Ingeniero Civil Eléctrico / Las micro-redes se han presentado como un tema de gran interés en la comunidad científica producto de la capacidad que tienen éstas de romper con los paradigmas tradicionales de generación, en donde logran incorporar diversas tecnologías de generación en las cercanías de la demanda. Estos se conoce como generación distribuida. Lo anterior permite a pequeños centros de consumo tener la posibilidad de autoabastecerse, además de tener la capacidad de autogestión e independencia de un ente centralizado. En este mismo contexto, las microredes permiten a zonas completamente aisladas tener acceso a la energía, sin la necesidad de depender de una expansión de la transmisión para tener un punto de inyección. Durante los últimos años se ha hecho una gran cantidad de investigación respecto a los desafíos y problemáticas de este tipo de redes y las soluciones que se plantean. Dichos desafíos han generado cambios en la concepción de los esquemas que pueden conformar una micro-red, a diferencia de los sistemas eléctricos convencionales. Estos cambios han priorizado los esquemas de control, pero en años recientes, los esquemas de protección se han instaurado como un tema de importancia producto de la constante expansión y actualización que sufren los sistemas eléctricos. El objetivo de esta memoria, es la implementación de una novedosa experiencia de laboratorio dirigida al estudio de nuevos esquemas de protección aplicados en sistemas de potencia con generación distribuida y micro-redes. La meta de la experiencia, es el de contribuir al perfil de egreso de los estudiantes a partir de la comprensión y análisis de las nuevas dificultades presentadas en el área de protecciones y sus posibles soluciones. Lo anterior, generado a partir de un enfoque práctico. En este contexto, la metodología propuesta para la creación de la experiencia permitirá a los alumnos evaluar la experiencia y poder incluir posibles mejoras a ésta a partir de una encuesta. Los resultados obtenidos a partir de las encuestas realizadas en las actividades demuestran que, tomando en consideración la opinión de los alumnos y su evaluación de la experiencia, hubo un aumento en cada uno de los ítemes señalados, logrando ponderaciones superiores a 4 en la segunda experiencia en en una escala de Likert de 1 a 5. En este mismo contexto, se valida la encuesta y sus resultados a través del coeficiente alfa de Crobach, obteniendo los dos niveles más altos que se pueden obtener a partir del criterio utilizado por los autores George y Mallery. De esta forma, se presenta una metodología capaz de ser replicada para la creación de otra experiencia práctica y se crea una novedosa experiencia que refuerza las capacidades de los alumnos en temáticas de protección.

Ingeniero Civil Eléctrico / En la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM), Universidad de Chile-Santiago de chile, en el cuarto piso del Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE) se encuentra el Laboratorio de Energía y Accionamiento. En este laboratorio hay una red eléctrica que se utiliza con fines docentes en diversos cursos del DIE. Uno de estos cursos exige que el sistema de protecciones opere de forma coordinada (mientras la red simula ser una Micro-Red), sin embargo, actualmente esta red no cuenta con los equipos y dispositivos necesarios para este fin. De esta forma se pretende implementar un esquema de protecciones Look up Table adaptivo en esta red. Bajo este contexto surge la necesidad de determinar las distintas curvas de protecciones necesarias en cada dispositivo de protección, para que de esta forma se pueda contar con estas configuraciones al momento de implementar este esquema de protecciones adaptivo en el laboratorio. Para poder obtener los resultados se empleó el uso del software Power Factory Digsilent. En dicho software se construyó la red del laboratorio junto a los elementos que tendrá esta una vez que se encuentre operando como Micro-red. Se realizaron estudios de corrientes de fallas en las diversas topologías que se puedan presentar. De esta forma se obtuvo la curva necesaria en cada estado de operación (topología de la red) para cada dispositivo de protección. Además se realizó una comparación de desempeño con un esquema tradicional fijo configurado solamente con respecto a la red externa. Entre las principales conclusiones se puede mencionar que una estrategia adaptativa con protecciones de curvas ajustables tiene un mejor desempeño que un esquema tradicional con dispositivos de ajuste fijo. Por otro lado sólo es necesario coordinar los dispositivos con respecto a aquellas barras que poseen elementos capaces de imponer frecuencia y tensión y que al haber generación distribuida se forman distintos caminos de coordinación , por lo que se deben implementar dispositivos direccionales.

Ingeniero Civil Electricista / En este trabajo se presenta un estudio de la protección diferencial de transformadores de poder. Se comienza con el estudio y cálculo de ajuste de parámetros para la protección de un transformador de potencia típico de las instalaciones de Chilectra; estudio y cálculos extensibles a equipos e instalaciones de cualquier empresa de distribución. Se presentan algunas discusiones, principalmente respecto del grupo de construcción y conexión que se encuentra en las instalaciones de la compañía ya citada. El ajuste de parámetros se realiza para relés electromecánicos y digitales. El estudio y desarrollo aquí presentado, se centra en particular en el relé modelo SEL587 del fabricante Schweitzer Electric Laboratories. Este relé corresponde a tecnología digital, tecnología que se emplea actualmente en la industria y constituye un estándar en nuevas instalaciones, desde esta perspectiva este trabajo es generalizable a cualquier modelo y fabricante. A partir de información entregada por el fabricante en sus manuales de operación, además de información recopilada en diversos papers, se estudia el método numérico a través del cual el relé obtiene los valores de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst). Este algoritmo se replica en una planilla de cálculo, en la que se limitan las variables de entrada, ya que se proyecta como herramienta de testeo, incluso en terreno por su sencillez. Se desarrolla entonces una planilla capaz de entregar valores de de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst), recibiendo como parámetro básicamente sólo la corriente de entrada al relé, es decir, la corriente de salida de los transformadores de corriente. De forma paralela al desarrollo descrito, se realizan pruebas de rutina al relé, con el auxilio de una maleta hexafásica, obteniendo una completa colección de registros entregados por el relé en las diversas situaciones planteadas. En particular se estudia los valores de de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst) entregados ante ingresos de corrientes equilibradas en condiciones de operación normal o estable, también en condiciones cercanas a la frontera de operación, y ante condiciones de falla. Se reportan también pruebas con ingresos monofásicos. De la comparación de los valores de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst) registrados en las pruebas descritas anteriormente, con los valores entregados por el algoritmo desarrollado en la planilla, se comprueba cuán ajustados son los resultados entregados por esta última, lo que permite utilizarla como herramienta de simulación o testeo. Se realiza finalmente trabajo en laboratorio, simulando las fallas más frecuentes en el comisionamiento y operación de relés diferenciales de transformadores de poder, proponiendo un protocolo de lectura e interpretación de los registros de corriente de operación y retención; y verificación del relé, con el apoyo de la planilla desarrollada durante este trabajo.

Doctor en Ingeniería Eléctrica / Las micro-redes están convirtiéndose en un componente clave de la red eléctrica futura, las cuales representan la combinación de tecnologías de información y comunicación, junto con fuentes de energía y cargas, en un sistema unificado y activo. Los beneficios de las micro-redes han promovido esfuerzos globales para expandir su penetración en los sistemas eléctricos. Sin embargo, todavía hay algunos desafíos relacionados con su diseño, control y operación. Uno de los problemas más importantes por resolver es el desarrollo de nuevos sistemas de protección, considerando que los esquemas convencionales, diseñados para flujos de potencia radiales, y con altas magnitudes de corrientes de falla, no funcionarán correctamente en este nuevo entorno. El uso de un adecuado sistema de protección es esencial para el funcionamiento seguro y confiable de la micro-red. La adopción de un sistema de protección adquiere mayor relevancia dada la presencia de fuentes de energía altamente variables, con cambios continuos en las condiciones de operación y topológicos. En este sentido, los enfoques de protección adaptativos están siendo considerados como una solución viable, ya que su función protectora cambia en función del comportamiento de la micro-red, satisfaciendo los requisitos de confiabilidad, selectividad, rapidez y sensibilidad. En esta tesis, se presenta un novedoso sistema de protección adaptativo para micro-redes. El esquema de protección se basa en funciones protectoras que incluyen diferentes elementos, operando de manera coordinada. Entre las principales contribuciones de la tesis se encuentra la conceptualización del problema de las fallas y anomalías en las micro-redes. Además, se destaca la forma en que se adaptan los parámetros de los dispositivos de protección, utilizando un enfoque de optimización robusta, resolviendo un conjunto finito de escenarios de falla. Los escenarios se generan en función de las predicciones sobre la energía disponible y demanda. Para cada paso de decisión, un problema de optimización robusta se resuelve en línea, basado en el pronóstico con una banda de confianza para representar la incertidumbre. Asimismo, el sistema de protección realiza un diagnóstico de las plantas fotovoltaicas, para detectar fallas y definir sus condiciones de operación. El sistema de protección fue probado y comparado utilizando datos reales de una micro-red existente en Chile. Los resultados obtenidos muestran que el dispositivo de protección propuesto fue capaz de despejar las fallas. Por ejemplo, en la configuración radial, la metodología propuesta eliminó el 100% de las fallas; mientras que una metodología alternativa lo hizo en el 92%. En la configuración de malla, la metodología propuesta despejó el 96% de las fallas; mientras que la alternativa lo hizo en un 75%. Asimismo, la metodología de detección de fallas de las plantas fotovoltaicas fue sensible a los cambios en las condiciones de operación. El modelo de celda fotovoltaica obtuvo un coeficiente de determinación de 0,992 para el voltaje, y 0,999 para la potencia, lo que significa que se logró un buen ajuste del modelo. Como trabajo futuro, se deberán abordar sistemáticamente los problemas de confiabilidad relacionados con fallas en el sistema de comunicación. Finalmente, se deberán considerar dentro de la metodología las acciones correctivas realizadas por los sistemas de gestión de carga, con el fin de mejorar el rendimiento del sistema de protección. / Este trabajo de tesis ha sido financiado por: Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica de Chile Universidad de Costa Rica

Ingeniero Civil Eléctrico / Las micro-redes son sistemas eléctricos que cada día adquieren mayor relevancia como solución al problema producción-distribución de energía eléctrica, entre otras cosas, por el fácil acceso a tecnologías de generación (paneles fotovoltaicos, mini-hidráulicas de pasada, turbinas de combustión, turbinas eólicas) y el avance e innovación que éstas presentan actualmente. Esto difiere del método habitual con que se resuelve la cuestión antes planteada, donde los centros de generación se encuentran emplazados en zonas lejanas a las cargas, para ubicarse ahora en cercanías de ella, usualmente en redes de media o baja tensión. Desde el punto de vista operacional, la presencia de generación en redes de distribución provoca un cambio en el sentido usual de los flujos de potencia, derivando en un funcionamiento incorrecto de los sistemas de protección convencionales, dado que sus esquemas quedan desajustados ante el nuevo escenario de operación. Este dilema representa un tema de investigación importante en ingeniería: desarrollar un sistema de protección dinámico capaz de adaptarse rápidamente a los cambios topológicos u operacionales que la red eléctrica presente. El trabajo de memoria realizado implementa un espacio para la Universidad de Chile destinado a la investigación y docencia de protecciones eléctricas adaptivas en media y baja tensión, dotando a la micro-red del laboratorio de Energías y Accionamiento del Departamento de Ingeniería Eléctrica con dispositivos electrónicos inteligentes para el monitoreo y control de la operación del modelo de red. Estos equipos son instalados y configurados de tal forma de comprobar su correcto funcionamiento. Esta tarea no aspira ser una referencia al momento de evaluar los dispositivos ni los fabricantes de los mismos. Al concluir este trabajo se consigue realizar medidas de variables eléctricas en cada una de las barras monitoreadas de la micro-red, siendo posible observarlas tanto en las pantallas de los equipos como en los software utilizados para su configuración y monitoreo. Empleando en los dispositivos funciones de sobre-corriente que actúen ante un escenario simulado de falla, se logra accionar de manera remota y automática los interruptores dispuestos a la llegada de las líneas de transmisión a cada barra permitiendo una reconfiguración de la micro-red, creando adicionalmente reportes que registran la operación anómala del sistema eléctrico.

El presente trabajo muestra la forma de generar un procedimiento para la implementación de enclavamientos en sistemas de Control & Protecciones de subestaciones eléctricas usando el protocolo de comunicación IEC 61850 y Mensajes GOOSE. El objetivo de esto es presentar un nuevo estándar en los sistemas de Control y Protecciones facilitando su implementación, disminuyendo costos de ingeniería y manteniendo su confiabilidad. En particular este procedimiento se implementa en el sistema de Control y Protecciones de la Subestación Principal Esperanza en 220 kV, perteneciente al Sistema Interconectado del Norte Grande. Se presenta un marco teórico de los tópicos relacionados con los Sistemas de Control y Protecciones, que incluye la filosofía de Control y Protecciones, una reseña de los IED, los sistemas de comunicaciones para subestaciones y el protocolo IEC 61850, de modo de contextualizar el funcionamiento de los sistemas. Además se describe el proyecto de la Subestación Principal Esperanza 220 kV. A continuación se detalla el procedimiento para implementar los enclavamientos de manera genérica, válida para cualquier aplicación. Se diseñan 2 aplicaciones para el sistema de Control y Protecciones de la Subestación Principal Esperanza. La primera aplicación consiste en crear un enclavamiento para controlar los movimientos de los equipos de patio, enviando la posición de uno de estos equipos por Mensajes GOOSE, lo cual reduce las interconexiones de cableado. La segunda aplicación consiste en dar un respaldo a la función de recierre automático, mostrando la factibilidad de crear aplicaciones no consideradas en la ingeniería inicial. Se presentan las simulaciones realizadas a las aplicaciones descritas. Con éstas se demuestra que las aplicaciones son confiables para reemplazar enclavamientos por hardware del sistema de Control y Protecciones. Adicionalmente se analiza el comportamiento de los Mensajes GOOSE verificando sus características y usos como herramienta de comunicaciones. Finalmente se detallan las ventajas y restricciones para el uso de Mensajes GOOSE en sistemas de Control y Protecciones. Se concluye que el uso del Protocolo IEC 61850 y Mensajes GOOSE es una herramienta innovadora que contribuye a la simplificación de los sistemas de Control y Protecciones, modifica su filosofía, y que, adicionalmente, su estandarización llevará a una mayor automatización de los Sistemas Eléctricos.

Ingeniero Civil Eléctrico / El avance en el desarrollo de tecnologías de GD ha permitido la introducción de pequeñas unidades de generación que aprovechan fuentes de energía convencionales y no convencionales a la red de baja tensión. Los beneficios que presenta la masificación de la GD desde el punto de vista medioambiental, social y técnico hacen que surja la necesidad de derribar las barreras que conlleva la incorporación de este tipo de tecnologías a la red de distribución. En ésta memoria es de particular interés el estudio de la convivencia entre la integración de GD y los sistemas de protección, teniendo como objetivo general formular una metodología que permita resolver la problemática asociada. Dicha metodología considera atributos como selectividad, sensibilidad, calidad de servicio y asimismo da cuenta de problemas como pérdida de coordinación y operación en isla, entre otros. Para validar la metodología se implementaron dos redes de estudio en el software DigSILENT Power Factory 15: un alimentador rural correspondiente al área típica 3 y uno urbano residencial perteneciente al área típica 1, provistos por Conafe y Chilectra respectivamente. Se integraron como tecnologías de generación PV y Cogeneración (CHP). Ante esto se analizó el escenario de demanda correspondiente al punto de mayor radiación para el caso de generación PV y de demanda valle para el caso de CHP. Por otro lado se implementaron dos esquemas de protección en cada una de las redes: fusibles y relés direccionales. La integración de generación fotovoltaica no produjo problemas en las redes protegidas por fusibles, incluso hasta con un 100% de penetración debido a su poco aporte al cortocircuito. Por otro lado, los generadores sincrónicos (CHP) produjeron que se perdiera sensibilidad y selectividad en ambos alimentadores. El esquema de relés direccionales respondió de manera sensible y selectiva ante la integración del 100% de ambas tecnologías dado el carácter programable de estos dispositivos. Sin embargo, lleva al sistema a formación de islas. El transitorio hacia este nuevo estado lleva a la red a estabilizarse en valores aceptables a partir del 60% de penetración en la red urbana y 80% en la red rural. Como trabajo futuro se propone la integración de generación eólica como GD con el fin de analizar el efecto en las protecciones de su aporte al cortocircuito. Desde el punto de vista de la formación de islas se propone realizar un análisis de esquemas de control de frecuencia y tensión y además evaluar esquemas de protección en la red aislada.