Diseño e implementación de una red de distribución activa en un simulador en tiempo real OPAL-RT 4510

Abstract

El estudio presenta el diseño, desarrollo e implementación de una red de distribución activa trifásica y desbalanceada en una plataforma de simulación en tiempo real (RTS, Real-Time Simulation), utilizando el hardware OPAL-RT 4510. Para operar ante transitorios electromagnéticos (EMT, Electromagnetic Transients), se integró una arquitectura jerárquica orientada a la inyección de perfiles dinámicos de demanda y generación renovable variable. La plataforma opera mediante una componente base en baja resolución que estima trayectorias semanales cada 5 minutos utilizando modelos de regresión lineal con errores autorregresivos, y una componente estocástica de alta resolución que incrementa el muestreo intra-minuto a pasos fijos de 1 segundo. El modelo estocástico de demanda implementa un proceso de difusión gobernado por el movimiento browniano, calibrado mediante funciones de desviación estándar analizadas por el NREL. Para la generación fotovoltaica, se adaptó el algoritmo de conmutación de regímenes de nubes SoDa a partir de datos de unidades de adquisición fasorial (PMU, Phasor Measurement Units), reproduciendo transitorios por atenuación directa e incrementos asociados al efecto de borde de nube. El generador estocástico eólico sintetiza perfiles de velocidad del viento a 1 segundo mediante filtros racionales de Kaimal y de admitancia rotacional, incorporando cizalladura y sombra de la torre. Este perfil alimenta el modelo gaussiano de estela de Bastankhah, acoplado a un proceso de Gauss-Markov de primer orden (FOGM, First-Order Gauss-Markov), para modelar la dirección del viento y calcular la potencia activa neta de la planta. La interfaz física con el entorno de simulación utiliza lazos de seguimiento de fase (PLL) para extraer el vector de tensión fundamental y construir referencias de corriente de secuencia positiva mediante transformaciones síncronas en los ejes d y q. El modelo de demanda aproxima el comportamiento dinámico mediante una carga resistivo-inductiva (RL) variable equivalente, inyectada(...).

This study presents the design, development, and implementation of a three-phase unbalanced active distribution network on a real-time simulation (RTS) platform using the OPAL-RT 4510 hardware. A hierarchical software architecture was integrated to inject dynamic profiles of variable renewable generation and demand under electromagnetic transients (EMT). The platform operates through a low-resolution base component that estimates weekly trajectories every 5 minutes using linear regression models with autoregressive errors, together with a high-resolution stochastic component that increases intra-minute sampling to fixed 1-second steps. The stochastic demand model implements a diffusion process governed by Brownian motion (Wiener process), calibrated using analytical standard deviation functions analyzed by NREL. For photovoltaic generation, the SoDa cloud-regime switching algorithm was adapted using data from phasor measurement units (PMU), reproducing transient behaviors caused by direct attenuation and rapid increases associated with the cloud-edge effect. The wind stochastic generator synthesizes 1-second wind speed profiles using Kaimal rational filters and rotational admittance filters, incorporating wind shear and tower shadow. This profile feeds a simplified Bastankhah Gaussian wake model coupled with a first-order Gauss-Markov (FOGM) process to model wind direction and calculate the net active power injected by the plant. The physical interface with the EMT environment relies on phase-locked loops (PLL), which extract the fundamental voltage phase vector to construct positive-sequence current references in single-phase or three-phase configurations using synchronous reference frame transformations on the d and q axes. The demand model processes these variables to approximate dynamic behavior through an equivalent variable resistive-inductive (RL) load injected(...).