Integración de dispositivos electrónicos inteligentes en Smart Grid

El sector eléctrico está experimentando cambios importantes tanto a nivel de gestión como a nivel de mercado. Una de las claves que están acelerando este cambio es la penetración cada vez mayor de los Sistemas de Generación Distribuida (DER), que están dando un mayor protagonismo al usuario a la hora de plantear la gestión del sistema eléctrico. La complejidad del escenario que se prevé en un futuro próximo, exige que los equipos de la red tenga la capacidad de interactuar en un sistema mucho más dinámico que en el presente, donde la interfaz de conexión deberá estar dotada de la inteligencia necesaria y capacidad de comunicación para que todo el sistema pueda ser gestionado en su conjunto de manera eficaz. En la actualidad estamos siendo testigos de la transición desde el modelo de sistema eléctrico tradicional hacia un nuevo sistema, activo e inteligente, que se conoce como Smart Grid. En esta tesis se presenta el estudio de un Dispositivo Electrónico Inteligente (IED) orientado a aportar soluciones para las necesidades que la evolución del sistema eléctrico requiere, que sea capaz de integrase en el equipamiento actual y futuro de la red, aportando funcionalidades y por tanto valor añadido a estos sistemas. Para situar las necesidades de estos IED se ha llevado a cabo un amplio estudio de antecedentes, comenzando por analizar la evolución histórica de estos sistemas, las características de la interconexión eléctrica que han de controlar, las diversas funciones y soluciones que deben aportar, llegando finalmente a una revisión del estado del arte actual. Dentro de estos antecedentes, también se lleva a cabo una revisión normativa, a nivel internacional y nacional, necesaria para situarse desde el punto de vista de los distintos requerimientos que deben cumplir estos dispositivos. A continuación se exponen las especificaciones y consideraciones necesarias para su diseño, así como su arquitectura multifuncional. En este punto del trabajo, se proponen algunos enfoques originales en el diseño, relacionados con la arquitectura del IED y cómo deben sincronizarse los datos, dependiendo de la naturaleza de los eventos y las distintas funcionalidades. El desarrollo del sistema continua con el diseño de los diferentes subsistemas que lo componen, donde se presentan algunos algoritmos novedosos, como el enfoque del sistema anti-islanding con detección múltiple ponderada. Diseñada la arquitectura y funciones del IED, se expone el desarrollo de un prototipo basado en una plataforma hardware. Para ello se analizan los requisitos necesarios que debe tener, y se justifica la elección de una plataforma embebida de altas prestaciones que incluye un procesador y una FPGA. El prototipo desarrollado se somete a un protocolo de pruebas de Clase A, según las normas IEC 61000-4-30 e IEC 62586-2, para comprobar la monitorización de parámetros. También se presentan diversas pruebas en las que se han estimado los retardos implicados en los algoritmos relacionados con las protecciones. Finalmente se comenta un escenario de prueba real, dentro del contexto de un proyecto del Plan Nacional de Investigación, donde este prototipo ha sido integrado en un inversor dotándole de la inteligencia necesaria para un futuro contexto Smart Grid.

The electricity sector is undergoing major changes both at management level as at the level of the market. One of the keys that are accelerating this change is the increasing penetration of Distributed Energy Resources (DER), which is giving greater prominence to the distribution areas when considering the management of the electricity system. The complexity of the scenario that is expected in the near future requires that grid equipment will have the ability to interact in a much more dynamic system than in the present, where the connection interface must be equipped with the necessary intelligence and communication capability so that the entire system can be managed as a whole effectively. Today we are witnessing the transition from the traditional model of power system to a new system, active and intelligent, known as Smart Grid. This thesis deals with the study of an Intelligent Electronic Device (IED), which is oriented to providing solutions for the needs that the evolution of the electricity system requires. This IED is able to integrate into the current and future grid equipment, providing functionality and therefore added value to these systems. To locate the needs of these electronics devices, an extensive study of backgrounds has been conducted, beginning with analyzing the historical evolution of these systems, the characteristics of the electrical interconnection that these systems have to control, the various functions and solutions to be provided, finally arriving to a review of the current state of art. Within this background, also it carried out a regulatory review, at international and national level, needed to understand the point of view of the different requirements to be complied by these devices. Then the specifications and considerations for the design of this IED and its multifunctional architecture are discussed. At this point of work some original approaches in design are proposed, these are related to the functional architecture of IED and the way of how the data should be synchronized, depending on the nature of events and different functions. The development of the device follows with the design of the various subsystems. Some novel algorithms are presented here, as the approach of anti-islanding system based on multiple weighted methods detection. Once the architecture and functions of the IED have been designed, the development of a prototype based on a hardware platform is discussed. For this purpose, the needed requirements are analyzed, and the choice of a high-performance embedded platform that includes a processor and an FPGA is justified. A Class A testing protocol applies to the prototype developed to test the monitoring parameters, according to the IEC 61000-4-30 and IEC 62586-2 standards. Also various tests to estimate the delays involved in protection algorithms are presented. Finally a real test scenario is discussed. This was carried out within the context of a project of the National Research Plan, where this prototype has been integrated into an inverter providing it with the necessary intelligence for a future Smart Grid context.