diseño de herramientas didácticas

Herramienta de simulación, análisis y visualización de perturbaciones en sistemas eléctricos por Juan Serrano, Gustavo Baron, Gabriel Vento y Miguel Gil

Resumen El objetivo general de este trabajo es presentar el diseño, desarrollo e implementación de una herramienta educacional de simulación, análisis y visualización de perturbaciones en sistemas eléctricos. La herramienta se utilizará con fines de enseñanza y análisis de funcionamiento en asignaturas de la carrera de Ingeniería Eléctrica y en cursos de perfeccionamiento que se imparten en el Instituto de Energía Eléctrica de la Universidad Nacional de San Juan. Mediante la utilización de tecnologías informáticas se implementa un modelo general de red de suministro eléctrico, donde las cargas pueden ser configuradas y operadas desde una interfaz de comando que permite seleccionar el escenario de operación. Los distintos escenarios posibilitan el análisis del sistema en funcionamiento normal con cargas convencionales, sin perturbación, y en estado perturbado con cargas de distinto tipo. Se han desarrollado un conjunto de medidores y visualizadores que se conectan en puntos de interés del sistema modelado, permitiendo observar, tanto la forma de onda de la tensión y de la corriente en un punto, como valores y la evolución de parámetros que caracterizan la calidad de producto técnico eléctrico de suministro. Se describen los criterios seguidos para el desarrollo de la herramienta implementada, las características de los modelos de cargas perturbadoras y las herramientas de medición y visualización. Abstract The aim of this work is to design, develop and implement a didactic tool for the simulation, analysis and visualization of electric systems disturbances. This tool is to be used for pedagodical ends and for functioning analysis in subjects of the Electric Engineer career as well as in those proficiency courses given at the Instituto de Energía Eléctrica of the Universidad Nacional de San Juan. A model of electric supply network is implemented through the use of digital technologies in which those loads that are connected to it can be configured and operated from a command interface selecting different operation scenarios. These scenarios allow analyzing the system in normal condition with conventional loads (without disturbances) and in excited state by different types of disturbing loads. A set of measuring devices connected at points of interest of the modeled system are developed in order to observe not only the wave form of the voltage and current at a certain point but also the values and evolution of parameters which characterize the technical quality of the electric supply. The description of the criteria followed in the development of the implemented tool, the characteristics of disturbing loads and measuring and visualizing tools are included in this work.

Los autores son docentes de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de San Juan e integrantes del Instituto de Energía Eléctrica de la misma universidad. Integran el equipo de trabajo del Proyecto de Investigación “Tecnologías informáticas aplicadas al desarrollo de nuevos medios de enseñanza de la Ingeniería Eléctrica”. Dirección de contacto:

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desarrollo de experiencias didácticas 1. Introducción Los problemas relacionados con fenómenos perturbadores en sistemas eléctricos presentan gran importancia actualmente, en especial en sistemas de distribución concesionados en distintas provincias de la República Argentina. Esto está relacionado a que organismos reguladores encargados del control de las empresas distribuidoras, monitorean la calidad de producto técnico eléctrico, y mediante la reglamentación vigente aplican sanciones económicas a las empresas, ante situaciones de suministro deficiente a los usuarios. La calidad del suministro en un sistema depende de distintos fenómenos perturbadores que afectan la forma de onda de tensión en el punto de acoplamiento del usuario a la red. Estas perturbaciones pueden ocurrir por problemas asociados a la propia red de suministro o a las instalaciones del usuario. En la reglamentación de aplicación nacional, las perturbaciones indicativas de la «calidad de producto técnico» controladas por entes reguladores mediante mediciones en diferentes puntos del sistema, se relacionan con «nivel de tensión», «armónicos» y «flicker». Cada una de ellas se puede cuantificar por un parámetro que las caracteriza y son medidas mediante equipamientos estandarizados adecuados. Los resultados de las mediciones son comparados con niveles de referencia adoptados de normativas internacionales que garantizan la compatibilidad electromagnética en el sistema eléctrico [Resolución 184 ENRE, 2000]. Por otra parte en distintas asignaturas de la carrera Ingeniería Eléctrica, se imparten conocimientos que incluyen el análisis de funcionamiento del sistema eléctrico ante perturbaciones en la red. Un caso especial es la asignatura «Electrónica de Potencia», en la que se estudia la contaminación de armónicos producida por la conexión al sistema de convertidores de potencia que utilizan semiconductores [Mohan, 1995], [Rashid, 1995]. Dado la importancia actual de esta temática y la necesidad de formar profesionales con conocimientos en el área, se propuso implementar una herramienta educacional de modelación y simulación de un sistema eléctrico básico, que incluya cargas que introduzcan perturbaciones típicas y elementos de cuantificación y visualización de las variables de interés. En el desarrollo de los componentes del sistema eléctrico y fuentes perturbadoras se utilizaron los modelos disponibles en el Power Systems Blockset [Mathworks, 2000c], y modelos de usuario desarrollados por ayudantes de cátedra integrados con bloques de cálculo matemático y de control existentes en el software MatLab/ Simulink [Mathworks, 2000a, b]. Para la simulación de las cargas perturbadoras se tuvieron en cuenta las características de su comportamiento no lineal entre la tensión y la corriente. Para el análisis y evaluación del grado de perturbación, se desarrollaron funciones para la, visualización, graficación y evaluación de índices, utilizados en las normativas internacionales relacionados con la calidad de suministro de energía eléctrica. 2. Criterios de diseño El aspecto principal tenido en cuenta para el diseño de esta herramienta es la disponibilidad y experiencia en el uso del software de modelación y simulación MatLab-Simulink. En base a este software, se consideró concebir una herramienta interactiva cuya utilización sea simple, y permita modelar distintos escenarios de funcionamiento del sistema, sin consumir tiempos excesivos de simulación y cálculo. Este aspecto es contemplado con el objetivo de que la herramienta pueda ser utilizada en computadores con limitada o poca capacidad de cálculo. Los criterios generales se enfocaron en desarrollar un ambiente de trabajo ami-

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desarrollo de experiencias didácticas gable, que permita exponer los complicados conceptos asociados a la temática de calidad de suministro de una manera simple y fácil de comprender. La motivación surge en la necesidad planteada en el dictado de las asignaturas y cursos de especialización para explicar en un tiempo limitado un volumen de conocimientos importantes y de relativa complejidad. Para el ambiente gráfico de simulación el criterio adoptado fue el desarrollo de un esquema eléctrico sencillo que involucre la utilización de sus distintos elementos (generadores, transformadores, líneas de transmisión, componentes pasivos, convertidores de potencia, motores, dispositivos de medición, etc.), con la posibilidad de configurar, ejecutar y analizar rápidamente distintos escenarios de análisis de funcionamiento. 3. Implementacion de la herramienta El ambiente principal de trabajo se compone básicamente de una interfaz gráfica que permite determinar el escenario deseado y controlar los aspectos de la simulación. La figura 1 siguiente presenta dicha interfaz.

Figura 1. Interfaz gráfica principal

La grafica unifilar mostrada es sólo una máscara para un modelo de un sistema eléctrico implementado en ambiente Simulink, que se ejecuta en un segundo plano y es transparente al usuario. La interfaz está desarrollada utilizando la herramienta «GUIDE» de Matlab mientras que los gráficos y símbolos del sistema eléctrico fueron diseñados mediante Autocad. La herramienta de Matlab utilizada es un ambiente de diseño gráfico que permite manipular objetos en forma interactiva. El usuario se relaciona con esta máscara a través de comandos y escenarios desarrollados con la finalidad de observar diferentes perturbaciones que se presentan en el sistema simulado. Los detalles de estos comandos y escenarios se describen a continuación. 3.1. Máscara general En la máscara general se puede observar un sistema eléctrico del tipo radial, conformado por componentes típicos en una red como son: generador, transformador elevador, líneas de transporte y de distribución, transformadores de reducción, cargas lineales, cargas perturbadoras y elementos de medición. Como se menciona anteriormente, estos componentes son implementados a partir de los modelos de la librería Power System Blockset de Simulink.

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desarrollo de experiencias didácticas En la parte inferior de la ventana se dispone de botones y menús de comandos que permiten seleccionar diferentes aspectos de la modelación, tales como el escenario deseado, el tiempo de simulación, inicio /pausa de simulación y la ayuda correspondiente. 3.2. Escenarios de simulación Los escenarios son estados de funcionamiento del sistema en los cuales, a partir de una situación normal, se producen o suceden eventos o perturbaciones. Los diferentes escenarios son seleccionados a través de un menú desplegable, de cuya lista se puede elegir uno de entre una serie predefinida, lo que brinda la posibilidad de que el usuario personalice el caso a analizar. La personalización radica en la selección de las cargas a conectar, tiempos de inserción y operación, nivel perturbador, etc. Entre los escenarios predefinidos se encuentran los siguientes. • • • • • • •

Carga Lineal Carga armónica Cancelación armónica Sistema en falla Fluctuación flicker Fluctuación tipo A Arranque motor

Estos escenarios presentan los eventos perturbadores con mayor probabilidad de ocurrencia en una red eléctrica, y permiten observar el impacto de estas en el resto del sistema. De la misma manera la personalización habilita al alumno a ensayar otros eventos o una combinación de estos. Al seleccionar un escenario determinado aparecen marcas o tildes en la esquina inferior izquierda de determinadas cargas, que indican la participación de éstas en la simulación con tiempos de actuación predefinidos y ajustables por el usuario. Mediante la acción del ratón sobre cada carga pueden observarse los parámetros que la identifican y el instante de inserción de la misma.

Figura 2. Simulación en ejecución.

Para el caso de un escenario personalizado, se pueden elegir manualmente las cargas de interés ajustando sus parámetros y el tiempo de inserción de cada una de

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desarrollo de experiencias didácticas ellas a través de máscaras o interfaces especialmente desarrolladas, de uso amigable y fácil utilización. 3.3. Modelos de Cargas Perturbadoras En la figura 2 se observa que el sistema se compone de cargas perturbadoras y otras de características lineales modeladas en base a la combinación en serie y en paralelo de componentes R-L-C; estas permanecen conectadas a la red en todo momento y bajo cualquier escenario, mientras que las primeras son configuradas según se menciona anteriormente. El diseño de las cargas perturbadoras incorpora modelos de desarrollo propio para cada una de ellas y ventanas de diálogo a modo de mascaras. Un ejemplo de esto es el modelo presentado en la figura 3 para el caso de una carga que inyecta una corriente distorsionada a la red mediante la adición de armónicas de 3º y 5º orden.

Figura 3. Esquema Carga No Lineal (Inyección de Armónicos).

El modelo no puede ser accedido por el usuario en forma directa, sino a través de la máscara asociada que puede observarse en figura 4. Para cada una de las cargas se define un conjunto de características por defecto que pueden ser redefinidas por el usuario.

Figura 4. Máscara de carga no lineal.

De forma similar el desarrollo involucra diferentes cargas perturbadoras según el

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desarrollo de experiencias didácticas siguiente detalle: •

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Carga lineal: Los parámetros a variar en las cargas lineales son la resistencia, inductancia y capacitancia. Como se dijo anteriormente, se encuentran siempre conectadas al sistema. Carga No lineal con inyección de armónicos de corriente: Los parámetros ajustables son la amplitud y la fase de corriente de los armónicos fundamental (50Hz), tercero y quinto. Se hizo hincapié en estos armónicos dado que son los que mayormente aparecen en las redes con usuarios residenciales e industriales, con cargas monofásicas como fuentes conmutadas, o trifásicas como son los rectificadores de 6 pulsos. Huecos de Tensión (Falla): Este bloque simula una carga que genera “n” huecos de tensión. Los parámetros son el número de huecos “n”, tiempo de duración, tiempo de desconexión y tiempo de inserción. Este tipo de perturbación simula la dinámica del sistema ante una falla y la acción del despeje típica de un reconectador (Recloser). Flicker: La carga simula la fluctuación de tensión en una red eléctrica provocada por la acción de conexión y desconexión (períodica o aleatoria) de cargas de gran porte. El desarrollo involucra una carga que consume una corriente que provoca fluctuaciones o modulación de tensión en el punto de acoplamiento a la red, con características periódicas senoidales de frecuencia 8.8Hz. La frecuencia elegida se relaciona a la percepción humana del efecto Flicker, siendo en este valor las mínimas variaciones de tensión percibidas con mayor facilidad a través de cambios en la intensidad luminosa de una lámpara incandescente conectada al suministro. Fluctuación: Esta carga simula otro tipo de fluctuación, en la cual la conexión y desconexión a la red es intermitente, tal como sucede por ejemplo con una soldadora eléctrica. En ella debe definirse el tiempo en servicio, el tiempo fuera de servicio y el tiempo de inserción. Arranque de motor: Simula el arranque directo de un motor, el cual es modelado a través de un conjunto de resistencias en paralelo con una desconexión programada. Debe indicarse la resistencia equivalente al final del arranque, la duración del arranque y el tiempo de inserción.

3.4. Puntos de Medición En cada una de las líneas y barras involucradas en la red ha sido incorporado un elemento de medición que puede ser identificado a través de un icono representando un voltímetro. La acción de ratón sobre el icono provoca el despliegue de un menú como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Menú del elemento de medición.

Las opciones posibles son las siguientes.

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desarrollo de experiencias didácticas • • • •

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Tensión/Corriente: Muestra la forma de onda de tensión o corriente en el punto de medición. Tensión y Corriente: En este medidor se pueden ver superpuestas las formas de onda de la tensión y corriente. THD Tensión/Corriente: Muestra la evolución del índice de distorsión armónica total (THD) de tensión o corriente a lo largo de la simulación. Espectro de Tensión/Corriente: Muestra la evolución de la amplitud de tensión/corriente de la señal fundamental y sus armónicos a lo largo de la simulación. Permite ver todos los armónicos hasta el undécimo o solo los seleccionados por el usuario. También puede visualizarse el valor instantáneo de los armónicos en un tiempo determinado a voluntad. Inmunidad: Muestra los eventos de tensión sobre la curva CBEMA [IEEE Std 1100, 1999]. En esta curva los eventos se clasifican de acuerdo a la variación porcentual de la amplitud de tensión respecto de la tensión nominal, en función de la duración de la variación. Flicker: Muestra el flicker instantáneo según norma IEC 61000-4-15 [IEC 610004-15, 1997]. En la gráfica resultante se observa la variación porcentual de la amplitud de tensión respecto de la tensión nominal en función de la frecuencia de repetición del evento. Para ello se implementó el filtrado y procesamiento matemático adecuado, según la descripción del estándar mencionado.

Se observa a continuación algunas de las ventanas antes descriptas. La figura 6 muestra la forma de onda de tensión y de corriente en un punto de medición, la figura 7 presenta la evolución del espectro armónico de tensión y los valores del fundamental y sus armónicos 3º y 5º para un instante determinado. En la figura 8 puede observase la ventana de flicker instantáneo.

Figura 6. Forma de onda de tensión y corriente en un punto de medición.

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Figura 7. Evolución de armónico de tensión y cuantificación en barras (1º, 3º y 5º).

Figura 8. Ventana de flicker instantáneo.

Por último la figura 9 muestra la gráfica de Inmunidad (Curva CBEMA), en la cual se distinguen puntos representativos de variaciones de tensión obtenidos durante la simulación de un escenario.

Figura 9. Fluctuaciones de tensión - Curva CBEMA.

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desarrollo de experiencias didácticas La simulación de eventos de variación de tensión sobre la curva de inmunidad para líneas de distribución de 13.2 KV no son permitidas, observando una advertencia que indica tal prohibición. Esto se debe a que la curva CBEMA se encuentra definida solamente para equipamientos conectados en baja tensión, es decir valores de 110V / 220V. Una situación similar se presenta ante la intención de visualizar mediciones o evaluación de índices sin la previa simulación de un escenario. Las pantallas graficas para la presentación de las mediciones cuentan con un conjunto de herramientas para visualización, tales como zoom y posibilidades de superposición de grillas, lo cual ayuda a la comparación y análisis de las señales resultantes. La herramienta desarrollada no solo permite analizar los efectos de las cargas perturbadoras en el punto de acoplamiento común a la red sino también visualizar sus efectos en otras ramas del sistema. Esto último es de vital importancia didáctica, permitiendo al alumno comprender la posibilidad de degradación de una onda de tensión, que habiendo sido generada en forma puramente senoidal es distorsionada por la acción de las cargas y la influencia de la propia impedancia de los elementos del sistema. 4. Resultados obtenidos Esta herramienta se ha utilizado en el curso de perfeccionamiento «Curso introductorio a MatLab-Simulink» organizado por la Rama Estudiantil del IEEE de la UNSJ, con el objeto de mostrar una aplicación concreta de la herramienta de desarrollo gráfico de Matlab. Anecdóticamente, los asistentes al curso demostraron interés por la temática de calidad de suministro y la herramienta permitió en forma rápida y concreta presentar una introducción en la temática. Cabe aclarar que la mayoría de los participantes al curso fueron estudiantes avanzados en ingeniería y egresados con poca experiencia en materia de sistemas eléctricos, los que expresaron su entusiasmo al poder comprender los conceptos mediante la utilización de la herramienta, sin contar con profundos conocimientos previos sobre el tema. De manera similar el uso de la herramienta en el curso de grado “Electrónica de Potencia” de la carrera de ingeniería eléctrica ha motivado el trabajo de los alumnos, desarrollando estos conocimientos mediante el interés por la utilización de la misma. Una simple comparación de los resultados reflejados en las calificaciones de los alumnos, permite evaluar el aporte positivo de la herramienta, como así también lo demuestra una mayor afluencia a clases de consulta con preguntas de mayor profundidad y precisión asociadas a estos temas. 5. Conclusiones La aplicación de esta herramienta de simulación, permite rápidamente afianzar los conocimientos relacionados con perturbaciones típicas en los sistemas eléctricos y la problemática existente en la identificación y cuantificación del tipo de perturbación. Adicionalmente agrega una componente importante vinculada con el conocimiento y aplicación de la normativa internacional relacionada con la compatibilidad electromagnética en sistemas eléctricos y la reglamentación actual en la República Argentina que regula las prestaciones de la calidad de suministro eléctrico a las empresas distribuidoras. El empleo de esta herramienta es útil principalmente en cursos de perfeccionamiento dirigidos a graduados donde previamente hayan adquirido los conocimien-

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desarrollo de experiencias didácticas tos básicos relacionados con la temática citada y en asignaturas avanzadas de grado de ingeniería dictadas en el marco de la ingeniería de sistemas eléctricos. 6. Bibliografía • • • • • • • •

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IEC 61000-4-15 (1997). IEC Standard – Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4: Testing and measurement techniques - Section 15: Flickermeter - Functional and design specifications. IEEE Std. 1100 (1999). IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment. MATHWORKS, Inc. (2000a). Using MatLab - Version 6. MATHWORKS, Inc. (2000b). Using Simulink - Version 4. MATHWORKS, Inc. (2000c). User Guide - Version 2 - Power System Blockset. MOHAN, Ned; UNDELAN; Tore; ROBBINS; William (1995). Power Electronics: Converters, Applications and Design - 2º Edition. John Wiley & Sons, Inc. New York. RASHID, Muhammad H. (1995). Electrónica de Potencia, Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones - 2º Edition. Prentice Hall, Inc., Mexico. Resolución ENRE Nº 184/2000. Ente Nacional Regulador de la Electricidad - Base Metodológica para el Control de la Calidad del Producto Técnico - Etapa 2.

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