión, reemplazar el núcleo del simulador
por un programa de flujo bajo Matlab y
mantener el esquema de entrenamiento
propuesto.
Actualmente se está en la etapa de estudio y
formulación de la interfase gráfica, basada en
el sistema SCADA que posee la empresa de
energía, con el objeto de enfrentar al operador
con la imagen lo más real posible. También se
están verificando las maniobras de operación,
dispositivos de accionamiento, monitoreo, y
sistema de alarmas para incluirlos en la
modelización.
6.
Se tiene flexibilidad, a la hora de simular los
fenómenos sobre los tiempos de simulación,
los que pueden ser en tiempo real, en tiempo
de máquina, en forma acelerada y en forma
fasorial. Aunque, en esta última se pierdan
detalles sobre la evolución temporal de las
señales, esta pérdida no es de suma
importancia a la hora del entrenamiento de
operadores, si lo es en estudios de estabilidad.
CONCLUSIONES
El nivel de detalle en cuanto a la simulación es
tal, que permite estudiar fenómenos de
estabilidad angular, asociados a despejes de
fallas fuera de tiempo. También es posible
simular fallas del tipo monofásicas, desde ya
las trifásicas, también es posible certificar y
Se cree haber logrado el nivel de modularidad,
flexibilidad y escalabilidad pretendidos, con
herramientas de propósito general y de amplia
difusión en las Universidades. Existen
alternativas de reemplazo a los paquetes
utilizados, que armonizan en el esquema
5
entrenar operadores
Subestaciones.
de
Centrales
y
de
[5] QNX Software Systems, QNX Neutrino
RTOS Operating System, “Product
Documentation”, 2005.
Actualmente el proyecto se encuentra en su
fase de consolidación, desarrollándose la
interfase gráfica específica y el modelado de
los eventos diarios de la operación.
7.
[6] Wonderware Automation Software,
Supervisory HMI, In Touch software, “Product
Documentation”, 2005.
REFERENCIAS
[7] P. Kundur, "Power System Stability and
Control", Electric Power Research Institute,
McGraw-Hill, 1994.
[1] K.Warwick, A.O. Ekwue and R. Aggarwal
(Eds.), "Artificial Intelligence Techniques in
Power Systems", The Institution of Engineering
and Technology, 1997.
[8] ABB Group, The Network Manager OTS,
“Simulated Reality, A Simulator to put network
operators in control”, ABB Library 2005.
[2] OPAL-RT Technologies, RT-LAB
Professional, “Product Documentation”, 2005.
[9] EPRI Electric Power Research Institute,
Linux PACE/OTS 3.6.26, “EPRI
Documentation”, 2005.
[3] P. W. Sauer and M. A. Pai, "Power System
Dynamics and Stability", Englewood Cliffs, NJ,
USA: Prentice-Hall, 1998.
[10] Sigari P., Rafian-Naini M., Sluis K. J.;
“Portable and Affordable Operator Training
Simulators”; IEEE Computer Applications in
Power, 1993.
[4] The MathWorks, MATLAB and Simulink
Product family, “Product Documentation”,
2005.
6