CALIDAD DE LA POTENCIA CALIDAD DE LA POTENCIA ÉÉELÉCTRICAELÉCTRICA

Centro Nacional de Metrología Miembro delMiembro del 

Comité Electrotécnico Mexicano ‐ IEC

René Carranza López PadillaNoviembre 2013

CONTENIDOCONTENIDO

1.INTRODUCCIÓN

2.METROLOGIA, NORMALIZACIÓN Y ÓACREDITACIÓN EN CALIDAD DE LA 

POTENCIA

3.RETOS EN LA MEDICIÓN DE CALIDAD DE LA POTENCIA

4.CONCLUSIONES

11 INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN11. INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN

DisturbiosDisturbios en elen el sistemasistema eléctricoeléctrico::DisturbiosDisturbios en el en el sistemasistema eléctricoeléctrico: : 

¿Calidad de la Potencia Eléctricao

Compatibilidad Electromagnética?

• Equipos• Sistemas electrotécnicosSistemas electrotécnicos• Tecnologías electrotécnicas, de la información• Normas, calibración y acreditación• Personas

Disturbios en el sistema eléctrico

1.Abatimiento (sag)( g)

2.Incremento (swell)

3 Corrimiento de frecuencia¿Condiciones

l d3.Corrimiento de frecuencia

4.Desbalance

normales de operación?

5.Interrupciones

6.Armónicos¿Transitorios?

7.Flicker

8.Estabilidad de sistemas (sincrofasores)

P                            128 km                             RFalla 3 fasesFalla 3 fases y liberada después de 200 ms 600  MVA 

400 kV

inicio de la falla

400  kV

“columpio” de potencia entre P y R

Forma de onda de tensión entensión en fase A en punto P

fin de la falla

Decremento exponencial de amplitud y frecuencia

inicio de la falla

fin de la falla

Reto mundial: Calidad Calidad de la Potencia Eléctricade la Potencia Eléctricade la Potencia Eléctricade la Potencia Eléctrica

Calidad de la Potencia en Área Amplia (digitalizadores sincronizados por GPS)

Pérdidas V2/R

Pérdidas en procesos

industrialesFlicker

(digitalizadores sincronizados por GPS)V /R

Calentamiento de neutro:

desbalance

Resonancia por armónicas

desbalance

Estudio reciente:

Pruebas de campo aI d i d l R d

En Europa, los costos relacionados con la Calidad de la Potencia son responsables de una seria reducción del desempeño industrial con un impacto económico que Pruebas de campo a 

Energías Renovables(CP y Eficiencia Energética)

Impedancia de la Red(mediciones de campo VS modelos de red)

industrial, con un impacto económico que excede € 150 000 millones/año

Redes Eléctricas Inteligentes y Calidad de laCalidad de la 

Energía

• Flujo bidireccional de• Flujo bidireccional de potencia

• Generación remota y local

• Control de Redes de Área Amplia (WANs)

• Fuentes fluctuantes de energía (eólicade energía (eólica, fotovoltaico)

• Carga no‐lineal y difícil de predecir

Red Eléctrica Red Eléctrica InteligenteInteligente

RETOS• Control DINÁMICO de 

redesredes• Calidad de la 

potencia en tiempo real

22. METROLOGÍA, NORMALIZACIÓN Y. METROLOGÍA, NORMALIZACIÓN Y22. METROLOGÍA, NORMALIZACIÓN Y . METROLOGÍA, NORMALIZACIÓN Y EVALUACIÓN DE LA CONFORMIDAD EN EVALUACIÓN DE LA CONFORMIDAD EN 

CALIDAD DE LA POTENCIACALIDAD DE LA POTENCIACALIDAD DE LA POTENCIACALIDAD DE LA POTENCIA

Documentos de referencia

IEC 61000‐4‐30 Métodos de medición e interpretación de resultados de medición de parámetros de calidad de la potencia

IEC 61000‐4‐7 Requerimientos de instrumentos para medir componentes espectrales en f i h t 9 kHfrecuencias hasta 9 kHz.

IEC 61000‐4‐15 Especificación funcional para medidores de percepción de parpadeo (flicker) para fluctuaciones de la forma de onda de lafluctuaciones de la forma de onda de la tensión

Parámetros de calidad de la potenciaSerie IEC 61000

Parámetros de calidad de la potencia Métodos de mediciónFrecuencia del sistema IEC 61000‐4‐30A lit d d l t ió d l i i t lé t i IEC 61000 4 30Amplitud de la tensión del suministro eléctrico IEC 61000‐4‐30Abatimiento (dip) o incremento (swell) IEC 61000‐4‐30Interrupciones de tensión IEC 61000 4 30Interrupciones de tensión IEC 61000‐4‐30Transitorios de tensión IEC 61000‐4‐30Desbalance de suministro de tensión IEC 61000‐4‐30Desbalance de suministro de tensión IEC 61000 4 30Señalización en el suministro de tensión IEC 61000‐4‐30 Cambios abruptos de tensión IEC 61000‐4‐30pDesviación por arriba/abajo IEC 61000‐4‐30Armónicas de tensión IEC 61000‐4‐7Inter armónicas de tensión (señal < 3 kHz) IEC 61000‐4‐7Parpadeo de la tensión (flicker) IEC 61000‐4‐15

IEC 61000 – 4 – 30: métodos de medición de calidad de la potenciade la potencia

• definición de condiciones de medición de los• definición de condiciones de medición de los parámetros de calidad

l bilid d d l di i i• asegurar la comparabilidad de las mediciones sin importar el instrumento utilizado ni las condiciones ambientales

• asegurar que el método de medición que utiliza un medidor mida el mensurando de interésmedidor, mida el mensurando de interés

• advierte sobre el efecto de los transductores de los did d lid d d l t imedidores de calidad de la potencia.

Abatimientos de tensión. (DIP) : reducción temporal de la tensión por arriba de un nivel determinado

Modelo matemático Forma de onda

100 0

150.0

200.0

tsenVtVtv ARMSA

profundidadUdin

histéresis

• Profundidad = porcentaje de UDIN o USR

• Residual Ures 0.0

50.0

100.0

residual

profundidad

• Nivel de disparo =UDIN o USR

• Histéresis = 2 % Udin -100.0

-50.0

0.0

• Medición básica = URMS (1/2)

• Evaluación: Ures y  duración -200.0

-150.0

t0 duración t1• Incertidumbre Ures < 0.2 Udin

t0 duración t1

Incremento de tensión (swell) : incremento temporal de la tensión arriba de un nivel determinado

Modelo matemático Forma de onda

200.0

250.0 tsenVtVtv ARMSA

• Altura = porcentaje de UDIN o USR

• Residual Ures100.0

150.0 máximo

Udin

histéresis

• Nivel de disparo= UDIN o USR

• Histéresis = 2 % Udint0t1-50.0

0.0

50.0

• Medición básica = URMS (1/2)

• Evaluación: UMAX y  duración

t1

-150.0

-100.0

• Incertidumbre USWELL < 0.2 Udin

-250.0

-200.0

t0 duración t1

Desbalance en el suministro de tensión

Método de Componentes Simétricasp

• convierte fasores desbalanceados (tensión o corriente), en tres conjuntos de secuencia de fase positiva (fsp), negativa (fsn) y cero (fsc)

• una secuencia desbalanceada es igual a la suma de fsp + fsn + fsc

VVa

Vc

Va1

Va2

Va0

120° 120°+ += Vb0c

Vc1 Vb1

120°

Vb2 Vc2

120°= Vb0

Vc0

Vb

Vb2 Vc2

Secuencia Secuencia Secuencia Tensiones en positiva

fsp

negativa fsn

cero fsc

desbalance iguales a la SUMA de:

Forma de Onda NRC05‐Canadá

Armónicas: • 1 a 49C dif t• Con diferentesamplitudes y fases

Referencia: resource.npl.co.uk/waveform/datafiles/nrc05.xml

Forma de Onda de Corriente IEC 61000‐3‐2 Clase A usada en NPL‐Inglaterra para servicio de calibraciónArmónicas: • 1 a 39• Con diferentes

amplitudes y fases

Referencia: resource.npl.co.uk/waveform/datafiles/nrc05.xml

Forma de Onda de Corriente en horno de arco eléctrico.eléctrico.Armónicas: • 1 a 9C dif t• Con diferentesamplitudes y fases igual a cero

Referencia: resource.npl.co.uk/waveform/datafiles/nrc05.xmlMcGranaghan M.F, Dugan R.C, King J.A and Jewel W. T. 1984 Distribution feeder harmonic study methodology. IEEE PAS_103, 1984

IEC 61000-4-15: Flicker

• Conexión-desconexión de carga en procesos industriales• Uso de dispositivos eléctricos de potencia en el suministro

IEC 61000 – 4 – 15 /2003 : técnicas de prueba y medición – Medidor de Flicker – especificaciones demedición Medidor de Flicker especificaciones de diseño y funcionalidad

• Flicker es causado por variaciones en las cargas. • Interés en variaciones de la amplitud de la carga.• El medidor de Flicker simula la percepción humana

de una lámpara incandescente

Metrología, Normalización y Evaluación de la Conformidad

Patrón de ReferenciaParámetros de Calidad de la 

Potencia Eléctrica

PatronesNacionalesCENAM

IEC 61000‐4‐30

Potencia EléctricaCENAM

ANCE, IEC 61000‐4‐7           IEC 61000‐4‐15

,NYCECFE

Laboratorios acreditados 

Calibración y PruebasCalibración y Pruebas

Instrumentos de mediciónmedición INDUSTRIA

Usuarios en general

33. RETOS EN LA MEDICIÓN DE LA. RETOS EN LA MEDICIÓN DE LA33. RETOS EN LA MEDICIÓN DE LA . RETOS EN LA MEDICIÓN DE LA CALIDAD DE LA POTENCIACALIDAD DE LA POTENCIA

Compatibilidad Electromagnética Baja Frecuencia

MAPA RUTA TECNOLÓGICA: Metrología de Redes Inteligentes de Energía

Patrón Nacional Calidad Energía

Realización experimental

Patrón Nacional Watt CuánticoTP + TC banda ancha

Medidores inteligentes 

Potencia y Energía en banda ancha

Medición Calidad de la Potencia en sitio en Transmisión

Energyharvesting

Margen reducido de carga (medición en sitio)

Sensores remotos; optimización de redes

Aplicación metrológica

Calibración medidores Calidad Potencia en campo

avanzadosConvertidores 

inteligentes de energía

Metrología Sincrofasores

Metrología para modelos inteligentes:Predicción de Contingencias en RIE

Metrología para semiconductores de

Electrónica avanzada:  inversores

g

Metrología de Alta Tensión Continua  (1.4 MVCC)

Calidad de la Potencia de Área Amplia; impedancia de la Red

Metrología para semiconductores de baja potencia; iluminación de estado 

sólido; pérdidas en materiales

Metrología Eléctrica CuánticaEf t J h Ef t H ll I d i P t i

Ciencia y l í

Metrología Eléctrica en Tiempo RealAnálisis Tiempo‐Frecuencia‐Amplitud

Nanometrología EléctricaS C it B t í

2014 2015 2018 2020                           2024

Efecto Josephson, Efecto Hall, Impedancia, PotenciaTransductores Tensión  y Corriente de Banda Ancha

Tecnología Super Capacitores y BateríasSuper conductores

Power Quality EMC compatibility of equipment (appliances meters network devices)

Energía Eléctrica 2013‐2018 (Inglaterra)

Q y(PQ)

EMC compatibility of equipment (appliances, meters, network devices)

Reactive power management

Wide area PQ measurements (field measurements)

PQ propagation in gridsGrid impedance

PQ mitigation toolsPQ intercomparisons

Metering EMC complianceMetering of complex signals (bad PQ, field measurements)Improved metrology‐grade non‐invasive sensors for on‐site 

measurementsMeasurement/regulation/testing for consumers' meters/networks

Legal metrologyLegal metrologyLinearity (low load performance, e.g. CTs)

Overall system accuracy (system validation, effects of interference)

Smart Meter calibration status monitoring / validationSmart Meter calibration status monitoring / validation

Metering supporting e‐mobility (cars, busses, trains)

Reducing losses Loss measurement in HV/MV grids (e.g. HCDC converters ‐ IBGTs, power transformers)

Energía Eléctrica 2013‐2018 (Inglaterra)

transformers)Power measurement of complex signals

Metrology for support of efficiency claims

Losses in power electronics / convertersSystem stability Reactive power management

Grid modelling/state estimation at MV/LV level (optimal sensor location)Grid modelling/state estimation at MV/LV level (optimal sensor location)

Distributed sensors, wide area monitoring (WAMPAC) in HV grids

Distributed sensors, wide area monitoring (WAMPAC) in MV/LV grids

Increase grid data availability for testing grid state estimation models

Protection schemes / controlled islanding

Real time control and balancing (po er meas rement rather than energ )Real‐time control and balancing (power measurement rather than energy)

Grid time stamped measurements and control

Synchrophasor (PMU) traceability infrastructure

Grid time and frequency traceability/infrastructure

Study / modeling of effects of links with other grids (e.g. interdependency with gas grids, heating, water)

Abril 2013: Sismo en Michoacán: caída de frecuenciaMedición de frecuencia CENAM

59.90

60.00

59.60

59.70

59.80

59.30

59.40

59.50

20:16:41 HRS DISPARO DE ( )

FRECUENCIA EN GUATEMALA

PETACALCO U‐ 1, 3, 5 y 6 (1375 MW)

20:16:44 HRSDISPARO DEL ENLACEMEX‐GUA CON ‐176 MW

20:23:06 HRSFREC. NOMINAL

FRECUENCIA EN CFE20:17:17 HRS 59.62 HZDISPARO MDP‐U2 CON 130 MW

20:17:08 HRS59.3 HZ OPERACIÓN DEL 

PRIMER PASO DE ESQUEMAS DE BAJA FRECUENCIA

4. CONCLUSIONES4. CONCLUSIONES4. CONCLUSIONES4. CONCLUSIONES

Calidad de la Potencia EléctricaCalidad de la Potencia Eléctrica

Cómo reaccionar ante un evento si:

No veo lo que pasa (transductor no adecuado)

No entiendo lo que está pasando (mediciones no coherentes con el modelo de la red eléctrica)

Ante el mismo fenómeno:

Actúo a tiempos distintos

Recibo información diferente

Calidad y CONFIABILIDAD y CONFIABILIDAD de la P t iPotencia

Un mismo parámetro de Calidad de la Potencia peroUn mismo parámetro de Calidad de la Potencia pero diferentes tecnologías de medición??

Trazabilidad a diferentes tecnologías de medición??

I fi i i d é i ??Insuficiencia de normas técnicas??

Insuficiencia de laboratorios de calibración yInsuficiencia de laboratorios de calibración y pruebas??

CALIDAD CALIDAD DE DE LA POTENCIALA POTENCIA

¿¿AsíAsí??

¿o así?

Gracias

rene.carranza@cenam.mx