Articulo deslastre de carga cidet

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Metodología para definir un esquema de deslastre de Carga por Frecuencia empleando
el Módulo de Estabilidad Transitoria del software ETAP
En el presente artículo se presenta una metodología para la definición
de un esquema de deslastre de carga por frecuencia a través del análisis
del comportamiento transitorio del sistema eléctrico, con el fin de determinar
los ajustes de los relés de frecuencia asociados al esquema de deslastre de carga,
para diferentes eventos de sobrecarga posibles. Las simulaciones se realizaron
utilizando el módulo de estabilidad transitoria del software etap.
Palabras clave: Deslastre, estabilidad, Etap, frecuencia, protecciones
Key words: Shedding, stability, Etap, frequency, protections
This paper presents a methodology for the definition of a scheme of frequency load shedding through the
analysis of power system transient behavior, in order to determine the relay settings associated frequency
load shedding scheme, for different possible overload events. The simulations were performed using the
transient stability module etap software.
Introducción
El desbalance entre la generación y la carga se presen-
ta cuando ocurre la pérdida de unidades de generación,
la pérdida de un enlace importante entre zonas del sis-
tema eléctrico o la salida de una carga considerable;
ésta condición de desbalance, generalmente se supera
con un esquema adecuado de deslastre de carga.
Conceptos básicos
El objetivo principal de un esquema de deslastre de
carga, es evitar que el desbalance generación-carga
produzca un colapso del sistema eléctrico lo cual
representaría depresiones considerables de frecuen-
cia que pueden originar pérdida de estabilidad en el
sistema, resonancia mecánica en las turbinas de los
generadores y apagón parcial o total de la planta.
El valor mínimo de frecuencia que alcanza el sistema
depende de diversos factores, tales como la inercia de
los conjuntos generador-turbina, frecuencia de operación
antes del evento, nivel de sobrecarga y la respuesta de
los controles (AVR y GOV) de los generadores.
Cuando cae la frecuencia del sistema, los gober-
nadores de los generadores actúan de tal forma que
permiten aumentar el flujo de vapor de la turbina con
el fin de incrementar la potencia, hasta lograr alcan-
zar nuevamente la frecuencia normal de operación o
hasta llegar al nivel máximo de potencia la turbina. Por
este motivo cuando el desbalance de potencia activa
es superior a la reserva rodante, se debe deslastrar
esa diferencia de carga, ya que los generadores
nunca estarían en capacidad de suministrar esa so-
brecarga, lo que conllevaría a un colapso del sistema
eléctrico.
Por otra parte, aún con capacidad rodante suficiente,
si la velocidad de respuesta de los gobernadores es
lenta comparada con la variación de caída de la fre-
cuencia (df/dt), es necesario deslastrar carga adi-
cional para evitar que la frecuencia llegue a niveles
bajos, con los problemas que esta situación origina.
En el momento de presentarse la desconexión de
un enlace de sincronismo, se forman islas eléctricas
y es factible que una de ellas quede con exceso de
generación y otra con déficit de generación.

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Cuando se presenta una pérdida de generación total
o parcial del sistema, los efectos más evidentes son las
caídas de tensión y de frecuencia. Sin embargo, dado
que las caídas de voltaje son también consecuencias
de fallas, es generalmente reconocido que la frecuen-
cia es el indicador más confiable para alertar sobre
una pérdida de generación.
Descripción
del sistema eléctrico
LaFigura1presentaundiagramaunifilaresquemático
del sistema eléctrico bajo estudio. Este sistema en
particular tiene 3 unidades de generación. El nivel de
tensión de 34.5kV se interconecta con 13.2kV a través
de dos transformadores de potencia TR-01 y TR-02.
Para este caso en particular, la topología normal
de operación es la siguiente: los interruptores CB3,
CB11 y CB10 se encuentran cerrados, al igual que
los interruptores CB2 y CB14 y el interruptor asociado
al acople entre las barras A y B se encuentra abierto
(TieCB). Las unidades de generación GenA, GenB y
GenC se encuentran en operación.
Fig. 1. Sistema Eléctrico bajo Estudio

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Metodología para definir un esquema de deslastre de Carga por Frecuencia empleando
el Módulo de Estabilidad Transitoria del software ETAP
Metodología
En el momento de formular un esquema de deslastre
de carga por frecuencia, es necesario tener en cuenta
aspectos como la sobrecarga prevista en el sistema,
la localización y cantidad de relés de frecuencia, el
número de etapas para el deslastre de carga, las
cargas que se pueden deslastrar (definición de cargas
esenciales), el tiempo entre etapas de deslastre y los
ajustes a recomendar.
Para el sistema bajo estudio de la figura 1 se ha
definido la importancia de las cargas en niveles, don-
de las cargas más importantes o esenciales son las
de nivel 1 que serían las últimas en salir del sistema
y las cargas secundarias que serían las primeras en
ser desconectadas.
El orden en que se deberían desconectar las
cargas para que la frecuencia vuelva a su nivel de
operación admisible y no se presente un colapso del
sistema eléctrico debido a una sobrecarga de los
generadores, se presenta en la Tabla 1.
TABLA I
Orden de Apertura de las Cargas a Deslastrar
Según su Importancia
Para iniciar el proceso de cálculo que permite
obtener la mínima carga a deslastrar, se determina
la diferencia en valor absoluto entre la generación
máxima confiable de los generadores en operación,
menos la carga existente antes del deslastre. En la
Tabla II se resumen la potencia máxima disponible de
cada generador y la potencia que dejaría de aportar
al sistema en caso de ser desconectado.
TABLA II
Aportes de Potencia de los Diferentes Elementos
Para garantizar selectividad entre las etapas del
esquema de deslastre de carga, es decir que una
etapa no opere innecesariamente, se utiliza un
margen en los valores de frecuencia, el cual es de
aproximadamente 0,1 Hz. El uso de este decalaje
es necesario para tener en cuenta factores que
ocasionan que la frecuencia caiga un poco más de lo
esperado; entre estos factores tenemos la precisión
de cálculo, sobrecargas mayores a las esperadas,
tiempos de apertura de interruptores superiores al
esperado, etc.
Cada etapa del esquema de deslastre de carga
representa un ajuste de frecuencia y un valor de
carga a deslastrar. El valor de ajuste de frecuencia
de la primera etapa de deslastre se selecciona por
debajo del valor mínimo de frecuencia tolerable en
régimen permanente y el valor de carga a deslastrar
se selecciona de tal forma que al alcanzar la
frecuencia de ajuste de la primera etapa de deslastre,
se restablezca el equilibrio generación-carga.
En el momento que el relé de frecuencia envía la
señal de disparo a las cargas a deslastrar, el deslastre
de carga se hace efectivo un tiempo después, tenien-
do en cuenta el retardo en el envío de la señal y el
tiempo de apertura de los interruptores de las cargas
a deslastrar, estos tiempos son de aproximadamente
de 33 ms y 83,33 ms respectivamente. Por lo ante-
rior, la señal de frecuencia continúa cayendo hasta
alcanzar un valor mínimo (f1o) y en el momento en
que se realiza efectivamente el disparo, la frecuencia
comienza a recuperarse hasta alcanzar una frecuen-
cia de operación tolerable en régimen permanente.
El ajuste para la segunda etapa de deslastre se
toma en al menos 0,1 Hz por debajo de f1o y el valor
Orden Carga
Nombre
de Relé
Potencia
[kw]
1ro
Cargas
secundarias
FR2 ; FR7 1.570
2do
Cargas Primaria
Nivel 4
FR6 1.900
2ro
Cargas Primaria
Nivel 3
FR5 1.818
4to
Cargas Primaria
Nivel 2
FR1 2.720
5to
Cargas Primaria
Nivel 1
FR3 2.535
Elemento
Potencia máxima
instalada
[kw]
Potencia
demandada
[kw]
GenA 4.500 3.800
GenB 3.000 2.700
GenC 5.000 4.110
Carga total 12.500 10.610

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de carga a deslastrar se selecciona de tal forma que al
alcanzar la frecuencia de ajuste de la segunda etapa de
deslastre, se restablezca el equilibrio generación-carga.
El ajuste para la tercera etapa de deslastre se toma
en al menos 0,1 Hz por debajo de f2o (frecuencia
mínima alcanzada con la segunda etapa de deslastre).
El proceso es iterativo y continua hasta ajustar la úl-
tima etapa del esquema de deslastre de carga.
En particular, para el sistema eléctrico bajo estudio,
se tendrán en cuenta tres posibles eventos que se
especifican en la siguiente tabla. Estos eventos se
han ordenado considerando el déficit de generación
de menor a mayor, ya que los ajustes por baja fre-
cuencia y las etapas de deslastre deben considerar
este orden. Este déficit proporciona una cantidad de
carga estimada que se debe deslastrar del sistema
para recuperar la estabilidad.
TABLA III
Eventos considerados para el deslastre de carga
Se considera para el ajuste del primer relé de ba-
ja-frecuencia un valor de 59,2 Hz; para determinar la
mejor combinación y cantidad de carga que se debe
deslastrar, es requerido un proceso de ensayo y error a
través del software etap hasta que sea suficiente para
estabilizar el sistema en una frecuencia aceptable.
En la figura 2 se muestra el comportamiento de
la frecuencia del sistema en caso de pérdida del
generador “GenB” (Evento 1) sin deslastrar carga
alguna (curva en color azul) y deslastrando sólo las
cargas secundarias (curva en color rojo) con un total
de carga desconectada de 1.570 kW.
Fig. 2. Estudio de Estabilidad Transitoria
del Software ETAP - Evento 1.
Para determinar el ajuste de frecuencia de la segun-
da etapa, se determina gráficamente el valor mínimo
de frecuencia alcanzado empleando la primera etapa
de deslastre y se resta el margen de 0,1 Hz, es decir
que el valor de ajuste de la segunda etapa es de 58,6
Hz. Para determinar la cantidad de carga a deslastrar
en el Evento 2 (desconexión del generador “GenA”) se
debe tener en cuenta un déficit de 3,8 MW.
Fig. 3. Estudio de Estabilidad Transitoria
del Software ETAP - Evento 2.
La necesidad de deslastrar carga adicional a la
determinada en la primera etapa, se evidencia en la
figura 3, donde se muestra en color azul el compor-
tamiento de la frecuencia en caso de ser deslastradas
únicamente las cargas secundarias definidas en la
primera etapa y en color rojo cuando se deslastran
adicionalmente las cargas primarias de nivel 4.
El ajuste del relé de frecuencia para la tercera etapa
se calcula de forma similar que en la segunda, es
decir que el valor de ajuste de la segunda etapa es de
58,0 Hz y la potencia a deslastrar se obtiene buscando
a través de simulaciones de estabilidad transitoria el
balance generación-carga considerando para este
evento un déficit de generación de 7,91 MW.
Evento
Capacidad
disponible
[MW]
Generadores
en Línea
Déficit
[MW]
1 9,5 GenA y GenC 2,70
2 8 GenB y GenC 3,80
3 3 GenB 7,91

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Metodología para definir un esquema de deslastre de Carga por Frecuencia empleando
el Módulo de Estabilidad Transitoria del software ETAP
Fig. 4. Estudio de Estabilidad Transitoria
del Software ETAP - Evento 3
En la figura 4 se muestra el comportamiento de la
frecuencia en caso de la salida de los generadores
GenA y GenC. En color azul se presenta la respuesta
de la frecuencia sin considerar la tercera etapa de
deslastre y en color rojo cuando opera ésta etapa.
El esquema de deslastre de carga definido por
la metodología planteada con el fin de evitar el
colapso del sistema ante los eventos previamente
mencionados se presenta en la Tabla IV.
Etapa
Generadores
en Linea
Capacidad
Disponible
[MW]
Relés
Frecuancia
Ajuste de
Frecuancia
[Hz]
Retardo(s)
Carga
Deslastrada
[MW]
Déficit de
generación
[MW]
1 GenA - GenC 9,5 FR7; FR2 59,2 0,116 1,57 2,7
2 GenB - GenC 8,0 FR6 58,6 0,116 3,47 3,8
3 GenB 3,0 FR5; FR1 58,0 0,116 8,00 7,91
TABLA IV
Esquema de deslastre de carga.
Conclusiones
§ Se plantea una metodología eficaz para realizar
un deslastre de carga por frecuencia con el
fin de devolver el equilibrio generación-carga
al sistema eléctrico realizando el ajuste de
relés de frecuencia.
§ Para aplicar la metodología propuesta, es
necesario conocer el comportamiento de la
frecuencia en el tiempo durante todo el pro-
ceso, para esto, se recomienda el uso de un
software especializado como el ETAP.
§ El porcentaje de carga a deslastrar en la
primera etapa debe ser del mismo orden de
magnitud que la perturbación mínima con-
tra la cual se desea proteger el sistema.
§ El número de etapas de deslastre efectiva-
mente utilizadas depende de la magnitud
de la perturbación que se presente en el sis-
tema eléctrico.
§ De los resultados obtenidos, se observa que
el esquema de deslastre de carga por fre-
cuencia opera adecuadamente para las eta-
pas de operación del sistema eléctrico.
§ Cuando un generador se desconecta, o
se pierde un importante porcentaje de
la generación, la frecuencia del sistema
disminuye muy rápidamente y se pueden
alcanzar valores muy bajos si no se deslastra
una parte de la carga. Por otra parte, es
preciso resaltar que la reserva rodante
puede no ser suficiente para compensar la
generación perdida.

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Referencias
IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems
1973, “ IEEE Committee Report. Dynamic Models for
Steam and Hydroturbines in Power System Studies,”
IEEE Trans. Power Delivery, Vol. PAS-92. pp 1904-1915.
December.
R. M. Maliszewsky. R. D. Dunlo p. G. L. Wilson,
Frequency Actuated Load Shedding and Restoration
Part 1- Philosophy, IEEE Transaction Power Apparatus
and Systems, Vol. PAS-90. pp. 1452-1459. Nº 4, 1971.
P. Kundur, Power System Stability and Control, Mc
Graw-Hill, 1994.
M. S. Baldwin and H. S. Schenkel, “Determination of
frequency decay rates during periods of generation
deficiency,” IEEE Transactions on Power Apparatus
and Systems, vol. PAS-95, pp. 26-36, 1976.
Reseña Autores
Andrés Mauricio Vergara Arroyo
Ingeniero Electricista de la Universidad del Valle,
Ingeniero de estudios y soporte técnico ETAP PTI S.A.
Cali, Colombia.
andres.vergara@pti-sa.com.co
vergara0726@hotmail.com
Ricardo Artunduaga Gómez
Ingeniero Electricista de la Universidad del Valle,
Especialista en Sistemas de Transmisión y Distri-
bución de Energía Eléctrica. Cali, Colombia, Jefe del
Departamento de Estudios en Sistemas de Potencia
en PTI S.A.
ricardo.artunduaga@pti-sa.com.co
ricardo. artunduaga@gmail.com