HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN “DEMO” PARA SU

HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN “DEMO” PARA SU
APLICACIÓN EN LABORATORIOS DOCENTES DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA
Elvira Fernández, Pablo Eguia, Inmaculada Zamora, A. Javier Mazón
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad del País Vasco
[email protected]
RESUMEN
En esta ponencia se presentan algunos de los programas de simulación
"demo" utilizados en las prácticas de laboratorio de la asignatura Tecnología
Eléctrica de la Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao. En esta asignatura se
estudian aspectos relacionados con la generación, transporte y distribución de
energía eléctrica. Estos programas "demo" son gratuitos y su utilización en la
docencia tiene la doble finalidad de acercar al alumno al manejo de
herramientas digitales y de proporcionarle la posibilidad de estudiar el
funcionamiento del sistema eléctrico de potencia en cualquier situación,
posibilidad que mediante técnicas docentes tradicionales sería impensable
debido a los elevados costes que ello supondría.
1. INTRODUCCIÓN
Desde siempre el ingeniero eléctrico se ha encontrado con numerosos
problemas al analizar los sistemas eléctricos de potencia. Esto se debe
fundamentalmente, a su gran complejidad y a la dificultad de realizar ensayos
"in situ" sobre dicho sistema.
Como ayuda para la resolución de estos problemas, se han desarrollado
herramientas de simulación digital que permiten reproducir, mediante
ordenador, el comportamiento del sistema eléctrico para así poder estudiar su
respuesta ante diversas condiciones de funcionamiento.
En general, para obtener cualquiera de estos programas de simulación es
necesario realizar una fuerte inversión económica, y en el caso de la
Universidad, rellenar un gran número de papeles que justifique dicho
desembolso.
Una alternativa a la adquisición mediante pago de estas herramientas de
simulación es la utilización de programas "demo". Estos programas se pueden
descargar gratuitamente de Internet y suelen funcionar con ciertas
restricciones, pero aún así son perfectamente válidos.
A continuación se muestran las principales características de las herramientas
de simulación "demo" utilizadas en algunas de las prácticas de laboratorio de la
asignatura Tecnología Eléctrica, en la Escuela Superior de Ingenieros de
Bilbao. A modo de ejemplo, los programas que se presentan son: la hoja de
cálculo RET Screen International, PVSYST, MaqSinV6.exe, PowerWorld,
CYMTCC, CYMCAP, CYMGRD, CYMDIST y Neplan.
2. RET SCREEN INTERNATIONAL
Retscreen permite analizar la viabilidad de diferentes tecnologías de energías
renovables (eólica, minihidráulica, fotovoltaica, biomasa,... ), permitiendo así
reducir los costes, el tiempo y los errores asociados a la preparación de los
estudios de viabilidad preliminares. Este programa ha sido desarrollado por la
compañía canadiense RET Screen International y se puede descargar
gratuitamente, y sin ninguna restricción en su utilización, en la dirección de
Internet: http://retscreen.gc.ca.
Figura 1. RETScreen.
El modelo de cada tecnología esta desarrollado en una hoja de cálculo de
Excel, la cual a su vez está compuesta por una serie de hojas de cálculo
similares para todos los modelos. Por ejemplo, el modelo de la central
minihidráulica consta de las siguientes hojas: la hoja de inicio Intro, desde
donde se puede acceder al manual del programa, al resto de hojas y a una
serie de información adicional disponible en Internet (Figura 1). En la hoja
Energy Model se introducen las características básicas del aprovechamiento y
de los equipos electromecánicos, mostrando el programa la producción anual
estimada. Hidrology & Load, es la hoja donde se introducen las características
hidrológicas del aprovechamiento y las características de la demanda eléctrica.
En la hoja Equipment Data se introducen las características de la turbina y el
estudio de los costes del proyecto se realiza en la hoja Cost Análisis. En GHG
Análisis se puede realizar un análisis sobre la reducción de las emisiones de
gases de efecto invernadero asociadas al proyecto. En la hoja Fiancial
Summary se efectúa el análisis financiero de la inversión necesaria para llevar
a cabo el proyecto y en Project Cash Flow se muestra gráficamente la
variación del flujo de ingresos y gastos durante el tiempo que dura el proyecto
(Figura 1).
3. PVSYST
Este programa permite realizar el diseño, simulación y análisis de datos de una
instalación fotovoltaica. El software ha sido desarrollado por la Universidad de
Ginebra y la demo, disponible en la página http://www.pvsyst.com/, está
totalmente operativa durante diez días, fecha a partir de la cual sólo están
disponibles ciertas opciones, pero no limitan su aplicación en el desarrollo de
las prácticas.
PVSYST permite realizar diseños a diferente nivel (Figura 2):
•
•
•
Preliminary design: diseño rápido y sencillo que permite dimensionar
tanto una instalación aislada, como conectada a la red.
Proyect design: realiza una simulación detallada con valores horarios,
que ayuda a definir el campo fotovoltaico y elegir correctamente los
componentes.
Tools: proporciona una amplia elección de las herramientas solares.
Figura 2. PVSYST.
Por ejemplo, el nivel "Project design" permite al usuario:
•
Disponer de una base de datos de los componentes fotovoltaicos, y de
posibles lugares donde ubicar la instalación.
• Indicar la orientación del panel, eligiendo entre múltiples
configuraciones, como orientación única, doble, automática...
• Definir el esquema de la instalación. Si la instalación está conectada a la
red, el usuario debe introducir la potencia deseada y elegir el inversor y
el módulo fotovoltaico de la base de datos. Si el sistema es aislado el
usuario primero tiene que definir su consumo eligiendo los
electrodomésticos que tiene con su tiempo de operación. Además tiene
que decidir los días de autonomía que tiene la batería.
• Calcular tanto las sombras cercanas como las lejanas, permitiendo
dibujar la geometría del sistema completo y mostrando las sombras que
se producen en función de la posición del sol.
• Realizar la evaluación económica utilizando precios reales y condiciones
de inversión en cualquier moneda.
El programa condensa los resultados más significativos en tablas y gráficas
(Figura 2).
Otra demo que permite simular y diseñar sistemas fotovoltaicos es PV*SOL®,
que se puede descargar de la página http://www.valentin.de/ y tiene
restricciones en su utilización.
4. MAQSINV6.EXE
Este programa permite simular el funcionamiento de un generador síncrono
conectado a una red infinita. Ha sido desarrollado por el Departamento de
Energía y Automatización de la Universidad de Sao Paulo y está disponible
libremente en http://www.pea.usp.br/~epellini/download.htm.
Figura 3. MaqSinV6.
Actuando sobre la intensidad de excitación que crea el campo magnético en el
rotor y sobre la potencia de la turbina que mueve el rotor, permite al usuario
observar el estado y evolución de la máquina. Esta ventana de control, además
tiene otros tres botones:
•
•
•
Options: muestra los resultados de la simulación. La primera
visualización muestra a la derecha el diagrama animado de fasores, a la
izquierda las variables de simulación y debajo un diagrama de barras
mostrando la cantidad de potencia activa y reactiva que genera la
máquina. También permite visualizar la posición relativa de las fuerzas
magnetomotrices en el rotor, en el estator y la resultante.
Simulation: permite elegir la forma de simular, continua o paso a paso.
Graphics: muestra todos los gráficos, como por ejemplo, el ángulo de
carga, el factor de potencia, la corriente en el estator, la velocidad del
rotor...
5. POWER WORLD
Su principal atractivo es que además de resolver el problema de los flujos de
carga y el despacho económico, posee una interface gráfica muy potente con la
que se muestran los flujos de potencia en el sistema como flujos en
movimiento, con flechas en color animadas, en las líneas de transmisión,
cargas y generadores.
Figura 4. PowerWorld.
Esta demo se puede descargar gratuitamente de la página
http://www.powerworld.com/downloads.html y tiene licencia educacional,
estando todas las opciones del programa activadas con la única limitación de
que sólo permite estudiar sistemas de hasta 12 nudos.
Este programa tiene dos modos de funcionamiento y cada uno tiene su propia
barra de herramientas:
•
Edit Mode, que permite:
o Crear un nuevo caso
o Añadir nuevos componentes a un caso existente
o Modificar la apariencia de los objetos, color, fuente,...
•
Run Mode, que permite:
o
o
o
o
o
o
Resolver el flujo de cargas
Visualizar la carga disponible
Simular el sistema de potencia en el dominio del tiempo
Realizar flujos de cargas óptimos
Generar curvas PV y QV
Realizar análisis de faltas
6. CYMTCC
El programa CYMTCC ha sido diseñado por COGNICASE para realizar
estudios de coordinación de protecciones en redes radiales. Se puede
descargar de la página http://www.cyme.com/espanol/downloads.shtml, pero
su utilización está limitada, ya que no permite ni abrir, ni guardar nuevos casos,
es decir, permite crear nuevos casos y analizarlos, pero no se pueden guardar.
Contiene una base de datos de más de 4,500 dispositivos de marcas
norteamericanas, europeas y asiáticas. Incluye interruptores de baja tensión
(electromecánicos, de estado sólido y de caja moldeada), fusibles, relés
(electromecánicos y electrónicos) y reenganchadores (hidráulicos y
electrónicos).
Figura 5. CYMTCC.
Algunas de sus principales características son:
•
•
Permite la impresión en papel "log-log" (curvas solamente) o en papel
ordinario (curvas y cuadrícula).
Tiene en cuenta las corrientes de falta que circulan entre fases y fasetierra en transformadores triángulo-estrella.
•
•
Permite un control sobre la escala de corriente, colores, sombreado de
las curvas, ubicación de la etiqueta de ID, el estilo de los bloques de
título, etc.
Presenta una gran facilidad para exportar trazados de curvas a AutoCAD
DXF y a otros formatos.
7. CYMCAP
Al diseñar las instalaciones eléctricas, es muy importante determinar la máxima
intensidad que los cables pueden soportar sin deteriorar cualquiera de sus
propiedades eléctricas o mecánicas. CYMCAP
permite simular el
comportamiento térmico en instalaciones de cables. La versión original del
paquete fue desarrollada conjuntamente por Ontario Hydro, McMaster
University y Cyme International, bajo el auspicio de la Asociación Eléctrica
Canadiense.
Su utilización está limitada, ya que aunque permite crear nuevos casos, luego
no realiza los cálculos, sólo permite estudiar y analizar los ejemplos que
contiene el propio programa. Se puede descargar de la página
http://www.cyme.com/espanol/downloads.shtml con sólo rellenar un formulario.
Figura 6. CYMCAP.
Sus principales características son:
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•
Interfaz GUI gráfica del usuario completa, para la representación
detallada de cualquier tipo de cable de potencia. Este módulo puede
usarse para modificar cables existentes y enriquecer la librería de cables
con los nuevos.
Simulación de cables en postes de transición, grupos de cables aéreos,
migración de la humedad, fuentes cercanas de calor, disipadores
térmicos, etc.
Bibliotecas independientes y bases de datos para cables, bancos de
conductos, curvas de carga e instalaciones.
Permite realizar los análisis térmicos transitorios de: la capacidad de
corriente (teniendo en cuenta el tiempo y de la temperatura), la
temperatura (teniendo en cuenta el tiempo y la capacidad de corriente) y
el tiempo para alcanzar una temperatura dada (teniendo en cuenta la
capacidad de corriente).
8. CYMGRD
CYMGRD, es una aplicación para el análisis y diseño de mallas de puesta a
tierra de subestaciones, que ha sido diseñada para ayudar a optimizar el
diseño de nuevas mallas y reforzar las existentes. Permite el análisis rápido de
varias alternativas de diseño y elige una solución económica para cualquier
instalación dada. Su utilización está limitada, ya que no permite ni abrir, ni
guardar nuevos estudios. Se puede descargar de la página
http://www.cyme.com/espanol/downloads.shtml.
Figura 7. CYMDIST.
Permite realizar diferentes estudios:
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•
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Permite el análisis por elementos finitos de los conductores de la malla
de tierra, varillas y ensamble de cables.
Posee un módulo de terreno uniforme o de dos capas, para mediciones
en el campo.
Permite realizar cálculos de evaluación de la seguridad para las
máximas tensiones de paso y contacto, basados en la norma IEEE 802000.
Realiza análisis de elevación de potencial de tierra.
Posee un soporte de mallas simétricas o asimétricas de cualquier forma.
Posee varillas de puesta a tierra clavadas arbitrariamente.
Permite realizar análisis de potenciales de paso y contacto con
despliegue a colores en representación 2D o 3D.
9. CYMDIST
CYMDIST es una herramienta de análisis para la planificación y estudio de
redes eléctricas de distribución. Ejecuta cálculos, por fase, de caída de tensión
en sistemas equilibrados o desequilibrados, cálculos de falta (flujos de falta y
tensiones de falta), coordinación de aparatos de protección mediante un
interfaz con la herramienta CYMTCC, etc. Se puede descargar de la página
http://www.cyme.com/espanol/downloads.shtml pero su utilización está
limitada, ya que no permite ni abrir, ni guardar nuevos estudios.
Figura 8. CYMDIST
Está formado por los siguientes módulos complementarios:
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CYMDIST(SOM): Módulo de optimización de la configuración del
sistema eléctrico
CYMDIST(MAP): Módulo de transparencias cartográficas
CYMDIST(RAM): Módulo de evaluación de la confiabilidad
CYMDIST(HARMO): Módulo de barrido de frecuencia
CYMDIST(CAM): Módulo de análisis de contingencias
CYMDIST(SUB): Análisis y modelación de subestaciones
Permite realizar principalmente:
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Análisis de caída de tensión en redes equilibradas o desequilibradas
(radiales o en anillo).
Análisis de la tensión de falta a través de la red tomando en cuenta las
condiciones de carga pre-falta.
Análisis de arranque de motores, (caídas de tensión y máximo tamaño
de motor permisible).
Estudios de crecimiento de carga.
10. Neplan
Esta demo permite analizar sistemas eléctricos de potencia, permitiendo, entre
otras cosas, realizar flujos de carga óptimos, estudiar la estabilidad de los
transitorios, analizar la continuidad del sistema... Se utiliza para analizar,
planificar y optimizar redes eléctricas. Ha sido desarrollado por BCP Busarello
+ Cott + Partner Inc., y se puede descargar de la página web
http://www.neplan.ch.
Figura 9. Neplan.
Es una versión con licencia educacional, que permite estudiar sistemas
eléctricos de hasta 50 nudos.
Sus características principales son:
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Los diagramas unifilares se crean con el sistema CAD.
Calcula los flujos de carga por: Inyección de Corrientes, Newton
Raphson, Newton Raphson Extendido, Caída de Voltaje. Muestra los
resultados de forma automática, en forma de tablas (para la red total, e
individualmente para cada área/zona): listados de flujos de potencia
entre áreas/zonas, elementos sobrecargados, ordenamiento, función
selectiva de resultados (Figura 10).
Realiza el cálculo de faltas definidas por el usuario (p.e. doble falta a
tierra, faltas entre dos niveles de tensión), y dispone de una librería de
faltas especiales. Ordena los listados de resultados por nivel de tensión.
Las impedancias de cortocircuito y todas las corrientes de falta
calculables se presentan como valores de fase o como componentes
simétricas.
Permite la definición de cualquier tipo de perturbación.
Permite cuatro enfoques a los análisis de estabilidad de tensión, de los
sistemas de potencia: Curvas V-Q, Curvas P-V, Sensibilidad V-Q y
Análisis de Valores Propios Q-V (análisis modal).
11. CONCLUSIONES
El gran tamaño y complejidad de la mayor parte de los problemas de los
sistemas eléctricos ha hecho de los programas de simulación la principal
herramienta de trabajo del ingeniero eléctrico. Ésto hace necesario el
acercamiento de este tipo de programas a las aulas, lo que permite al alumno
además de aprender el funcionamiento del sistema eléctrico de potencia en
cualquier situación, familiarizarse con las diferentes herramientas digitales.
La utilización de versiones "demo" es una opción a la compra de este tipo de
herramientas, pues aunque permiten el estudio de distintos aspectos del
sistema eléctrico de potencia con ciertas restricciones, son gratuitos, y se
pueden descargar automáticamente en el momento deseado.
En esta comunicación se han presentado las características principales de
algunos de los programas "demo" existentes en Internet, utilizados en la
realización de las prácticas de la asignatura Tecnología Eléctrica, así como las
páginas de las cuales se pueden descargar.
12. REFERENCIAS
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[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
http://retscreen.gc.ca
http://www.pvsyst.com/
http://www.valentin.de/
http://www.pea.usp.br/~epellini/
http://www.powerworld.com/
http://www.cyme.com/
http://www.neplan.ch