utilizacion del power world.pdf
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UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA
FACULTAD DE INGENIERIA CIENCIAS Y
ADMINISTRACION
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA
TEMUCO
IMPLEMENTACION Y APLICACIONES DEL PROGRAMA DE SIMULACION POWERWORLD
TRABAJO DE TITULACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO DE EJECUCION EN ELECTRICIDAD
PROFESOR GUÍA: SR. MANUEL VILLARROEL MORENO
LUIS MARCOS ANTICOI DURAN
2005
i
INDICE
Pág
CAPITULO 1 – INTRODUCCION
1.1 Antecedentes generales 1
1.2 Planteamiento del problema 3
1.3 Revisión Bibliografica 4
1.4 Objetivos 5
1.4.1 Objetivo general 5
1.4.2 Objetivos específicos 5
CAPITULO 2 - POWERWORLD SIMULATOR
2.1 Introducción 6
2.1.1 Descripción general del programa 8
2.1.2 Tipos de análisis permitidos 9
2.1.3 Construcción de diagramas unilineales 10
2.1.4 Versión del programa para uso universitario 11
2.2 Descripción de ventanas 12
2.2.1 Ventana General 12
2.2.2 Modo Edición 12
2.2.3 Modo de Simulación 23
2.2.4 Uso de las barras de herramientas, barras de herramientas Standard 27
ii
CAPITULO 3 - DESARROLLO DE APLICACIONES
3.1 Introducción 39
3.2 Cálculo de flujos de potencia 39
3.2.1 Resolución del sistema de 9 barras con PowerWorld 40
3.2.2 Resolución del sistema de 9 barras con FUGO 44
3.3 Cálculo de cortocircuitos 49
3.3.1 Resolución del sistema de 7 barras con PowerWorld 50
3.3.2 Resolución del sistema de 7 barras con COSEP 51
3.4 Algunas observaciones al programa encontradas durante los cálculos de flujos de
potencia y cortocircuito 57
3.5 Otros programas de simulación de sistemas de potencia 59
3.5.1 CYMFAULT 60
3.5.2 CYMFLOW 61
3.5.3 DIgSILENT PowerFactory 62
3.5.4 ETAP PowerStation 63
3.5.5 Neplan 64
3.5.6 WINFLU 65
CAPITULO 4 - CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFIA 69
ANEXO A Cálculo de flujos de potencia de un SEP con PowerWorld Simulator
ANEXO B Cálculo de fallas con PowerWorld Simulator sobre una barra de carga
ANEXO C Datos de los sistemas estudiados
iii
RESUMEN
Este trabajo presenta el programa computacional POWERWORLD para análisis de
Sistemas Eléctricos de Potencia con el fin de implementarlo en el Departamento de Ingeniería
Eléctrica de la Universidad de la Frontera.
En primer lugar se hace una descripción general del programa, sus aplicaciones, los
tipos de análisis que permite y el desarrollo de un manual de usuario el que será una importante
ayuda al momento de utilizarlo.
Como parte fundamental del trabajo se muestran ejemplos de aplicación de este
programa, se identifican potencialidades y limitaciones de la herramienta empleada y se
presentan una comparación de resultados arrojados por el mismo frente a la herramienta de uso
general Matlab con los programas FUGO que realiza cálculos de flujos de potencia y COSEP
que realiza análisis de fallas, en relación con dos sistemas de 9 y 7 barras respectivamente.
También se presentan algunos de los programas de simulación "demo" utilizados
actualmente, relacionados con la generación, transporte y distribución de energía eléctrica,
teniendo como finalidad invitar a explorar el mundo de los programas comerciales.
Se incluyen además tres anexos, los anexos A y B que contienen unas guías de
simulación de flujos de potencia y corrientes de cortocircuito respectivamente con PowerWorld y
el Anexo C donde se entregan los datos de los sistemas de 9 y 7 barras
Del trabajo realizado es posible concluir que PowerWorld es un programa
computacional de simulación de sistemas de potencia, que contiene poderosas técnicas de
visualización que son utilizadas de manera interactiva, resultando así extremadamente intuitivo y
fácil de utilizar en el análisis de sistemas de potencia, como es el caso de flujos de carga, flujo de
potencia óptimo, fallas por cortocircuito, despacho económico entre otros, lo que permite
adaptarse fácilmente a un entorno didáctico con símbolos y dibujos claramente reconocibles.
1
CAPITULO 1 - INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes generales
Los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) presentan una serie de características que
hacen bastante difícil su estudio y análisis. Ello se debe a que, dado su tamaño y complejidad, los
modelos necesarios deben considerar una gran cantidad de variables, así como el hecho que ellos
resultan en la mayoría de los casos no lineales, lo que complica su resolución.
En los sistemas eléctricos de potencia, que contienen decenas de miles de nudos
eléctricos (barras), un objetivo consiste en presentar los resultados de forma que el usuario pueda
evaluar el estado del sistema de una forma intuitiva y rápida, a través de la adecuada
visualización de la información. Esto es particularmente cierto al intentar analizar las relaciones
entre los flujos de potencia reales de la red, la potencia programada y la capacidad de transmisión
del sistema. En una industria eléctrica en reestructuración con tendencia hacia una sola entidad,
con un operador independiente del sistema o pool, esta necesidad se ha vuelto más perentoria.
El transporte y distribución de energía eléctrica fue un monopolio natural. La estructura
monopólica regulada de la industria eléctrica significó que los consumidores tenían que comprar
obligatoriamente la energía eléctrica a su empresa suministradora local. La compañías eléctricas
formaron entonces monopolios integrados verticalmente para servir a los mercados; esto es, se
encargaban de todo en un determinado mercado geográfico desde la producción, funcionamiento
de la generación y control de la red de transporte hasta el suministro de los conductores que
conectaban al cliente. Así pues, había poca competitividad dentro de la industria y poca
necesidad de establecer nuevas técnicas de visualización. Pero esto ha cambiado. En la
actualidad, la industria eléctrica prácticamente en todo el mundo, está en un periodo de
reestructuración radical y rápido, cuyo objetivo final persigue la disminución de los precios
mediante el desarrollo de mercados competitivos. La estructura regulada del monopolio está
siendo reemplazada por “acceso abierto” al sistema de transporte.
2
Las consecuencias económicas extremas de sobrecarga en la red de transporte han
servido de aviso a las empresas de energía eléctrica para entender la necesidad que existe en la
actualidad de utilizar métodos de visualización para observar el comportamiento de los SEP tanto
en condiciones normales como anormales, que permitan la simulación del sistema real. En la
mayor parte de los casos, las herramientas de visualización de los sistemas de potencia no han
evolucionado más allá del diagrama unilineal. El diagrama unilineal es una representación
geográfica aproximada de las líneas de transporte, de los generadores y de los puntos de
consumo. Se dispone de la distribución geográfica exacta de las áreas con una concentración alta
de líneas eléctricas (por ejemplo, de las áreas urbanas). En un centro de mando de una compañía
se dispone de datos del sistema tales como los flujos de potencia y las tensiones que son
representadas normalmente en un esquema unilineal que contiene todas las subestaciones del
sistema. Normalmente se muestran otros valores mediante tablas numéricas. Una visión general
del sistema se obtiene directamente mediante un mapa estático en el que se representan datos
dinámicos mediante diferentes luces de colores.
Es necesario que esto cambie. La reestructuración está dando lugar a mercados de
tamaño más grande que deberán negociar con sus compañías vecinas la compra y la venta de
energía en un mercado transcontinental. Reestructurar implica la creación de mercados mayores
bajo el control de un solo operador del sistema. Esto conllevará más barras y otros dispositivos
que supervisar y controlar. Simultáneamente, la entrada de muchos nuevos operadores en el
mercado y el incremento de las transferencias de potencia darán lugar a un incremento en la
gestión de datos. Serán los operadores eléctricos de la red quienes podrán decidir sobre las
transacciones eléctricas particulares lo que tendrá sin duda un impacto económico tremendo
sobre el mercado. El análisis del sistema eléctrico de potencia necesitará ser modificado para
hacer frente a estos nuevos desafíos. Tal modificación residirá en la forma en que la información
del sistema se presenta al usuario. En este trabajo se presentan una de las tantas técnicas para la
visualización de información, que incluye la animación de los valores de los flujos de potencia, la
señalización de las barras y de los flujos de potencia.
Hoy en día existe una gran variedad de programas de simulación cada vez más
modernos, que apuntan esencialmente a la rapidez, eficiencia y manejo más amistoso para el
3
usuario. Estos programas permiten simular el funcionamiento de cualquier sistema independiente
de su complejidad, haciendo que el usuario se adapte fácilmente a un entorno más didáctico con
símbolos y dibujos claramente reconocibles. De esta forma la mayor parte de su tiempo está
destinada al estudio y análisis del funcionamiento del sistema eléctrico de potencia en lugar de
gastar una cantidad excesiva de tiempo en saber cómo utilizar el programa.
Este trabajo presenta un programa computacional llamado POWERWORLD, un
programa de simulación de uso fácil e interactivo, que permite simular en forma rápida y
eficiente un sistema eléctrico de potencia, diseñado para el análisis serio de la ingeniería, pero
también es tan interactivo y gráfico que puede usarse para explicar distintas formas de
funcionamiento de un sistema eléctrico de potencia a personas sin tanto conocimiento.
1.2 Planteamiento del problema
Un grupo de herramientas que ha aparecido cada vez con mayor frecuencia aplicada al
análisis de SEP, corresponde a la simulación computacional. Existen diversas motivaciones tras
estos desarrollos.
Los sistemas eléctricos reales son cada vez más complejos y por lo mismo, más difíciles
de tratar en un contexto práctico. A su vez, esta complejidad significa que no es factible
“experimentar” con ellos en terreno, por los costos y peligros que esto encierra. Por otra parte, el
número de fenómenos a analizar es extenso, partiendo con el estudio de condiciones de operación
en estado estacionario, a través de flujos de potencia, pasando por la estabilidad transitoria y
permanente, control de potencia reactiva, conexiones en corriente continua, diseño de las redes de
transmisión, etc.
La orientación de las aplicaciones está dada en dos frentes principales; como sistemas
educativos, con muestras de fenómenos específicos, y con enfoque técnico de elevada
complejidad, desde el punto de vista sistémico, abarcando elementos y fenómenos que se
encuentran en redes reales de gran magnitud. Por lo anterior, las simulaciones computacionales
han tenido y tienen un importante auge en su desarrollo.
4
Uno de los programas computacionales de simulación de SEP es POWERWORLD que
está enfocado para ilustrar algunos de los aspectos básicos del funcionamiento de un sistema
interconectado, permitiendo al usuario modelar, simular e interactuar con los sistemas eléctricos
de potencia de una forma más didáctica y entretenida. Tiene además la ventaja respecto a otros
programas, que está disponible en Internet por lo que el acceso para alumnos y profesionales es
mucho más expedito.
Según lo expuesto, es altamente conveniente poner esta herramienta a disposición de
alumnos y académicos del Departamento de Ingeniería Eléctrica, realizando diversas
aplicaciones, que es el objetivo de este trabajo.
1.3 Revisión Bibliográfica
En general, en cuanto a la implementación de programas computacionales en el
Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Frontera se encuentran algunos
programas computacionales desarrollados como trabajo de Título por alumnos de la Carrera de
Ingeniería de Ejecución en Electricidad. Ellos han tratado de estar en su momento a la vanguardia
en la forma y el manejo de éstos. [5] [6] [7]
La información vital para el desarrollo de este trabajo se obtendrá de [1], página de
Internet donde se encuentra el programa.
Para lograr una estructura adecuada de la presentación se utilizó el formato empleado en
[8], en el cual se aprecia de forma clara y precisa los pasos que se deben seguir para obtener un
desarrollo que abarque el tema de manera adecuada.
Como una forma de comparar los resultados obtenidos por el simulador POWERWORLD
se consideraron los obtenidos en [5], y [7] relacionados con estudios de cálculos de flujos de
potencia y cálculos de cortocircuito utilizando los programas FUGO, y COSEP respectivamente.
En [2], [3] y [4] se encuentra la información teórica correspondiente a los temas a tratar y
diferentes inquietudes a problemas que se presenten en el transcurso del tema, siendo [4] el
material base para el desarrollo de esta memoria.
5
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General
Implementar el programa computacional POWERWORLD en el Laboratorio del
Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de la Frontera y realizar algunas
aplicaciones en Sistemas Eléctricos específicos.
1.4.2 Objetivos Específicos
Realizar una descripción general del programa.
Generar un Manual de utilización que permita emplearlo con facilidad.
Instalar el programa de Simulación POWERWORLD.
Realizar diversas aplicaciones.
Comparar los resultados con los obtenidos a través de los programas que actualmente se
usan en el Departamento de Ingeniería Eléctrica.
Dar a conocer algunos de los programas que se ofrecen en el mercado.
6
CAPITULO 2 - POWERWORLD SIMULATOR
2.1 Introducción
A medida que el tamaño de las compañías eléctricas ha aumentado y se ha incrementado
el número de interconexiones, la planeación de la expansión futura se vuelve cada vez más
compleja. El costo creciente de las adiciones y modificaciones ha hecho imperativo que las
compañías consideren una gama de posibilidades de diseño y realicen estudios detallados de los
efectos sobre el sistema de cada alternativa, con base en varias suposiciones: condiciones
normales y anormales de operación, cargas punta y fuera de punta y años presente y futuros de
operación. También deben reunirse y manejarse con exactitud un gran número de datos de las
redes. Para ayudar al ingeniero en esta planeación de los sistemas de potencia, se usan
computadoras digitales y programas para computadora fuertemente desarrollados. Esos
programas incluyen los de flujos de potencia, estabilidad, cortocircuitos y regímenes transitorios,
entre otros.
Con los programas de flujos de potencia se calculan las magnitudes de las tensiones, los
ángulos de fase y los flujos de potencia en las líneas de transmisión de una red, para condiciones
de operación de estado estacionario. También se calculan otros resultados, incluyendo posiciones
de ajuste en las derivaciones de transformadores y entregas de potencia reactiva de generadores.
Las computadoras actuales tienen capacidad de almacenamiento y velocidad para calcular en
menos de 10 segundos las soluciones de flujos de potencia para redes con 30.000 barras y 50.000
líneas de transmisión. Además, impresoras de alta velocidad imprimen la solución completa en
forma de tabla para que el ingeniero de planeación realice su análisis. También se dispone de
programas interactivos para flujos de potencia, mediante los cuales los resultados de flujos se
despliegan sobre las pantallas de las computadoras en forma de diagramas unilineales; el
ingeniero usa estos diagramas para modificar la red, con un Mouse o desde un teclado y puede
visualizar con facilidad los resultados. Las capacidades de gran almacenamiento y alta velocidad
de la computadora permiten al ingeniero ejecutar muchos casos diferentes necesarios para
analizar y diseñar las alternativas de expansión de la transmisión y de la generación.
7
Los programas de estabilidad se usan para estudiar los sistemas de potencia bajo
condiciones de perturbación, con el fin de determinar si los generadores y motores síncronos
permanecen en sincronismo. Las perturbaciones en el sistema pueden ser causadas por la pérdida
repentina de un generador o de una línea de transmisión, por aumentos o disminuciones súbitas
en la carga y por cortocircuitos y operaciones de conexión/desconexión de elementos. En el
programa de estabilidad se combinan las ecuaciones de flujos de potencia con las ecuaciones de
dinámica de máquinas para calcular las oscilaciones angulares de estas últimas durante las
perturbaciones. Con el programa también se calculan los tiempos críticos de liberación de fallas
en la red permitiendo al ingeniero investigar los efectos de cambios de diversos parámetros de las
máquinas, de modificaciones en la red, de los tipos de perturbación y de los esquemas de control.
Los programas de cortocircuito se usan para calcular fallas trifásicas y de línea a tierra
en las redes de los sistemas de potencia con el fin de seleccionar interruptores para la liberación
de fallas, seleccionar relés que detecten las fallas y controlen los interruptores y determinar los
ajustes de los primeros. Se calculan las corrientes de cortocircuito para cada ubicación de los
relés y de los interruptores y para diversas condiciones de operación del sistema, como líneas o
unidades generadoras fuera de servicio, a fin de determinar corrientes mínimas y máximas de
falla.
Con los programas de regímenes transitorios se calculan las magnitudes y formas de las
sobretensiones y corrientes que se producen por las descargas atmosféricas y operaciones de
conexión/desconexión de líneas. El ingeniero de planeación utiliza los resultados de un programa
de regímenes transitorios para determinar las necesidades de aislamiento para las líneas, los
transformadores y otros equipos y para seleccionar los pararrayos que protegen al equipo contra
sobretensiones transitorias.
Otros software de computadoras para la planeación de los sistemas de potencia
incluyen programas para coordinación de los relés y programas de circuitos de distribución. Los
programas de computadora para la planeación de la expansión de la generación incluyen aquellos
para el análisis de confiabilidad y la probabilidad de pérdida de carga, para cálculo de costos de
producción y de inversión.
8
2.1.1 Descripción general del programa
El programa de simulación por computador de sistemas eléctricos de potencia
PowerWorld permite realizar análisis de flujos de carga, flujo de potencia óptimo, fallos por
cortocircuito, estabilidad, despacho económico, entre otros. Trabaja en un ambiente gráfico e
interactivo con el usuario y está orientado al personal técnico, de ingeniería y para fines
educativos en el análisis de sistemas de potencia. La herramienta está centrada principalmente en
la simulación de sistemas de potencia interconectados, ya que permite trabajar los modelos por
áreas y zonas, permitiendo realizar las tareas comunes a los programas para simulación de
sistemas de potencia básicos (flujos de carga y fallas por cortocircuito) y además tareas comunes
a los programas de simulación intermedios (estabilidad, despacho económico, flujo óptimo,
análisis de contingencia).
PowerWorld Simulator es un paquete de simulación de sistemas de potencia que posee
una interfaz gráfica e interactiva con el usuario. Para su ejecución se requiere de cualquiera de las
siguientes plataformas operativas: Windows 95, 98, 2000, NT y XP siendo esta última la más
recomendada cuando se simulan sistemas de gran tamaño. Las principales características del
programa son:
• Simulación en el tiempo: La solución de los flujos de potencia se realiza
continuamente a medida que transcurre un período de tiempo determinado. Lo anterior
permite que al realizar cambios en la generación, carga o intercambio en MW de un
sistema de potencia, los resultados sean visualizados inmediatamente sobre el diagrama
unilineal.
• Objetos y registros: cada elemento del sistema tiene asociado un registro de datos y un
objeto que lo representa en el diagrama unilineal. El programa distingue claramente
entre ambos, de manera que es posible borrar el objeto representativo de una línea u otro
elemento sin borrar el registro de datos del mismo. Es de notarse que si el registro
existe, el elemento se seguirá teniendo en cuenta en la simulación de flujos de carga.
9
• Gráficos y variación de carga: la generación y la carga pueden visualizarse por medio
de gráficos que son realizados a medida que se efectúa una simulación en el tiempo; así
mismo pueden definirse curvas de variación de carga para un área o zona específica.
PowerWorld Simulator trabaja fundamentalmente con dos tipos de archivos: el archivo
*.PWB (Power World Binary) que almacena los datos del caso de simulación y el archivo *.PWD
(Power World Display) que almacena el diagrama unilineal con los objetos representativos de los
elementos. Adicionalmente se pueden abrir y grabar archivos que posean información de un
sistema de potencia en otros formatos, como son: PTI Raw Data Format, GE PSLF Format e
IEEE Common Format.
Todos los parámetros, funciones y herramientas del modelo son fácilmente accesibles
mediante la Interfaz Gráfica de Usuario (IGU) del Simulador, lo cual le ofrece un fácil manejo y,
de esta forma, una modesta curva de aprendizaje. La IGU del Simulador, que ha sido durante
mucho tiempo la característica más relevante del programa (debido a que es la más obvia ventaja
sobre otros programas de simulación), es de una gran ayuda tanto en la utilización del programa
como en la interpretación de sus resultados. Usando los diagramas unilineales y la información en
los diálogos, es posible construir y modificar un modelo gráficamente y verificar de manera
conveniente que los cambios que se han hecho son, efectivamente correctos. En el Modo de
Edición, el programa permite construir nuevos casos ya sea desde el principio o desde un caso de
flujo de potencia existente.
2.1.2 Tipos de análisis permitidos
La fortaleza de PowerWorld Simulator se encuentra en su capacidad de solucionar
flujos de carga (en su versión completa puede resolver sistemas de hasta 100.000 barras)
utilizando diagramas unilineales animados. Además de proporcionar una solución para flujos de
potencia, el programa puede simular la evolución del sistema de potencia sobre un intervalo de
tiempo determinado por el usuario, que puede ir desde unas cuantas horas hasta una semana;
durante el tiempo de simulación el programa ejecuta la solución de los flujos y muestra la
10
animación de los mismos. Los métodos de solución de los flujos de carga disponibles en el
programa son: los métodos de Newton Raphson, Gauss Seidel y el OPF (Flujo de potencia
óptimo). Otras opciones importantes que presenta el programa son la capacidad de simular
variaciones en la carga durante la simulación, ya que permite introducir curvas de carga diaria,
semanal y de fin de semana. Además integra el despacho económico y permite que los
generadores trabajen con curvas de costo definidas por el usuario, calcula el PTDF (Factor de
Distribución de Transferencia de Potencia) útil para realizar análisis de intercambio de potencia
entre determinadas áreas, calcula cortocircuitos y permite realizar análisis de contingencia. Tiene
la opción de crear archivos Script que sirven para automatizar las acciones durante la simulación
de un caso; por medio de estos archivos se pueden programar eventos para todos los tipos de
elementos, eventos de simulación, eventos del diagrama unilineal, entre otros. También permite
crear archivos de proyecto, los cuales reúnen todos los archivos relacionados con el caso de
simulación para llevarlos en un sólo archivo a cualquier lugar. Incluye controles automáticos para
elementos como generadores, transformadores y elementos de compensación en paralelo con las
barras de un sistema. Para generadores, dispone de opciones tales como el AGC (Automatic
Generation Control) control automático de generación, el AVR (Automatic Voltage Regulation)
regulación de voltaje automática, tanto para generadores como para transformadores con cambio
de derivación. Presenta dos herramientas muy importantes que son el análisis ATC (Available
Transfer Capability), análisis de capacidad de transferencia disponible, para determinar la
potencia máxima que se puede transferir entre dos partes de un sistema de potencia y el VAST
(Voltage Adequacy and Stability Tools) para realizar estudios de estabilidad del sistema y
generar curvas PV y curvas QV para cualquier barra del sistema.
2.1.3 Construcción de diagramas unilineales
La construcción de diagramas unilineales es un proceso sencillo dadas las características
gráficas del programa y su organización general en diferentes modos de trabajo, ya que presenta
un modo de trabajo para edición de diagramas y otro para la simulación de casos. Una
característica particular del programa es que algunas veces lo que se visualiza en el diagrama no
es necesariamente lo que existe en el modelo. Su forma de trabajo distingue entre objetos y
11
elementos del modelo; lo que se visualiza en el diagrama son los objetos del modelo que están
relacionados con un elemento de este; es decir, con un registro de datos, pero no necesariamente
un elemento debe tener asociado un objeto; se puede tener entonces una barra en un extremo del
diagrama y un generador en el otro extremo y estar conectados aunque no se vea físicamente así.
Por otra parte, los diagramas unilineales animados e interactivos permiten visualizar los
SEP usando técnicas innovadoras. Finalmente el programa muestra los flujos de potencia en el
sistema como flujos en movimiento. Flechas en color en las líneas de transmisión, cargas, y
generadores están animadas, con su movimiento, tamaño y dirección proporcionales a la
magnitud y la dirección del flujo de potencia. Las opciones permiten modificar estos parámetros
para su mejor conveniencia.
2.1.4 Versión de PowerWorld Simulator para uso universitario
No se debe olvidar que el núcleo central de PowerWorld Simulator es la solución de
flujos de potencia, incluyendo información económica de costos de generación junto con
información de operaciones de intercambio de potencia. De hecho, las versiones anteriores de
este programa no incluían la posibilidad de realizar estudios de fallas, como lo permite la versión
actual y centraban su capacidad en los estudios de flujo de potencia. Se ha escogido este
programa en su versión Demo que es para uso educativo únicamente y de distribución gratuita en
la WEB, porque con ella se pueden realizar todos los estudios disponibles con la versión original
pero en sistemas de hasta 12 barras. Esto resulta suficiente para fines de aprendizaje y de
comprensión en la simulación de sistemas de potencia para el caso de estudios de flujos de
Potencias, fallas por cortocircuito y demás estudios afines. Incluso permite visualizar el
intercambio de potencia entre dos áreas de un sistema interconectado.
La versión del programa utilizada para la realización de este trabajo es PowerWorld
Simulator 11.0 versión para uso educativo. Esta versión puede ser obtenida en la dirección URL
de PowerWorld Corporation (http://www.powerworld.com) y es soportada por los sistemas
Windows 95/98/2000/Me/XP y NT 3.5 o superior.
12
Aunque se desconocen los requerimientos de hardware ideales para la operación
eficiente del programa, este se ha probado satisfactoriamente con fines educativos con sistemas
de hasta 9 barras (Anexo C) en equipos con las siguientes especificaciones:
• Procesador AMD 100 MHz.
• 32 MB de memoria RAM.
• Disco duro de 2.1 GB.
• Monitor SVGA, Tarjeta de video (800 x 600).
Es de hacer notar que aunque el disco duro del computador es el indicado, el tamaño de
los archivos generados es de 5 kB en promedio, haciéndolos fácilmente transportables.
Para usar el simulador Powerworld, en primer lugar se debe instalar el simulador PW en
el computador, siguiendo las instrucciones que se dan en los archivos electrónicos asociados. El
resto de este capítulo proporciona los detalles necesarios para familiarizarse con el simulador PW
y ejecutarlo.
2.2 Descripción de Ventanas
2.2.1 Ventana General
Para ingresar a esta ventana se debe acceder a la barra de inicio, luego elegir
“programas” y finalmente el Icono de Powerworld o bien “pinchar” sobre el Icono que se
encuentra en el “escritorio”. Luego de realizar esta operación se obtiene la ventana que se
muestra en la Figura 2.l.
Al iniciar el programa, se encontrarán deshabilitadas la mayoría de las Opciones de la
Barra de Menú, a excepción de File, Windows y Help.
2.2.2 Modo Edición (Edit Mode)
Para crear un nuevo proyecto, en File se debe elegir New Case y aparece la hoja de
trabajo para el Proyecto tal como se muestra en la Figura 2.2. En esta ventana se encuentra una
13
barra de herramientas, la que tiene los siguientes menús: File, Edit, Insert, Format, Case
Information, Options, Tools, Windows y Help, los cuales serán detallados a continuación.
Figura 2.1 Ventana general programa Powerworld.
Figura 2.2 Ventana para crear un nuevo caso.
14
File: Contiene las opciones indicadas en la Figura 2.3.
Figura 2.3 Menú File.
New Case: Crear un nuevo archivo de trabajo.
Open Case: Abrir un archivo de trabajo existente.
Save Case: Guardar el archivo existente.
Save Case as: Guardar el archivo existente en una dirección específica y con un nuevo nombre.
Validate Case: Validar el archivo existente.
Switch To Run Mode: Cambiar a modo de simulación.
New Oneline: Crear un nuevo diagrama unilineal.
Open Oneline: Abrir un diagrama unilineal existente.
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Save Oneline: Guardar diagrama unilineal existente.
Save Oneline as: Guardar diagrama unilineal en una dirección específica con un nombre dado.
Export Oneline: Exportar diagrama unilineal existente.
Close Oneline: Cerrar el diagrama unilineal actual.
Load Auxiliary File: Cargar archivo auxiliar.
Open Project: Abrir un Proyecto existente.
Save as Project: Guardar proyecto existente en una dirección específica y con un nombre dado.
Publish to web: Publicar en página de Internet.
Save YBus or Jacobian: guardar datos de la matriz de admitancias de barra o de la jacobiana.
Print Oneline: Imprimir diagrama unilineal actual.
Printer Setup: Opciones de impresión.
Exit Program: Salir del programa Powerworld.
Edit: Este Menú tiene las siguientes opciones que se muestran en la Figura 2.4.
Figura 2.4 Menú Edit.
Cut : Borrar elementos seleccionados del diagrama unilineal, los envía al portapapeles.
Copy: Copiar elementos seleccionados del diagrama unilineal al portapapeles.
Paste: Pegar los elementos seleccionados del portapapeles en el diagrama unilineal.
Delete: Borrar los elementos seleccionados en el diagrama unilineal.
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Select by Criteria: Permite seleccionar los elementos desde una ventana en la que se muestran
todos los elementos de diagrama unilineal.
Select Region: Permite seleccionar un sector del diagrama unilineal.
Insert: Este menú tiene las opciones de la figura 2.5.
Figura 2.5 Menú Insert.
17
Show Insert Palette for: submenú que muestra los objetos insertados (Áreas, Barras,
Subestaciones, Zonas).
Auto Insert: Auto insertar.
Bus: Insertar barra.
Generator: Insertar Generador.
Load: Insertar carga.
Switched Shunt: Insertar condensador Shunt.
Transmision Line: Insertar línea de transmisión.
Transformer: Insertar transformador.
Series Capacitor: Insertar condensadores serie.
DC Line Transmision: Insertar línea de transmisión DC.
MS Transmision Line: Insertar línea de transmisión MS.
Circuit Breaker: Insertar interruptor al circuito.
Line Flow Pie Chart: Insertar indicador de sobrecarga de la línea.
Line Flow Arrow: Insertar flecha indicadora de flujo de potencia.
Substation: Insertar subestación.
Area/Zone/Super Area: Insertar Área, Zona o Súper área.
Owner: Inserta operadores del sistema
Injection Group: Insertar grupo de inyección.
Interface: Insertar interface entre circuitos.
Interface Pie Chart: Insertar indicador de sobrecarga en interface.
Field: Insertar campo.
Gauges: Insertar medidas.
Background Graphic: Insertar objetos tras el diagrama unilineal.
Insert GIS Data From Shape File: Permite importar datos desde un archivo
Text: Insertar texto al diagrama unilineal.
Memo Text: Insertar cuadro de sólo escritura en el diagrama.
Oneline Link: Insertar enlace a un circuito unilineal existente en memoria.
Document Link: Insertar enlace a un documento.
18
Format: Este menú tiene las opciones de la Figura 2.6.
Font: Tipos de letras a usar para la información del elemento y resultados del estudio.
Line/Fill: Personaliza el tamaño y el color de la línea del objeto seleccionado
Levels/Layers: Indica el nivel del objeto seleccionado
Display/Size: Personaliza las dimensiones del objeto seleccionado.
Send to Back: Enviar atrás el elemento
Bring to Front: Traer al frente el elemento.
Dinamic Formatting: Formato dinámico
Figura 2.6 Menú Format.
Case information : Este menú tiene las siguientes opciones. (Figura 2.7)
Case Description: Descripción del caso.
Case Sumary: Resumen del caso.
Area/Zone/Owner Filters: Filtro para obtener información de Áreas, Zonas y Operadores.
Custom Case Info: Muestra información personalizada del caso.
Areas: Muestra información de las distintas Áreas existentes.
Buses: Muestra información de todas las barras.
DC Lines: Muestra información de líneas DC.
Generators: Muestra información de los generadores.
Generator/Load Cost Models: Muestra información de los modelos de costos para los
generadores y las cargas.
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Injection Groups: Muestra información de los grupos de inyección.
Interfaces: Muestra información de las interfaces.
Limit Monitoring Settings: Ajustes de límite de monitoreo
Lines And Transformers: Muestra información de líneas y transformadores.
Loads: Muestra información de las cargas.
Mismatches: Muestra información de desbalance de potencia en una barra.
MW Transactions (Base): Muestra información de las transacciones de potencia activa.
Outages: Muestra información de todas las interrupciones del circuito.
Ownership: Muestra información de los operadores.
Substations: Muestra información de las subestaciones.
Super Areas: Muestra información de las Súper Áreas.
Switched Shunts: Muestra información de los condensadores shunt.
Transformer Controls: Muestra el estado de los transformadores de control.
YBus: Muestra información de la matriz de admitancias de barras.
Zones: Muestra información de las zonas.
Other: Despliega un menú que contiene información de transacción de potencia, variación de
carga, matriz jacobiana, etc.
Options: Este menú tiene las opciones indicadas en la Figura 2.8.
Solution/Environment: Muestra opciones de Soluciones y ambientes de simulación.
Oneline Display: Muestra opciones para el diagrama unilineal.
Default Drawing Values: Volver los dibujos a su valor predeterminado.
Dinamic Formatting: Formato dinámico
Screen Layers: Capas de pantalla.
List Display Objects: Muestra una lista de los objetos existentes en el diagrama unilineal y
permite corregir dimensiones de las fuentes.
Browse Open Onelines: Este diálogo muestra los objetos del diagrama unilineal con la finalidad
de revisar los objetos existentes.
Refresh Anchors: Realiza la función de actualizar el diagrama unilineal.
Renumber Buses: Realiza la función de renumerar las barras del circuito.
20
Figura 2.7 Menú Case Information.
Figura 2.8 Menú Options
21
Tools: Este menú tiene las siguientes opciones ( ver Figura 2.9)
Bus View: Muestra información visual de la barra
Substation View: Muestra información visual de subestación
Power Flow List: Muestra detalladamente toda la información sobre los flujos de potencias del
sistema en un formulario de texto tradicional.
Quick Power Flow List: Muestra información rápida de flujos de potencia por barra.
Create Equivalent: Permite crear sistemas equivalentes.
Scale Case: Entrega los valores detallados por barras, áreas, zonas, etc.
Set Generator Part. Factors: Realiza la función de fijar los generadores según su factor de
participación.
Set Selected Field: Muestra opciones para los campos seleccionados.
Network topology: Topología de la red
Append Case: Añadir un caso.
Tap Transmission Line: Permite auto insertar una barra en una línea de transmisión.
Move Bus Equipment: Permite mover los equipos desde una barra a otra.
Split Bus: Permite reemplazar las barras
Merge Buses: Permite tomar los datos de una barra para incorporarlos en una nueva
List of Unised Bus Numbers: Muestra una lista de las barras que no se utilizan.
GIS Tools: Herramientas de Sistema de Información Geográfica.
Windows: Este menú tiene las opciones que se muestran en la Figura 2.10.
Keyboards Shortcuts: permite tener accesos directos en el teclado.
Tile: colocar las ventanas en los azulejos no solapados
Cascade: Colocar las ventanas en una forma solapada
Refresh Displays: realiza la función de actualizar las ventanas.
Toolbars: Permite visualizar o esconder las barras de herramientas estándar.
Swith to Free-Floating Windows: Cambia el modo de la ventana
Toggle Full Screen: Permite ver el diagrama unilineal en pantalla completa
1, 2, 3 …: Activar la ventana especificada.
22
Figura 2.9 Menú Tools.
Figura 2.10 Menú Windows.
23
Help: Este menú tiene las siguientes opciones (ver Figura 2.11)
Figura 2.11 Menú Help.
Contents: Contenido de ayuda para la utilización del simulador
Auxiliary File Format: Muestra una ayuda en un archivo auxiliar.
About: Visualiza el número de la versión de Powerworld
Powerworld Web Site: Sitio web del simulador Powerworld
Export Objects Fields: Exporta todos los objetos del campo a un archivo de texto o una hoja
Excel
Set Help File: Selecciona un archivo de ayuda
2.2.3 Modo de simulación (Run Mode)
Al poner el simulador en modo Run se activan los siguientes menús.
Simulation: Este menú tiene las opciones de la Figura 2.12.
Solve and Animate: Resuelve e inicia la simulación animada.
Stop Solution/animation: Detener la simulación.
Restore: permite que el sistema vuelva al estado inicial.
Single Solution – Full Newton: Resolución única mediante el método Newton completo.
Single Solution – Fast Decoupled: Resolución única mediante mediante el método Desacoplado
Rápido.
Polar NR Power flow: Resolver el problema de flujos de potencia mediante el método Newton
Raphson en forma polar.
24
Gauss-Seidel Power Flow: Resolver el flujo de potencia mediante el método Gauss-Seidel.
DC Power Flow: Realizar flujo de potencia DC.
Reset to Flat Start: Permite escoger diferentes situaciones a considerar.
Robust Solution Process: Proceso de solución robusto.
Primal LP: Utilizar programación lineal primal.
Clear Scritp File: Limpiar archivo de escritura.
Open Scritp File: Abrir archivo de escritura.
Figura 2.12 Menú Simulation.
Options: Este menú tiene las opciones indicadas en la Figura 2.13.
Solution/Environment: Muestra opciones de Soluciones y ambientes de simulación.
Oneline Display: Muestra opciones para el diagrama unilineal.
Default Drawing Values: Volver los dibujos a su valor predeterminado.
Dinamic Formatting: Formato dinámico
Screen Layers: Capas de la pantalla.
Browse Open Onelines: Este diálogo muestra los objetos del diagrama unilineal con la finalidad
de revisar los objetos existentes.
25
Contouring: Crea y anima el contorno del mapa cambiando los colores de las animaciones.
3D View: Permite ver el diagrama unilineal en 3 dimensiones.
Difference Flows: Diferencia de Flujos, que se utiliza para hacer énfasis en el impacto de los
cambios del sistema.
Present case topological differences from the base case: Muestra los cambios que se han hecho
al proyecto.
Charts: Muestra gráficos de carga, generación, transacción de energía, etc.
Figura 2.13 Menú Options en modo Run.
Tools: Este menú tiene las siguientes opciones (Figura 2.14).
Bus View: Muestra información visual de la barra
Substation View: Muestra información visual de subestación
Power Flow List: Muestra detalladamente toda la información sobre los flujos de potencias del
sistema en un formulario de texto tradicional.
Quick Power Flow List: Muestra información rápida de flujos de potencia por barra.
Contingency Analysis: Realiza análisis de contingencias.
Available Transfer Capability (ATC): Permite la determinación de la máxima transferencia
posible de potencia activa entre dos grupos de generadores o cargas sin violar ningún límite de
seguridad disponible.
26
Time Step Simulation Dialog: Diálogo para el tiempo de paso de la simulación.
Scale Case: Entrega los valores detallados por barras, Áreas, Zonas, etc.
Set Generator Part. Factors: Realiza la función de fijar los generadores según su factor de
participación.
Power Transfer Distribution Factors (PTDFs): Permite controlar y ver los resultados de
transferencia de potencia y el cálculo de los factores de distribución.
TLR Sensitivities / Generation Shift Factors: Herramientas para hacer cálculos de sensibilidad.
Other Sensituvities: Otras sensibilidades.
Fault Analysis: Muestra la ventana para análisis de fallas.
Governor Power Flow: Muestra toda la información relacionada con la solución de flujos de
potencias.
Make Movie: Crea un archivo de video del diagrama unilineal con todos los análisis deseados.
GIS Tools: Herramientas de Sistema de Información Geográfica.
Menu LP/OPF
Uno de los productos adicionales de PowerWorld es el Flujo Optimo de Potencia
(Optimal Power Flow - OPF). El simulator OPF considera el algoritmo de optimización conocido
como flujo de potencia óptimo. La ventaja de tener dicha herramienta dentro del Simulador es la
posibilidad de llevar a cabo un despacho óptimo de generación en un área o grupo de áreas de
control considerando al mismo tiempo los límites de las líneas de transmisión y de las interfaces.
Simulator OPF puede así calcular el precio marginal del suministro de electricidad a cada barra
(conocido también como precio marginal nodal), tomando en cuenta los fenómenos de congestión
en el sistema de transmisión. La ventaja de Simulator es que estos valores no son sólo calculados,
sino que también pueden ser presentados en un diagrama unilineal, dibujados, o exportados a una
hoja de cálculo.
Menú Voltaje Stability
El programa incluye el módulo para análisis de estabilidad de voltaje, llamado
Herramienta PVQV (Curva PV y Curva QV), que permite la identificación de los riesgos tanto
para la estabilidad de voltaje de los sistemas como para el soporte reactivo, especialmente durante
27
estudios de planeación. Esta información es útil en la identificación de estrategias para reforzar el
sistema contra este tipo de riesgos. PVQV constituye una herramienta completa para el análisis
de voltaje en el ambiente familiar y de fácil uso característico de PowerWorld Simulator.
Figura 2.14 Menú Tools en modo Run.
2.2.4 Uso las barras de herramientas, barras de herramientas Standard
El simulador tiene una amplia gama de barras de herramientas para un acceso fácil a
todas sus características. Se pueden mover y clasificar según tamaño dependiendo del caso. Las
barras de herramientas alojan varios mandos cada uno de los cuales pueden activarse con un sólo
click del Mouse. El simulador proporciona varias barras de herramientas para poder personalizar,
muchas de las cuales se despliegan por defecto.
28
Barra de herramienta Principal
Esta barra de herramientas proporciona el acceso a los menús principales del programa,
File, Edit, Insert, Windows, y Help (ver Figura 2.15). Los menús predefinidos que se muestran en
el Menú Principal varían dependiendo del modo en el que se encuentre (Edit Mode o Run Mode).
Esta barra de herramientas está siempre visible, pero simplemente puede personalizarse como
cualquier otra barra de herramientas en el Simulador. Los menús pueden personalizarse
inicialmente más allá de aquellos que se despliegan por defecto. Cualquier menú de la barra de
herramientas se guardará en el registro del sistema para cuando el Simulador se vuelva a iniciar
en el computador. Si se desea restablecer las barras de herramientas y los menús a sus formas
predefinidas, puede hacerse realizando un clic en el área de la barra de herramientas y apretando
el botón Restablecer en el menú correspondiente de la barra de herramientas.
Figura 2.15 Barra de Herramientas
Barra de estado (Status Bar)
La barra de estado se muestra abajo en el lado izquierdo de la ventana del simulador
indicando distintas situaciones dependiendo del modo en el que se esté trabajando.
En el modo de edición (Edit Mode) indica la posición del cursor en el diagrama
unilineal, tal como se muestra en la Figura 2.16.
Figura 2.16 Barra de estado en modo de edición.
29
En el modo de simulación (Run Mode) indica en que situación se encuentra la
simulación, si está corriendo, en pausa, etc. Además indica que tipo de caso se está ejecutando si
es AC o DC y el estado de la diferencia de flujos del circuito (Figura 2.17).
Figura 2.17 Barra de estado en modo Run
Barra de herramientas “File”
La barra de herramientas FILE proporciona el acceso a las actividades del sistema
operativo como Guardar un diagrama unilineal o modelo del caso, imprimir un diagrama
unilineal, o cargar un caso existente en el PC. Esta Barra de herramientas también ofrece el
acceso al sistema de ayuda en línea y a la herramienta de aprobación del caso en PowerWorld.
Ella contiene los siguientes botones. (Figura 2.18)
Figura 2.18 Barra de herramientas File.
Abrir un archivo de trabajo existente.
Abrir un diagrama unilineal existente.
Guardar el archivo existente.
Guardar diagrama unilineal existente.
Crear un nuevo archivo de trabajo.
Crear un nuevo diagrama unilineal.
Cargar Archivo auxiliar
30
Validar el archivo existente.
Imprimir.
Ayuda
Barra de herramientas “Program”
La barra de herramientas de programación permite pasar del modo de simulación al
modo de edición o viceversa y poder controlar varios aspectos de la solución de los flujos de
potencias.
Esta barra de herramientas (Figura 2.19) contiene los siguientes botones.
Figura 2.19 Barra de herramientas Program.
Interrupción (Abort)
Este botón permite detener la simulación actual. Si se está realizando una simulación
sincronizada el botón de interrupción detendrá brevemente la simulación
Modo de edición (Edit Mode)
El Modo de edición se usa para crear un nuevo caso o modificar los casos existentes.
Para cambiar a Modo de edición, hacer clic en el botón Edit Mode en la barra de herramientas
del programa o en el menú principal File > Switch to Edit Mode. Las acciones que realiza el
modo de edición son:
31
- Crear un caso nuevo. (New Case)
- Crear un nuevo diagrama unilineal. (New Oneline).
- Agregar nuevos componentes gráficamente a un caso existente.(Insert Menu)
- Modificar la apariencia de los objetos unilineales. (Format Menu)
- Ver y modificar un caso usando la lista de desplieges no gráficas.(Case Información)
- Equivalencia de un caso. (Equivalencing)
- Añadir un subsistema a un caso existente. (Appending a Case)
- Para más detalles sobre el modo de edición por favor ver Edit Mode.
Modo de simulación (Run Mode)
El Modo de simulación (Run Mode) permite visualizar los flujos de potencias y obtener
los datos del caso en un simple click. Para acceder al modo de simulación se debe hacer click en
al botón Run Mode en la barra de herramientas del programa o en el menú principal File >
Switch to Run. Los aspectos importantes del modo de simulación son:
- Los diagramas unilineales, permiten ver el caso gráficamente.
- Existen diálogos para cambiar opciones de simulación y la solución de flujos de
potencia.
- Hay varios tipos de gráficos para las distintas variables del sistema.
- Permite variar fácilmente la carga, hacer desviaciones, e introducir generación a
cualquier número de barras
- Realizar análisis de falla
- Ejecutar estudios de capacidad de transferencia
- Genera curvas PV y QV.
- Para más detalles sobre el modo de simulación por favor ver Run Mode.
Modo de escritura (Script Mode)
32
Como el nombre lo indica, un archivo de escritura contiene acciones específicas que
tienen lugar automáticamente en momentos específicos durante la simulación de
POWERWORLD. Usando un “Script” cualquier acción que el usuario realice ya sea de manera
manual o automática puede ser visualizada en un archivo de escritura. Además es posible
agregar anotaciones de texto escritas que aparecen en la pantalla a lo largo de la simulación.
Conjunto de mensajes (Message Log)
Este comando muestra un registro de todas las acciones de simulación que se realizan en
el caso.
Single Solution – Full Newton
Realiza una solución simple de las ecuaciones de flujo de potencias. Este botón permite
al Simulador realizar un flujo de potencias de manera autónoma. Sólo puede ser utilizado en el
modo de simulación.
Barra de herramientas “Edit”
Esta barra de herramientas sólo puede ser utilizada en el modo de edición, realiza las
opciones de copiar y cortar objetos en el diagrama unilineal con el fin de pegarlos en otro
diagrama o para ser trasladados de posición en el mismo, también permite seleccionar en un
rectángulo para poder copiar o cortar un conjunto de objetos.
Esta barra de herramientas (Figura 2.20) contiene los siguientes botones.
Figura 2.20 Barra de herramientas Edit.
33
Borrar elementos seleccionados del diagrama unilineal, los envía al portapapeles.
Copiar elementos seleccionados del diagrama unilineal al portapapeles.
Pegar los elementos seleccionados del portapapeles en el diagrama unilineal.
Permite seleccionar los objetos desde una ventana, la que muestra todos los
componentes del diagrama unilineal.
Seleccionar región.
Barra de herramientas “Insert”
Esta barra de herramientas contiene numerosos botones que permiten agregar el dibujo
objetos al diagrama unilineal actual. Los botones en esta barra de herramientas proporcionan el
acceso a la mayoría de las actividades disponibles del menú de Inserción.
Esta barra de herramientas (Figura 2.21) contiene los siguientes botones.
Figura 2.21 Barra de herramientas Insert.
Insertar texto.
Insertar un cuadro a modo de memoria.
Insertar polígono.
34
Insertar rectángulo.
Insertar círculo.
Insertar objetos en el diagrama unilineal (imágenes y figuras geométricas).
Insertar un hipervínculo a un documento desde un archivo existente.
Insertar hipervínculo a un circuito unilineal desde un archivo existente dirección URL
Insertar una barra.
Insertar subestación.
Insertar una línea de transmisión AC.
Insertar un Generador.
Insertar una carga.
Insertar un transformador.
Insertar un condensador Shunt.
Insertar un interruptor al circuito.
Insertar un indicador de sobrecarga de la línea.
Insertar flecha indicadora de flujo de energía.
Insertar campo.
Insertar un grupo de inyección.
Insertar Área, Zona o Súper área.
Insertar una interfase entre circuitos
Insertar un campo para las interfaces
Insertar un indicador de sobrecarga en interface.
35
Barra de herramientas “Format”
La barra de herramientas de formato permite controlar los atributos de los objetos tales
como la fuente, colores, estilos de línea, acercamiento, y nivel del grosor de la capa del objeto
que ha sido seleccionado. Esta barra de herramientas también permite poner los valores
predefinidos cuando es necesario. Proporciona el acceso a la mayoría de las actividades
disponibles en el menú Format del menú principal.
Esta barra de herramientas (Figura 2.22) contiene los siguientes botones.
Figura 2.22 Barra de herramientas Format.
Fuentes para la información del elemento.
Línea y espesor del elemento.
Niveles y capas de los elementos.
Realiza opciones de acercamiento y medidas de los elementos.
Enviar atrás el elemento.
Traer al frente el elemento.
Barra de herramientas “Case Information”
Esta barra de herramientas mantiene un acceso fácil a la información del caso
dependiendo del objeto a seleccionar, muestra opciones desde una ventana que el usuario puede
personalizar para un estudio más detallado del sistema.
Esta barra de herramientas (Figura 2.23) contiene los siguientes botones.
36
Figura 2.23 Barra de herramientas Case Information.
Permite al usuario personalizar la animación de la simulación.
Esta opción del menú copia toda la información que se muestra en una ventana al
portapapeles de Windows, el que se puede copiar en otros programas como Excell para
un análisis más extenso.
Esta opción del menú copia toda la información que es seleccionada con el rectángulo
creado con el mouse al portapapeles de Windows, el que se puede copiar en otros
programas como Excell para un análisis más extenso.
Permite pegar la información que ha sido enviada al portapapeles de Windows.
Permite recuperar un registro que pertenece a un elemento particular. Este botón se usa
para encontrar archivos que pertenecen a un elemento identificado por número o
nombre.
Permite buscar un texto específico en una ventana de información.
Muestra una ventana con toda la información del objeto seleccionado.
Muestra una ventana en la que pueden controlarse las opciones de volúmenes y formato
de los objetos del diagrama unilineal.
Permite ver todos los datos de los objetos insertados en el diagrama unilineal.
Muestra la ventana para filtrar elementos desde Areas, Zonas y Operadores.
Esta ventana muestra filtros que se han definido para el tipo de objeto (por ejemplo
barra, generador, interfaces, etc).
Permite al usuario configurar el filtro basado en el criterio deseado.
Permite actualizar al simulador para que tengan efectos los cambios hechos en el
sistema.
37
Muestra una ventana que permite calcular distintos valores correspondientes a la
columna seleccionada (suma, promedio, varianza, etc).
Permite auto ajustar las dimensiones de las columnas.
Realiza la función de aumentar los decimales de los datos entregados en las columnas.
Realiza la función de disminuir los decimales de los datos entregados en las columnas.
Barra de herramientas “Zoom”
Esta barra de herramientas permita hacer todo tipo de acercamientos o alejamientos al
diagrama unilineal, el acceso a esta barra permite dimensionar el circuito de manera óptima.
Esta barra de herramientas (Figura 2.24) contiene los siguientes botones.
Figura 2.24 Barra de herramientas Zoom.
Permite realizar un acercamiento a un área seleccionada del diagrama unilineal.
Realizar un alejamiento a un área seleccionada del diagrama unilineal.
Realizar acercamiento al diagrama unilineal.
Realizar alejamiento al diagrama unilineal.
Permite Ajustar de mejor manera el diagrama unilineal en la ventana de Windows.
Permite buscar un objeto en el diagrama unilineal.
Permite guardar el diagrama unilineal que se está visualizando.
Muestra la información de alejamientos y acercamientos del caso.
38
Barra de herramientas “Options/Info”
Esta barra de herramientas (Figura 2.25) proporciona un acceso rápido a toda la
información del sistema, además de las opciones que este presenta. Contiene los siguientes
botones.
Figura 2.25 Barra de herramientas Option/Info.
Muestra opciones de simulación.
Muestra opciones del diagrama unilineal.
Permite volver los dibujos a su valor predeterminado.
Muestra filtro para obtener información de Áreas, Zonas y Dueños.
Formato Dinámico, realiza cambios a los componentes en forma simultánea.
Activar formato dinámico para el diagrama unilineal
Muestra lista rápida de flujos de potencias.
Muestra información visual de barra.
Muestra información visual de subestación.
Muestra la Ubicación del diagrama unilineal en el computador.
39
CAPÍTULO 3 - DESARROLLO DE APLICACIONES
3.1 Introducción
En este capitulo se presentan aplicaciones de esta herramienta de simulación, con la
doble finalidad de acercar al usuario 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 tradicionales sería impensable debido a la limitación en el
número de barras del sistema a analizar y en el número de estudios a realizar sobre un sistema
concreto. Asimismo, en el presente capítulo se presentarán las ventajas de esta herramienta,
frente a otras herramientas de uso general como MATLAB, en el análisis de flujos de potencias,
fallas por cortocircuito y despacho económico.
Para realizar un análisis comparativo se emplearán los programas FUGO y COSEP
desarrollados en Matlab. El primero denominado FUGO [5] es un programa para cálculo de
flujos de potencia desarrollado en ambiente Windows que incluye todos los elementos
componentes de una red. Utiliza los Métodos de Newton Raphson y permite resolver sistemas de
distribución y transmisión. El segundo COSEP [7] es un programa computacional diseñado para
realizar cálculos de cortocircuito simétricos y asimétricos como ayuda para efectuar estudios y
análisis de sistemas eléctricos de potencia (SEP), incluyendo ó no el cálculo de los voltajes de
prefalla (Método de Newton-Raphson) en sistemas radiales o enmallados.
Para la comparación se consideraron las redes [5], [7], cuyos datos se incluyen en el
Anexo C.
3.2 Cálculo de los flujos de potencias
El estudio del flujo de carga en un sistema eléctrico de potencia consiste en el análisis
del sistema en régimen permanente y en situación equilibrada bajo unas condiciones
determinadas de operación (un escenario de generación y demanda determinado y una
determinada configuración de la red que interconecta a generadores y consumidores).
40
A través del estudio de flujos de carga se obtienen la magnitud y el ángulo de fase de la
tensión, así como los flujos de potencia activa y reactiva en cada rama (líneas, trasformadores),
constituyendo una importante herramienta en la operación y planificación del sistema, ya que
permite detectar situaciones como sobrecarga de líneas y transformadores, violación de los
límites de tensión, etc.
El problema del cálculo de flujos de carga consiste en la resolución de un sistema de 2n
ecuaciones no lineales, siendo n el número de nudos del sistema.
(3.1)
Este hecho limita, en caso de no emplearse una herramienta de cálculo, el tamaño del
sistema y el número de casos de estudio y por tanto las conclusiones que pueden extraerse sobre
el funcionamiento del sistema.
En el presente capítulo se compara la resolución del flujo de potencias mediante la
utilización de dos herramientas diferentes: PowerWorld y FUGO. Para el desarrollo de éste se
modela un sistema constituido por tres generadores que alimentan a un conjunto de tres cargas a
través de una red constituida por cinco líneas y tres transformadores, cuyos primarios están a 13,8
kV y los secundarios a 138 kV (Figura 3.1). Los datos del sistema, en valores por unidad están
referidos a una base común de 100 MVA y son los que se indican en las tablas del Anexo C:
3.2.1 Resolución del sistema de 9 barras con PowerWorld
Para crear este sistema con el Simulador PowerWorld, se insertan y se unen todos los
elementos que lo conforman en una hoja en blanco, y se especifican sus características. Una vez
creado el modelo en el Modo Edit, se pasa al Modo Run, donde se simula, pudiendo visualizar
cualquier variable del sistema: magnitud y ángulo de la tensión en cada nudo, potencia activa y
reactiva, etc.
41
Figura 3.1 Diagrama unilineal del sistema de 9 barras
Durante el tiempo que dura la simulación, se muestra de forma animada la variación de
los flujos de cargas, el sentido de dicha circulación, el estado de carga de cada una de las líneas y
las pérdidas que se producen en el sistema (Figura 3.2).
También, es posible visualizar mediante una escala de colores las zonas del sistema en
las que una magnitud dada, como la tensión, alcanza un cierto nivel, lo que facilita la rápida
interpretación de los resultados obtenidos y la comparación con simulaciones anteriores (Figura
3.3).
Además se puede ver cada barra en forma independiente con el fin de visualizar las
potencias entrantes y salientes de la barra como ejemplo, en la Figura 3.4 se muestra la barra 7,
adicionalmente y con un solo clic se puede obtener la matriz de admitancias del sistema y el
jacobiano del flujo de potencia, siendo posible exportarlos a otras herramientas de análisis.
42
Figura 3.2 sistema de 9 barras con PowerWorld.
Figura 3.3 Visualización de los voltajes en escala de colores
43
Por otra parte, la lista de los flujos de potencias del sistema se tiene en un archivo de
texto a fin de realizar un análisis más completo (Figura 3.5).
Figura 3.4 Ventana de barra
Figura 3.5 Lista de flujos de potencia en PowerWorld
44
Por último, es posible aproximarse a la realidad de la operación de un sistema de
potencia al definir la evolución de la demanda de los diferentes nudos del sistema a lo largo del
periodo de simulación y la maniobra de conexión y desconexión de los diferentes elementos
mediante la apertura y cierre de los interruptores que los conectan al resto del sistema,
observando el efecto de dichas acciones en el conjunto del sistema: nivel de carga de las líneas,
perfil de tensiones, etc.
3.2.2 Resolución del sistema de 9 barras con FUGO
En el desarrollo de este ejemplo mediante FUGO, es necesario ingresar a Matlab, ubicar
el directorio donde se encuentre FUGO y luego escribir “fugo”.
FUGO consta de las siguientes ventanas: Bienvenido a FUGO, General, Barras, Lineas,
TCD, Métodos.
Figura 3.6 Ventana de presentación “FUGO”
La Figura 3.6 corresponde a la presentación de FUGO, si hace clic en “Entrar”, se
cerrará la ventana Bienvenidos a FUGO, dando paso a una nueva ventana llamada General en
donde se inicia el ingreso de datos del sistema a analizar.
45
Ventana General
En ella se inicia el ingreso de datos del sistema como son: el nombre del Sistema
Eléctrico de Potencia (SEP), número de barras, número de barras controladas (PV), número de
líneas y número de Transformadores con Cambio de Derivación (TCD). Luego de completar con
la información solicitada se tiene acceso a las siguientes ventanas: “Barras”, “Líneas”, “TCD”,
“Métodos”, “Ayuda” y “Salir”.
Ventana Barras
Aquí se debe ingresar el Número de la barra, el Tipo de Barra (PQ, PV ó SL) según
corresponda, Voltaje de la Barra en p.u., Nombre de la Barra, Potencia Generada y Potencia
Consumida en ella (ambas en p.u.).
Ventana Líneas
Aquí se debe ingresar: la ubicación de la Línea, la Impedancia serie (Z) y Admitancia
paralelo (Y/2) de la misma (ambas en tanto por unidad).
Ventana TCD
En la ventana TCD, se debe indicar: la ubicación del TCD, su Impedancia nominal o de
cortocircuito (en p.u.) y el lado en el cual se ubica el tap. También existen 3 botones: “Aceptar”,
“Cerrar” y “Ayuda”.
Ventana Métodos
Aquí se debe elegir alguna de las versiones del método de Newton Raphson con la cual
se quiere resolver el problema. Las opciones son las siguientes: Jacobiano Completo,
Desacoplado y Desacoplado Rápido, además de poder modificar el criterio de convergencia y el
número de iteraciones máximas.
46
Luego de validar toda la información ingresada en cada una de las ventanas de FUGO, y
seleccionando la versión del método de Newton Raphson que se desee se debe pulsar “Aceptar”,
para realizar el cálculo de flujos de potencias.
Presentación de Resultados
El programa, entrega un listado de resultados como archivo de texto con extensión txt, el
cual es abierto inmediatamente después que se termina la ejecución del programa y guarda en un
archivo cuyo nombre corresponde al del sistema y que se muestra a continuación.
SISTEMA EN ESTUDIO 9barras
ESPECIFICACIONES Y DATOS DEL SISTEMA NÚMERO DE NODOS 9 NÚMERO DE LÍNEAS 9 NÚMERO DE NODOS CONTROLADOS 2 NÚMERO DE T.C.D. O ESPECIFICACIÓN Y UBICACIONES DE LAS LÍNEAS ------------------------------------------ UBICACION IMPEDANCIA SERIE ADMITANCIA A TIERRA
DESDE HASTA ( Z ) (Y/2 BARRA N0 BARRA N0 R X G/2 B/2 --------------------------------------------------------------------- 1 3 0.0000 0.0586 0.0000 0.0000 1 6 0.0390 0.1700 0.0000 0.3580 1 8 0.0119 0.1008 0.0000 0.2090 2 7 0.0000 0.0625 0.0000 0.0000 4 5 0.0100 0.0850 0.0000 0.1760 4 6 0.0170 0.0920 0.0000 0.1580 4 9 0.0000 0.0576 0.0000 0.0000 5 7 0.0320 0.1610 0.0000 0.3060 7 8 0.0085 0.0720 0.0000 0.1490
ESPECIFICACIONES DE CARGA DE LAS BARRAS ---------------------------------------
BARRA VOLTAJE POTENCIA GENERADA POTENCIA CONSUMIDA TIPO NOMBRE N0 POT.ACT POT.REAC POT.ACT POT.REAC ----------------------------------------------------------------------------- 1 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 PQ Barra.. .1 2 1.0250 1.7000 0.0000 0.0000 0.0000 PV Barra.. .2 3 1.0000 0.8000 0.0000 0.0000 0.0000 PV Barra.. .3 4 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 PQ Barra.. .4 5 1.0000 0.0000 0.0000 1.3000 0.1000 PQ Barra.. .5 6 1.0000 0.0000 0.0000 1.0000 0.3000 PQ Barra.. .6 7 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 PQ Barra.. .7 8 1.0000 0.0000 0.0000 0.9500 0.2000 PQ Barra.. .8 9 1.0400 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 SL Barra.. .9
47
SOLUCION DEL PROBLEMA **********************
METODO DE NEWTON-RAPHSON *************************
NUMERO DE ITERACIONES = 5.0 EXACTITUD= .001000
POTENCIA GENERADA POTENCIA CONSUMIDA NOMBRE POT.ACT POT.REACT POT.ACT POT.REACT VOLTAJE ANGULO TIPO ------------------------------------------------------------------------- Barra...1 .0000 .0000 .0000 .0000 1.0512 1.6533 PQ Barra...4 .0000 .0000 .0000 .0000 1.0676 —2.3736 PQ Barra...5 .0000 .0000 1.3000 .1000 1.0745 —4.1733 PQ Barra...6 .0000 .0000 1.0000 .3000 1.0636 —4.1989 PQ Barra...7 .0000 .0000 .0000 .0000 1.0637 3.5612 PQ Barra...8 .0000 .0000 .9500 .2000 1.0612 .6843 PQ Barra...3 .8000 -.8558 .0000 .0000 1.0000 4.2106 PV Barra...2 1.7000 -.5510 .0000 .0000 1.0250 9.1545 PV Barra...9 .7983 -.4818 .0000 .0000 1.0400 .0000 SL FACTOR DE POTENCIA DEL SISTEMA = .8562 CAPACITIVO ------------------------------ ----------
FLUJO DE POTENCIA ENTRE BARRAS ******************************
POTENCIA PERDIDA DE A P Q P Q --------------------------------------------------------------------- Barra...3 Barra...1 .8004 —.8558 .0000 .0805 Barra...1 Barra...6 .6278 —.5819 .0151 —.7346 Barra...1 Barra...8 .1726 —.3543 .0005 —.4622 Barra...2 Barra...7 1.7002 —.5510 .0000 .1900 Barra...4 Barra...5 .4087 —.3289 .0016 —.3901 Barra...4 Barra...6 .3896 —.1992 .0023 —.3465 Barra...9 Barra...4 .7983 —.4818 .0000 .0463 Barra...7 Barra...5 .9177 —.5358 .0248 —.5745 Barra...7 Barra...8 .7825 —.2052 .0046 —.2973 ---------------- TOTALES = .0489 —2.4885
Al igual que con el simulador PowerWorld, FUGO calcula lo que tienen que generar las
centrales para cubrir las pérdidas, la magnitud y el ángulo de fase de la tensión y la potencia
activa y reactiva que fluye en cada rama aunque la presentación de los resultados, en forma de
tabla, dificulta su análisis y la comparación con los obtenidos con otros escenarios.
48
Tabla 3.1. Voltajes de barra para el sistema de 9 barras
Datos Resultantes en FUGO
Datos Resultantes en PowerWorld Simulator
Barra |V| (p.u.) δ |V| (p.u.) δ 1 1,0512 1,6533 1,0512 1,647 2 1,0250 9,1545 1,0250 9,148 3 1,0000 4,2106 1,0000 4,203 4 1,0676 -2,3736 1,0676 -2,375 5 1,0745 -4,1733 1,0745 -4,176 6 1,0636 -4,1989 1,0636 -4,202 7 1,0637 3,5612 1,0637 3,556 8 1,0612 0,6843 1,0612 0,679 9 1,0400 0,0000 1,0400 0,000
Tabla 3.2. Flujos de potencia para el sistema de 9 barras
Ubicación Datos Resultantes en FUGO
Datos Resultantes en PowerWorld
Desde Hasta MW MVAr MW MVAr 3 1 80,04 -85,58 80,00 -85,58 1 6 62,78 -58,19 62,75 -58,19 1 8 17,26 -35,43 17,25 -35,43 2 7 170,02 -55,10 170,00 -55,10 4 5 40,87 -32,89 40,90 -32,90 4 6 38,96 -19,92 38,99 -19,92 9 4 79,83 -48,18 79,89 -48,19 7 5 91,77 -53,58 91,74 -53,58 7 8 78,25 -20,52 78,26 -20,52
La Tabla 3.1 muestra que la diferencia en las magnitudes y ángulos de los voltajes de
barra es muy pequeña. No existe error en las magnitudes del voltaje de barra. El máximo error
para los ángulos de los voltajes de barra se presenta sobre la barra 3 y es de 0,1804 %. Tanto para
magnitudes como para ángulos, los valores obtenidos con el programa son iguales o ligeramente
inferiores a los entregados por FUGO. Por otro lado la Tabla 3.2 muestra que el máximo error
que se presenta para los flujos de potencia activa es de 0,0751% y corresponde al flujo existente
entre las barras 9 y 4. El máximo error para los flujos de potencia reactiva es de 0,02 % y se
presenta en las ramas 4 a 5 y 9 a 4. Asumiendo los errores totales en cada rama como la suma del
error de flujos de potencia activa y reactiva, el máximo porcentaje de error que se presenta es de
0,0951 % sobre la rama 9 a 4. Los valores anteriores demuestran la eficiencia del programa
PowerWorld Simulator en la solución de flujos de Potencia.
49
3.3 Cálculo de cortocircuito
Los cortocircuitos ocurren en los sistemas de potencia cuando falla el aislamiento del
equipo, debido a sobrevoltajes del sistema por rayos o variaciones por maniobras de
interruptores, a contaminación del aislamiento (rocío salino o contaminación) o por otras causas
mecánicas. El cortocircuito resultante o la corriente de “falla” se determinan por los voltajes
internos de las máquinas síncronas y por las impedancias del sistema entre los voltajes de
máquina y la falla.
En general, el Cálculo de Cortocircuitos debe proporcionar los siguientes resultados:
- La corriente en el punto de falla
- La potencia de cortocircuito en el punto de falla
- La distribución de corrientes post-falla en todas las líneas del SEP
- Las tensiones post-falla en todas las barras
Para comparar la aplicación de PowerWorld y Matlab en el cálculo de cortocircuitos, en
este punto se considera el sistema de siete barras cuyo diagrama unilineal se muestra en la Figura
3.7. En las tablas del Anexo C se dan los datos de máquinas, líneas y trasformadores del sistema.
Figura 3.7 Diagrama unilineal del sistema de 7 barras
50
3.3.1 Resolución del sistema de 7 barras con PowerWorld
Luego de diseñar el sistema en el simulador y de especificar todos los parámetros en el
Modo Edit, se pasa el Modo Run (Figura 3.8), donde se inicia la simulación. Para apreciar una
falla en una barra del diagrama unilineal, sólo se debe hacer un clic con el botón derecho del
ratón en el símbolo de la barra para mostrar el menú local y luego seleccionar “Fault”. De esta
manera aparece el cuadro de diálogo Fault (Figura 3.9). La barra seleccionada será elegida en
forma automática como la ubicación de la falla. Luego, seleccionar “Calculate” para determinar
las corrientes de falla y los voltajes.
Figura 3.8 Representación del SEP
Además, los valores se pueden animar en el diagrama unilineal al cambiar el valor del
campo Oneline Display (Figura 3.10). Puesto que con una falla trifásica el sistema permanece
balanceado, las magnitudes de las fases a, b y c son idénticas. Los voltajes en las barras y las
corrientes de falla en las líneas para para una falla en la barra 3 se muestran en las tablas 3.2 y 3.4
respectivamente.
51
Figura 3.9 Ventana Fault Análisis
Figura 3.10 Animación del diagrama unilineal
3.3.2 Resolución del sistema de 7 barras con COSEP
En el desarrollo de este ejemplo mediante COSEP se debe ejecutar el programa entrando
a Matlab, ubicar el directorio donde se encuentra COSEP y finalmente escribir “COSEP”.
Cuando se está en C:\MATLAB se debe escribir “cd cosep” lo que le permite acceder a la carpeta
COSEP, donde se encuentra el programa, el que cuenta con las siguientes ventanas.
52
Ventana “Cálculos de Cortocircuitos”
La Figura 3.11 corresponde a la ventana de Presentación de COSEP. Luego de hacer clic
en Entrar, se cierra la ventana “Cálculo de Cortocircuitos” y se ingresa a la ventana “General”
donde se puede iniciar el ingreso de datos.
Figura 3.11 Ventana “Cálculo de Cortocircuito”
Ventana “General”
En esta ventana se inicia el ingreso de datos del sistema en estudio. Se debe indicar: el
nombre del Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), el número de barras, el número de líneas, el
número de barras PV, el número de transformadores, el número de la barra fallada y la
impedancia de falla. Además, luego de completar toda la informacion del SEP se puede tener
acceso a las siguientes ventanas: Barras, Líneas, Transformadores, Ayuda, Tipo de Corto circuito
y Cerrar.
Ventana “Barras”
Al pulsar sobre el botón Barras de la ventana “General” y teniendo ésta todos sus
datos, se abre la ventana “Barras”. En esta ventana se ingresan los datos: Número de la Barra,
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Tipo (PQ, PV,o SL), Voltaje de la Barra, Potencia Generada, Potencia Consumida, si tiene o no
un generador conectado a ella.
Ventana “Líneas”
Al pulsar el botón Línea de la ventana “General” y teniendo ésta todos sus datos, se
despliega la ventana Lineas, donde se debe ingresar: la ubicación de la Línea, la Impedancia serie
de la Línea (Z) para cada una de las secuencias, y la Admitancia paralelo (Y/2) de la misma
(ambas en tanto por unidad).
Ventana “Transformadores”
Al presionar el botón Transformadores de la ventana “General” y si existen todos los
datos de ésta, se puede ingresar a la ventana. En la ventana “Transformadores” se debe ingresar:
El número del transformador, los números de las barras donde está ubicado el transformador, los
voltajes nominales del mismo en kV y la impedancia de puesta de tierra.
Ventana “Tipo de Cortocircuito”
Una vez ingresados todos los datos de las ventanas anteriormente señaladas, se pulsa el
botón Tipo de Cortocircuito, para resolver el problema.
Resultados
Al ejecutar cualquiera de los tipos de cortocircuito, los resultados del cálculo son
entregados como archivo de texto. A continuación se muestra un ejemplo donde se da a conocer
la forma de entrega de resultados para el sistema de 7 barras.
54
SISTEMA EN ESTUDIO 7barras
ESPECIFICACIONES Y DATOS DEL SISTEMA NÚMERO DE BARRAS : 7 NÚMERO DE LÍNEAS : 8 NÚMERO DE BARRAS PV : 1 NÚMERO DE TRANSFORMADORES : 0 NÚMERO DE BARRA FALLADA : 1
MÓDULO ANGULO
IMPEDANCIA DE FALLA 0.0000 0.0000
ESPECIFICACIÓN Y UBICACIONES DE LAS LÍNEAS ------------------------------------------------------------------------------------
UBICACION IMPEDANCIA SERIE (Z) DESDE HASTA SEC(+) SEC(-) SEC(0) BARRA N0 BARRA N0 R X R X R X
------------------------------------------------------------------------------------ 1 3 0.0530 0.2100 0.0530 0.2100 0.1590 0.6300 1 4 0.0630 0.2520 0.0630 0.2520 0.1890 0.7560 1 5 0.0310 0.1260 0.0310 0.1260 0.0930 0.3780 2 3 0.0310 0.1260 0.0310 0.1260 0.0930 0.3780 2 5 0.0420 0.1680 0.0420 0.1680 0.1260 0.5040 3 4 0.0840 0.3360 0.0840 0.3360 0.2520 1.0080 3 7 0.0000 0.0500 0.0000 0.0500 0.0000 0.0500 5 6 0.0000 0.0500 0.0000 0.0500 0.0000 0.0500
-------------------------------------- UBICACION ADMITANCIA A TIERRA DESDE HASTA (Y/2) BARRA N0 BARRA N0 G/2 B/2 --------------------------------------
1 3 0.0000 0.0255 1 4 0.0000 0.0305 1 5 0.0000 0.0155 2 3 0.0000 0.0155 2 5 0.0000 0.0205 3 4 0.0000 0.0410 3 7 0.0000 0.0000 5 6 0.0000 0.0000
“CORTOCIRCUITO TRIFASICO SIN CONSIDERAR Zc SIN CALCULO DE VOLTAJES DE PREFALLA”
TENSIONES DE BARRAS
--------------------------------------------------------------------------------- UBICACION FASE A FASE B FASE C BARRA N0 MÓDULO ANGULO MÓDULO ANGULO MODULO ANGULO ---------------------------------------------------------------------------------
1 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2 0.3697 -8.8667 0.3697 -128.8667 0.3697 111.1333 3 0.3827 -8.8057 0.3827 -128.8057 0.3827 111.1943 4 0.1640 -8.8057 0.1640 -128.8057 0.1640 111.1943 5 0.3525 -8.9446 0.3525 -128.9446 0.3525 111.0554 6 0.4805 -5.2344 0.4805 -125.2344 0.4803 114.7656 7 0.5047 -5.3280 0.5047 -125.3280 0.5047 114.6720
55
TENSIÓN EN LA BARRA FALLADA
--------------------------------------------------------------
FASE A FASE B FASE C MÓDULO ÁNGULO MÓDULO ÁNGULO MÓDULO ÁNGULO
--------------------------------------------------------------
0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
CORRIENTES DE LINEAS ------------------------------------------------------------------------------------ UBICACION FASE A FASE B FASE C DESDE HASTA MÓDULO ANGULO MÓDULO ANGULO MÓDULO ANGULO BARRA N0 BARRA N0
------------------------------------------------------------------------------------ 1 3 1.7670 95.3589 1.7670 -24.6411 1.7670 215.3589 1 4 0.6314 95.2306 0.6314 -24.7694 0.6314 215.2306 1 5 2.7163 94.8775 2.7163 -25.1225 2.7163 214.8715 2 3 0.0999 96.7577 0.0999 -23.2423 0.0999 216.7577 2 5 0.0999 -83.2423 0.0999 -203.2423 0.0999 36.7577 3 4 0.6314 -84.7694 0.6314 -204.7694 0.6314 35.2306 3 7 2.4982 95.3824 2.4982 -24.6176 2.4982 215.3824 5 6 2.6165 94.8057 2.6165 -25.1943 2.6165 214.8057
CORRIENTE EN LA BARRA FALLADA
------------------------------------------------------------------- FASE A FASE E FASE C MÓDULO ANGULO MÓDULO ANGULO MODULO ANGULO
------------------------------------------------------------------- 5.1147 -84.9126 5.1147 -204.9126 5.1147 35.0874
Al igual que con el simulador PowerWorld, COSEP calcula las corrientes de línea, la
magnitud y el ángulo de fase de la tensión, aunque la presentación de los resultados, en forma de
tabla, dificulta su análisis y la comparación con los obtenidos con otros escenarios.
La comparación de los resultados obtenidos con Powerworld y COSEP (Tablas 3.2, 3.3,
3.4 y 3.5) muestra que no existe diferencia en las magnitudes y ángulos de los voltajes de barra y
corrientes de línea y la diferencia que pueda existir es debido a las aproximaciones de cada
programa.
56
Tabla 3.2. Voltajes resultantes en PowerWorld para el sistema de 7 barras
Barra Fase A Fase B Fase C Nº Módulo Angulo Módulo Angulo Módulo Angulo 3 0,00000 0,00 0,00000 0,00 0,00000 0,00 2 0,36975 -8,87 0,36975 -128,87 0,36975 111,13 3 0,38270 -8,81 0,38270 -128,81 0,38270 111,19 4 0,16402 -8,81 0,16402 -128,81 0,16402 111,19 5 0,35246 -8,94 0,35246 -128,94 0,35246 111,06 6 0,48054 -5,23 0,48054 -125,23 0,48054 114,77 7 0,50473 -5,33 0,50473 -125,33 0,50473 114,67
Tabla 3.3. Voltajes resultantes en COSEP para el sistema de 7 barras
Barra Fase A Fase B Fase C Nº Módulo Angulo Módulo Angulo Módulo Angulo 1 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 2 0,3697 -8,8667 0,3697 -128,8667 0,3697 111,1333 3 0,3827 -8,8057 0,3827 -128,8057 0,3827 111,1943 4 0,1640 -8,8057 0,1640 -128,8057 0,1640 111,1943 5 0,3525 -8,9446 0,3525 -128,9446 0,3525 111,0554 6 0,4805 -5,2344 0,4805 -125,2344 0,4805 114,7656 7 0,5047 -5,3280 0,5047 -125,3280 0,5047 114,6720
Tabla 3.4. Corrientes de línea resultantes en PowerWorld para el sistema de 7 barras
Ubicación Fase A Fase B Fase C Desde Hasta Módulo Angulo Módulo Angulo Módulo Angulo
1 3 1,76699 95,36 1,76699 -24,64 1,76699 -144,64 1 4 0,63142 95,23 0,63142 -24,77 0,63142 -144,77 1 5 2,71631 94,88 2,71631 -25,12 2,71631 -145,12 2 3 0,09987 96,76 0,09987 -23,24 0,09987 -143,24 2 5 0,09987 -83,24 0,09987 156,76 0,09987 36,76 3 4 0,63142 -84,77 0,63142 155,23 0,63142 35,23 3 7 2,49825 95,38 2,49825 -24,62 2,49825 -144,62 5 6 2,61650 94,81 2,61650 -25,19 2,61650 -145,19
Tabla 3.5. Corrientes de línea resultantes en COSEP para el sistema de 7 barras Ubicación Fase A Fase B Fase C
Desde Hasta Módulo Angulo Módulo Angulo Módulo Angulo 1 3 1,7670 95,3589 1,7670 -24,6411 1,7670 215,3589 1 4 0,6314 95,2306 0,6314 -24,7694 0,6314 215,2306 1 5 2,7163 94,8775 2,7163 -25,1225 2,7163 214,8715 2 3 0,0999 96,7577 0,0999 -23,2423 0,0999 216,7577 2 5 0,0999 -83,2423 0,0999 -203,2423 0,0999 36,7577 3 4 0,6314 -84,7694 0,6314 -204,7694 0,6314 35,2306 3 7 2,4982 95,3824 2,4982 -24,6176 2,4982 215,3824 5 6 2,6165 94,8057 2,6165 -25,1943 2,6165 214,8057
57
Tanto para el cálculo de flujos de potencia como el cálculo de cortocircuitos las
diferencias no está en los resultados entregados por los programas antes vistos, sino en como se
presentan los datos. Uno de los aspectos más importante de PowerWorld es su capacidad gráfica,
con la cual se puede desplegar completamente el diagrama unilineal del sistema.
Otro aspecto importante de PowerWorld es su capacidad de mostrar en pantalla lo que
está sucediendo dentro del sistema. La ventaja de este esquema unilineal radica en que se puede
conseguir rápidamente una percepción de los flujos de una porción grande del sistema. Sin
embargo, cuando se animan los flujos se consigue un efecto más claro. Flechas de color en las
líneas de transmisión, cargas y generadores están animadas, con su movimiento, tamaño y
dirección proporcionales a la magnitud y la dirección del flujo de potencia. Las opciones le
permiten modificar estos parámetros para una mejor conveniencia.
Todos los parámetros, funciones y herramientas del modelo son fácilmente accesibles
mediante la interfaz gráfica del usuario (IGU) de Simulator, lo cual ofrece un fácil manejo
además de una gran ayuda tanto en la utilización del programa como en la interpretación de sus
resultados. Usando los diagramas unilineales y la información en los diálogos, es posible
construir y modificar un modelo gráficamente y verificar de manera conveniente que los cambios
que se han hecho son efectivamente correctos. En el Modo de Edición, el programa permite
construir nuevos casos ya sea desde el principio o desde un caso de flujo de potencia existente.
3.4 Algunas observaciones al programa encontradas durante los cálculos de flujos de
potencia y corto circuito
El programa PowerWorld permite establecer múltiples islas durante la simulación; esto
quiere decir que si una o varias partes del sistema quedan aisladas, el programa permite simular
los flujos de carga en éstas ya que asigna en cada una de ellas una barra de referencia.
Cuando se utiliza la opción de simulación en el tiempo se tiene la posibilidad de simular
eventos inesperados sobre el sistema; el programa permite decidir con que frecuencia se quieren
simular eventos como una descarga atmosférica sobre una línea, un tornado, entre otros. Esto
ocasionará la apertura de una línea (o de una parte del sistema).
58
Para los generadores y las cargas no se dispone de una opción específica para definir el
tipo de conexión de los elementos, es decir, no se puede decir si el elemento está conectado en Y
o en ∆. Como solución a esta limitación, en el caso de los generadores, la conexión a tierra de
estos elementos se puede manipular modificando el valor de la impedancia neutro - tierra (Zn).
Para el caso de las cargas, los valores que deben modificarse dependiendo de la puesta a tierra de
las mismas, son los de admitancia de secuencia cero que se ingresan en los registros de las barras
a las cuales se conectan. (Anexo A).
Permite efectuar control de generación en un área específica por varios métodos: Control
de participación de los generadores del área, el cual presenta varias opciones para definir la
contribución de cada generador por medio de los factores de participación; Control por despacho
económico, Control por flujo óptimo de potencia y Control por la barra slack del sistema.
Una de las limitaciones presentadas por el programa es que para el modelado de
motores, no existe un elemento que permita definirlos específicamente. La alternativa disponible
para motores síncronos es tomarlos como si fueran generadores, teniendo claro que la salida de
potencia tanto activa como reactiva debe ser especificada como un valor negativo.
Para cálculos de fallas PowerWorld Simulator permite visualizar únicamente las
corrientes de falla en una sola barra a la vez, es decir, no hay posibilidad de encontrar las
corrientes de falla sobre cada barra del sistema en una sola simulación (Anexo B).
La presentación de los resultados de los cálculos de fallos, difiere de la efectuada por el
programa para los cálculos de flujo de carga. En el último caso, los resultados se presentan
compendiados para todos los elementos en un sólo listado, mientras que en el primer caso, los
resultados se presentan como tablas para cada elemento por separado. Lo anterior limita la
visualización global de los resultados y dificulta la portabilidad de los mismos, haciendo
necesario para efectos de ensamblar un sólo reporte, copiar y pegar reiteradamente los resultados
de cada elemento del sistema (Anexo B).
En el análisis de fallas, el programa PowerWorld Simulator tiene en cuenta los
parámetros de las cargas en los cálculos de la corriente de falla, a diferencia de lo encontrado
59
usualmente en la bibliografía y en otros programas. Estos parámetros son tomados por el
programa en los estudios de fallas como admitancias de secuencia en paralelo con las barras de
carga. Por otra parte, aunque no se permite definir explícitamente la conexión a tierra de la carga,
esta se puede tener en cuenta en los datos de admitancia de secuencia cero (Anexo B).
Se puede realizar el análisis de fallas sobre cualquier parte de una línea de transmisión;
en el fondo lo que el programa realiza es una falla sobre una nueva barra ingresada al sistema y
ubicada en el lugar especificado para ello.
Una de las debilidades de este programa y de la mayoría de programas comerciales
disponibles para la simulación de sistemas de potencia es que no permiten la simulación de
cargas desbalanceadas.
3.5 Otros programas de simulación de sistemas de potencia
Esta es una invitación a explorar el mundo de los programas comerciales, sabiendo
desde ya que su costo difícilmente esta al alcance de estudiantes e instituciones. Dichos
programas en algunos casos proponen ejemplos desarrollados que pueden ser de gran utilidad en
la comprensión de la solución de distintos problemas, de los datos empleados en la misma y de
los resultados que deben obtenerse y cómo estos se presentan.
En general, para obtener cualquiera de estos programas de simulación es necesario
realizar una fuerte inversión económica, y en el caso de la Universidad, justificar adecuadamente
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 algunos de los programas
de simulación "demo" utilizados actualmente. A modo de ejemplo, los programas que se
60
presentan son: CYMFAULT, CYMFLOW, DIgSILENT, ETAP PowerStation, Neplan y
WINFLU.
3.5.1 CYMFAULT [9]
CYMFAULT es un programa diseñado para simular condiciones de falla en sistemas
eléctricos de potencia trifásica. Su sistema de ingreso de datos amigable al usuario, su capacidad
para generar una multitud de reportes y su flexibilidad para aplicar todas las normas aceptadas
por la industria son atributos que hacen de el, una buena herramienta para realizar estos estudios
tan comunes pero a la vez importantes de sistemas de potencia.
Este programa cumple con las normas norteamericanas ANSI C37.5, ANSI C37.010,
ANSI C37.13 y Europeas IEC-60909. También es capaz de realizar estudios convencionales de
cortocircuito sin referencia a ninguna norma en particular. El programa realiza:
• Fallas en derivación: trifásicas, fallas de fase a tierra, fallas de fase a fase y de fase a
fase con tierra.
• Fallas serie (una fase abierta, dos fases abiertas y desbalance serie trifásico).
• Reducción de redes en forma separada para relaciones ANSI X/R.
• Fallas con arco usando impedancias de falla definidas por el usuario.
• Acoplamiento mutuo de secuencia cero.
• Modelación de transformadores con tres devanados en secuencia positiva y cero.
• Bancos de transformadores desfasadores conectados en delta-estrella ∆-Y
• Cálculo de fallas en el inicio y al final de las líneas.
• Evaluación de la eficacia de los dispositivos de interrupción.
• Opción automática de falla deslizante en líneas y/o cables de transmisión.
• Reportes de la tensión y corriente en todo el sistema junto con la contribución de las
máquinas. (Valores por fase y por secuencia).
61
3.5.2 CYMFLOW [9]
Es un programa diseñado para realizar estudios de flujos de potencia en redes eléctricas
trifásicas. Cuenta con herramientas analíticas poderosas y técnicas alternativas de resolución. El
programa utiliza los métodos más modernos de productos de matriz dispersa por vector y
algoritmos de solución múltiple (Métodos de Newton-Raphson Completo, Desacoplado Rápido y
Gauss-Seidel). El programa considera:
• Análisis de redes compuestas de millares de barras y ramas.
• Varias barras de referencia (swing).
• Selección automática de barras de referencia (swing) para subsistemas aislados.
• Opción de barra de referencia distribuida.
• Solución simultánea de redes aisladas.
• Intercambio de potencia activa entre áreas incluyendo generadores de control de área.
• Límites de potencia reactiva de generadores y control remoto de tensiones.
• Control local o remoto de tensiones y flujo de potencia reactiva por medio de
transformadores con cambiador de derivaciones.
• Control de flujo de potencia activa mediante transformadores desfasadores.
• Elementos conmutables en derivación
• Modelación generalizada de cargas, incluyendo potencia, corriente o impedancia
constantes.
• Representación y control de líneas de corriente continua (c.c).
• Sistemas de conversión de energía eólica (WECS).
• Modelación y representación de dispositivos FACTS (UPFC y STACOM).
• Sobrecorriente de conexión del transformador (corriente de Inrush).
• Codificación a colores de equipos sobrecargados y barras con tensiones fuera de límites
en el diagrama unilineal de la red.
• Unidades definidas por el usuario para tensiones de barra y flujos de línea aplicables a
los resultados tabulares y gráficos.
62
• Reportes tabulares exportables directamente a otros programas con hojas de cálculo
como MSExcel.
3.5.4 DIgSILENT PowerFactory [10]
Es un una herramienta para aplicaciones en generación, transmisión, distribución y
sistemas industriales. Integra todas las funciones, es fácil de utilizar, totalmente compatible con
Windows y combina una serie de capacidades de modelado confiable y flexible del sistema con
algoritmos innovadores y un concepto de base de datos única.
Permite realizar flujos de carga balanceados y desbalanceados, análisis de fallas,
armónicos, barrido de frecuencia, estabilidad, Simulaciones electromagnéticas (EMT) para tres,
dos y una fase en sistemas de CA y CD, simulación y coordinación de protecciones, confiabilidad
en distribución, transmisión y generación, análisis de pequeñas señales, estabilidad de voltaje
estática y dinámica, despacho de potencia activa y reactiva, estimación de estado, ubicación
optima de capacitores, selección de cables, interfaces para la integración de GIS y SCADA,
compatibilidad con PSS/E.
DIgSILENT incorpora una lista de funciones de simulación que incluye:
• Flujos de carga y Análisis de fallas de una red con una representación completa en CA y
CD
• Optimización de redes de distribución
• Dimensionamiento de cables según IEC
• Simulación Dinámica
• Simulación electromagnética (EMT)
• Análisis del comportamiento de protecciones
• Análisis armónico
• Análisis de confiabilidad
• Análisis de estabilidad de voltaje
63
• Análisis de contingencias
• Modelado de dispositivos de electrónica de potencia
• Interfaz para SCADA/GIS/NIS
• Compatibilidad con otros programas como PSS/E y PSS/U
• Base de datos multi-usuarios
• Herramientas avanzadas: Flujos óptimos de potencia.
DIgSILENT es un solo programa ejecutable, y es completamente compatible con
Windows 95/98/NT/2000/XP. El método de programación empleada permite una rápida
ejecución, y elimina la necesidad de volver a ejecutar módulos para actualizar o transferir
resultados entre diferentes aplicaciones del mismo programa. Como ejemplo, el análisis de flujos
de potencia, análisis de falla y flujos armónicos pueden ser ejecutados subsecuentemente sin
tener que volver a ejecutar el programa, habilitando módulos adicionales o permitiendo la lectura
de archivos de datos externos.
3.5.4 ETAP PowerStation [11]
ETAP PowerStation es un programa computacional completamente gráfico utilizado
para analizar transitorios eléctricos en sistemas de potencia. Para su ejecución se requiere de
cualquiera de las siguientes plataformas operativas: Windows 95, 98, 2000 o NT, siendo esta
última la más recomendada cuando se simulan sistemas de gran tamaño.
Los datos de los elementos pueden manipularse en cualquier manejador de bases de
datos que cumpla con el estándar Microsoft ODBC. La estructura de archivos de ETAP
PowerStation está constituida por dos tipos de archivo: uno correspondiente a una base de datos
que incluye las tablas de datos de todos los elementos y otro que almacena los datos de
información del usuario y de control del proyecto. Posee además archivos de biblioteca que
almacenan datos de cables, motores, protecciones, entre otros.
Los tipos de análisis permitidos por este programa son:
64
• Flujos de carga.
• Corto circuito.
• Arranque de motores.
• Análisis armónico.
• Estabilidad transitoria.
• Flujo de potencia óptimo.
• Flujo de carga DC.
• Corto circuito DC.
• Dimensionamiento de baterías.
• Sistemas subterráneos.
La operación del programa se basa en dos modos: un modo de edición donde se
construye el diagrama unilineal y se ingresan las propiedades de los elementos y un modo de
estudio donde se dispone de todos los tipos de análisis permitidos por el programa.
3.5.5 Neplan [12]
Este programa permite analizar sistemas eléctricos de potencia, permitiendo, entre otras
cosas, realizar flujos de carga óptimos, estudiar la estabilidad transitoria, analizar la continuidad
del sistema. Se utiliza para analizar, planificar y optimizar redes eléctricas. Existe una versión
con licencia educacional, que permite estudiar sistemas eléctricos de hasta 50 nudos y sus
características principales son:
• Los diagramas unilineales 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.
65
• Realiza el cálculo de fallas definidas por el usuario, y dispone de una biblioteca de fallas
especiales. Ordena los listados de resultados por nivel de tensión.
• Las impedancias de cortocircuito y todas las corrientes de falla 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).
3.5.6 WINFLU [13]
Es un programa para la simulación de flujos de potencia en sistemas eléctricos,
desarrollado para su procesamiento bajo el entorno Windows de Microsoft. Aprovecha las
ventajas que ofrece este entorno para lograr un manejo gráfico-interactivo que reduce
notablemente el tiempo requerido por el usuario para efectuar los estudios de flujo de potencia.
Diseñado para operar en modo interactivo gráfico con despliegue de menús intuitivos y
con archivos de ayuda. Brinda además resultados en el diagrama unilineal y reportes detallados,
diagramas de carga de hasta 12 instantes de carga en un mismo diagrama, exportación a otros
entornos gráficos. Es un conjunto integrado de funciones en un programa ejecutable, que permite:
• Crear el diagrama unilineal del sistema eléctrico en estudio.
• Ingresar los datos mediante cajas de diálogo abiertas para elementos seleccionados en
forma gráfica.
• Efectuar cálculos de flujo de potencia, y presentar los resultados gráficamente (en
diagrama unilineal), con indicación de tensiones fuera de límite y sobrecargas en línea y
transformadores.
• Determinar los factores de penalización para el último flujo ejecutado.
• Determinar la potencia de cortocircuito para el último flujo ejecutado.
• Crear cuadros de datos y resultados en archivos en formato ASCII.
66
• Importar datos de cargas y generadores de archivos en formato ASCII.
• Exportar el diagrama en formato gráfico Standard DXF.
• Imprimir el diagrama (o una porción del mismo) en cualquier dispositivo (impresora o
plotter) soportado por Windows.
Para la ejecución del programa se requiere como mínimo una computadora personal con
procesador 386 y 4 MB de RAM, con sistema operativo MSDOS 6.0 y Windows 3.1, o versiones
mas recientes. Es recomendable contar con 8 MB de RAM y procesador 486 para la simulación
de sistemas de mayor envergadura con óptimos resultados.
El cálculo de flujo de potencia se efectúa con el método de Newton-Raphson y ofrece la
posibilidad de afinar la solución inicial mediante una iteración de Gauss-Seidel.
67
CAPÍTULO 4 – CONCLUSIONES
Además de las observaciones efectuadas en el apartado 3.4, muchas de las cuales pueden considerarse como conclusiones finales; se indican a continuación las siguientes conclusiones generales: • El uso de programas de simulación, constituye un elemento primordial en la educación
de Ingeniería Eléctrica a todo nivel, ya que no sólo proporciona una forma cercana de observar los fenómenos físicos analizados en las clases teóricas sino que también brinda una oportunidad para que el aprendizaje de los conceptos fundamentales se realice de una manera dinámica.
• En el área particular de sistemas de potencia, el uso de programas de simulación para
realizar estudios de flujos de carga, de corto circuito y otros estudios afines, se constituye en una herramienta complementaria a las clases teóricas y en la forma más cercana de interactuar con un sistema de potencia real.
• Para el uso de programas de simulación (tanto de flujos de carga como de corto circuito)
se requiere de un completo entendimiento del soporte teórico. Este se constituye en la base para el mejor entendimiento de éste, así como para el usuario, en el fundamento de una correcta interpretación y análisis de resultados.
• De la simulación de los casos de prueba realizados se observa que este tipo de
herramientas computacionales presentan un funcionamiento general bastante bueno y proporcionan unos resultados de simulación de una precisión considerable.
• 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. Esto hace necesario el acercamiento a este tipo de programas, lo
que permite además de aprender el funcionamiento del sistema eléctrico de potencia en
cualquier situación, familiarizarse con las diferentes herramientas digitales.
68
• En la utilización de estas nuevas herramientas de simulación, no sólo tiene importancia
el hecho de que dicho programa sea capaz de resolver un problema determinado, si no
también su visualización, ya que en la solución de un problema complejo, ella refuerza
los principios aprendidos por métodos tradicionales. Por eso, complementar una clase
matemática tradicional para analizar el sistema eléctrico de potencia con un interface
informático, gráfico, animado y de fácil uso tiene un gran valor pedagógico.
• La resolución de flujos de carga constituye un instrumento básico en la operación y
planificación de un sistema eléctrico de potencia, de mayor complejidad cuanto mayor
es el tamaño del sistema. Existen múltiples herramientas que permiten resolver este
problema, con la ventaja que PowerWorld Simulator además de resolver los flujos de
carga, fallas por cortocircuito y los problemas de despacho económico, utiliza
diagramas animados para mostrar gráficamente la solución.
• En este trabajo, se han mostrado sus ventajas frente a herramientas desarrolladas en
Matlab; donde, además de obtener los mismos resultados, utiliza un entorno mucho más
gráfico, sencillo y educativo.
• La utilización de versiones "demo" es una opción a la compra de este tipo de
herramientas, pues 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. Por esto se han presentado las características principales de
algunos de los programas "demo" existentes en Internet, así como las páginas de las
cuales se pueden descargar.
69
BIBLIOGRAFIA
[1] Url: http://www.powerworld.com/. “Página Web de los desarrolladores del programa
de Simulación POWERWORLD”.
[2] Jhon J. Greinger, William D. Stevenson J. “Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia”
McGraw-Hill, 1996.
[3] Manuel J. Villarroel M. “Sistemas Eléctricos de Potencia II” Depto. de Ingeniería
Eléctrica Universidad de la Frontera, 2003.
[4] J. Duncan Glover, Mclukutla S. Sarma, “Sistemas de Potencia Análisis y Diseño”,
Tercera Edición, 2004.
[5] Gerardo A. Ojeda R. y Fred A. Urra A; “Cálculo de flujos de Potencia utilizando
métodos de Newton Raspón: Una Aplicación deMatlab”, Memoria de Título, Depto.
de Ingeniería Eléctrica, Universidad de la Frontera Temuco, 1998.
[6] Francisco A. Solis G. y Roberto E. Paillalef. C; “Cálculo de flujos de Potencia para
Sistemas de Distribución Radial”, Memoria de Título, Depto. de Ingeniería Eléctrica,
Universidad de la Frontera Temuco, 1999.
[7] Noelia I. Barra F. y Rodolfo C. Gutierrez G; “Cálculo de Cortocircuitos en Sistemas
Electricos de Potencia”, Memoria de Título, Depto. de Ingeniería Eléctrica, Universidad
de la Frontera Temuco, 1999.
[8] Ricardo A. Zencovich B; “Estudio y Aplicación del Software Etap al Sistema
Eléctrico de Methanex Chile Limited”, Memoria de Título, Depto. de Ingeniería
Eléctrica, Universidad de la Frontera Temuco, 2003.
70
[9] Url: http://www.Cyme.com/. “Página Web de los desarrolladores de los programas
CYMFAULT y CYMFLOW”.
[10] Url: http://www.digsilent.de/. “Página Web de los desarrolladores del programa de
Simulación DIgSILENT”.
[11] Url: http://www.etap.com/. “Página Web de los desarrolladores del programa de
Simulación ETAP PowerStation”.
[12] Url: http://www.neplan.cl/. “Página Web de los desarrolladores del programa
Neplan”.
[13] Url: http://www.geocities.com/siliconvalley/vista7485/. “Página Web de los
desarrolladores del programa WINFLU”.
71
ANEXO A: CALCULO DE FLUJOS DE POTENCIAS DE UN SEP
EN POWERWORLD SIMULATOR
A1.- OBJETIVOS
Conocer las acciones básicas para insertar los elementos fundamentales de un sistema de
potencia con el programa PowerWorld Simulator así como las opciones de simulación necesarias
para correr un flujo de potencia.
A2.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema que se va analizar consiste de un generador alimentando una carga a través de
una línea de transmisión. La línea es trifásica y tiene una impedancia serie Z. Los datos de la
carga conectada y de los demás elementos se muestran en la Tabla A.1. En la Figura A.1 se
muestra el diagrama unilineal del sistema.
Figura A.1. Diagrama unilineal del sistema.
Tabla A.1. Datos de los elementos para el sistema.
Elemento Voltaje Potencia Impedancia
Generador 115 kV Máxima 80MW -94<Q<94 MVAR
—
Linea (4,5 km)
115 kV Límite 100 MVA Z1=0,0946+j0,4632 Ω/km Y1=3,596 µS/km~
Carga 115 kV 60 MW fp=0,8 ↓ ---
72
A.3.- PROCEDIMIENTO
A.3.1 Suponga unas bases para el sistema de 115 kV y 100 MVA; halle la impedancia y la
admitancia de la línea en p.u. Calcule además la potencia reactiva de la carga.
A.3.2 Inicie el programa PowerWorld Simulator. En el menú File escoja la opción New Case
para crear un nuevo modelo. Identifique las barras de herramientas que se muestran en la
Figura A.2.
A.3.3 En la barra de herramientas Insert ubique el cursor del Mouse sobre cada botón de la
barra para identificar los tipos de elementos disponibles. Haga clic sobre el botón Bus
para insertar la primera barra del sistema. Suelte el botón del Mouse y ubique el puntero
sobre el lugar donde se quiere insertar la barra; por último haga clic en dicho lugar.
Figura A.2. Ambiente de trabajo de PowerWorld Simulator y sus barras de herramientas.
.
73
A.3.4 Al realizar el paso A.3.3 se abre una ventana llamada Bus Options (Figura A.3). En
dicha ventana verifique y/o modifique los siguientes campos: Bus Name: digite el
nombre ‘Ref para esta barra. Shape: Seleccione la forma de la barra. Area Number,
Area Name: el número de área para este ejemplo será 1 y el nombre será “Area 1”.
Nominal Voltage: coloque en este campo el número 115. System Slack Bus: active esta
opción haciendo clic sobre ella (esta será la barra de referencia del sistema). Haga clic
en el botón OK.
Figura A.3. Ventana Bus Options.
A.3.5 Haga clic sobre el botón Generator en la barra Insert. Ubique el puntero del Mouse
sobre la barra ya insertada y haga click sobre ella para abrir la ventana Generator
Options (Figura A.4). En la sección MW and Voltage Control cambie los siguientes
campos: Max MW Output 80, Regulated Bus Number = 1, Setpoint Voltage =1, Min
Mvars = -94, Max Mvars = 94. Haga clic en el botón OK.
A.3.6 De la misma forma que insertó la primera, inserte ahora la segunda barra. En la ventana
de opciones de barra modifique los siguientes campos: En el campo Shape seleccione la
opción Rectangular. En el campo Nominal Voltage ingrese 115. Cambie el campo Bus
Name a “Carga”.
.
74
Figura A.4. Ventana Generator Options.
A.3.7 Para insertar la carga haga clic en el botón Load de la barra lnsert y ubique el cursor del
mouse sobre la barra 2. Haga clic sobre ella para invocar la ventana de opciones Load
Options (Figura A.5). En esta ventana ingrese el valor 60 en el campo MW Value de la
sección Constant Power y en el campo MVAR Value el valor hallado en el paso A.3.1.
A.3.8 Para insertar la línea de transmisión haga clic en el botón AC Transmlssion Line de la
barra de herramientas lnsert. Ubique el cursor en la barra 1 y haga clic, suelte el botón y
mueva el mouse hacia la otra barra; al llegar a ésta haga doble clic sobre la misma. Se
abre entonces la ventana Transmission Line/Transformer Options (Figura A.6);
ingrese en dicha ventana los datos hallados en el paso A.3.1 para la impedancia y
admitancia de la línea en p.u. en los campos Resistance (R), Reactance (X), Charging (B
o C) (Nota: los valores decimales deben ir separados por comas). Ingrese en el campo
Limit A (MVA) el valor 100. Haga clic en el botón OK para grabar los datos y cerrar la
ventana.
.
75
Figura A.5. Ventana Load Options.
A.3.9 Haga clic en el botón Bus Field de la barra lnsert. Ubique el cursor sobre la barra 1 y
haga clic nuevamente. Esto abre la ventana Bus Field Options (Figura A.7); en ella
escoja la opción Bus Voltage. Repita este mismo paso para insertar los siguientes
campos: Bus Angle (ángulo del voltaje de barra) y Bus Volt kV (voltaje de la barra en
kV), explorando para este último campo la opción Select a Field. Repita este mismo
paso para la barra 2.
A.3.10 De manera similar a lo realizado en el paso anterior para las barras, abra la ventana Line
Field Options (Figura A.8) para insertar los siguientes campos de información de la
línea: AC Line MW Flow y AC Line MVAR Flow en cada extremo de la línea, así
como AC Line MW Losses y AC Line MVAR Losses.
.
76
Figura A.6. Ventana Transmisión Line/Transformer Options.
Figura A.7. Ventana Bus Field Options.
.
77
Figura A.8. Ventana Line Field Options.
A.3.11 Haga un click con el boton derecho del mouse sobre el campo MW de la carga. Esto
abre la ventana Load Field Options (Figura A.9); coloque en la opción Delta per
Mouse Click el valor 10 (para incrementar la potencia de la carga desde el diagrama
unilineal). Haga lo mismo con los MVAR de la carga.
Figura A.9. Ventana Bus Field Options.
A.3.12 Haga clic en el botón Text de la barra lnsert, ubíque el cursor encima del campo
.
78
correspondiente a las pérdidas en MVAR de la línea y haga clic nuevamente. A
continuación se abre un cuadro llamado Text Object Dialog (Figura A.10); escriba aquí
el texto: “Pérdidas de MW” y haga clic en el botón OK. Haga lo mismo para insertar el
texto para: “Pérdidas de MVAR”.
Figura A.10. Ventana Text Object Dialog.
A.3.13 En la barra lnsert haga clic sobre el icono Background Rectangle. Ubique el cursor en
una esquina y mantenga presionado el clic para dibujar un rectángulo de fondo para el
diagrama.
A.3.14 Después de haber seguido los pasos anteriores el diagrama unilineal debe verse de
manera similar a la mostrada en la Figura A.11.
Figura A.11. Vista del diagrama unilineal para el sistema en PowerWorld
A.3.15 Para realizar una simulación sencilla de flujo de potencias. En la barra de menús haga
click en Options y escoja la opción Solution/Environment. En la sección Power Flow
.
79
Solution active las opciones Restore Initial State on Restart. Verifique que el campo
Convergence Tolerance tenga el valor de 0,1. En el campo Maximum Number of
lterations coloque 25. En la sección Limits active las opciones Enforce Generator
MW Limits.
A.3.16 Seleccione en la barra de programa la opción Run Mode con el clic izquierdo (si esta
barra no se encuentra activa, vaya al menú Window, escoja la opción Toolbars y active
la opción Run Mode). Haga clic también en el botón Log de esta misma barra para que
se active el cuadro Message Log que muestra un registro de todas las acciones de
simulación que se realizan. Estando en modo simulación ejecute el comando Single
Solution para correr el flujo de potencia. Observe la magnitud de los voltajes y ángulos
de barra, los MW y MVAR generados, las pérdidas, el porcentaje de carga y los flujos
de MW y de MVAR a través de la línea de transmisión por medio de los campos en el
diagrama unilineal.
A.3.17 Seleccione la opción Power Flow List del menú Case Information para visualizar los
resultados en forma de tabla (Figura A.12).
Figura A.12. Ventana Bus Power Flows.
.
80
ANEXO B: CALCULO DE FALLAS CON POWERWORLD SIMULATOR SOBRE UNA
BARRA DE CARGA
B.1. Objetivo
Conocer y manejar las opciones disponibles en PowerWorld Simulator para efectuar
análisis de fallas así como los tipos de corto circuito que este realiza.
B.2. Descripción
El sistema para analizar es el mismo del Anexo A de flujos de carga. Se quiere encontrar
los valores de las corrientes de corto circuito para fallas Línea-Tierra, Línea-Línea, Línea-Línea-
Tierra y Trifásica, ocurridas en la barra de carga (barra 2). Los datos adicionales para el análisis
de corto circuito se muestran en la Tabla B.1. La base para los datos en p.u. es de 100 MVA a
115 kV.
Tabla B.1. Datos de impedancias de secuencia para el sistema.
Elemento ImpedancIa Generador
(sólidamente aterrizado) R1=R2=0,0011 p.u.
R0=0,0010 p.u. X1=0,0849 p.u.; X2=0,0528 p.u.;
X0=0,0462 p.u. Línea
(4,5 km) Z0=0,4144 + j1,484 Ω/km
Y0=2,016 µS/km Carga
(sólidamente aterrizada) G2=G0=0,6 p.u.
B2=B0=-0,46 p.u.
Figura B.1. Diagrama unilineal del sistema según PowerWorld
.
81
B.3. Procedimiento
B.3.1 Recupere los archivos pwd y pwb del sistema de la Figura A.1 de flujos de carga, con
los datos entregados en la Tabla B.1.
B.3.2 En modo edición, abra la ventana de opciones del generador, vaya a la sección Fault
Parameters (Figura B.2) e ingrese los datos mostrados en la Tabla B.1 para las
impedancias de secuencia del mismo.
Figura B.2. Ventana Generador Options
B.3.3 Abra la ventana de opciones de la línea de transmisión, vaya a la sección Fault
Parameters (Figura B.3) e ingrese los parámetros de falla de la línea (debe calcular los
datos de secuencia cero en p.u. para la línea). Los parámetros de secuencía positiva y
negativa son tomados por el programa como los parámetros ingresados para el cálculo
de flujos de Potencia. (Nota: La sección Zero Sequence Line Shunt Admittance es
solamente para los datos de secuencia cero de los elementos de compensación en
paralelo con la línea).
.
82
Figura B.3. Ventana Transmisión Line/Transformer Options
B.3.4 En la ventana de opciones de la carga (Figura B.4), cambie el tipo de carga a impedancia
constante; es decir, ingrese los valores en los campos correspondientes a Constant
Impedance.
B.3.5 Para ingresar las impedancias de secuencia de la carga, abra la ventana de opciones de la
barra 2 y vaya a la sección Fault Parameters (Figura B.5). Ingrese los valores de
admitancia de secuencia negativa y cero mostrados en la Tabla B.1. (Nota: Se debe tener
en cuenta que PowerWorld Simulator no permite definir la conexión de la carga en un
campo específico; se deben calcular las admitancias de secuencia teniendo en cuenta la
conexión de la carga).
B.3.6 Después de haber ingresado los parámetros de falla de todos los elementos, seleccione el
modo simulación. Vaya a la opción Fault Analysis (Figura B.6) del menú
Options/Tools.
.
83
Figura B.4. Ventana Load Options
Figura B.5. Ventana Bus Options
.
84
B.3.7 En la ventana de opciones resultante para el análisis de fallas ingrese en el campo Fault
Bus el número 2 para simular una falla en la barra de carga. En la sección Fault Type
seleccione Single Line To Ground para simular una falla línea - tierra.
B.3.8 Para visualizar la corriente de falla en Amperes, escoja el campo Amps en la sección
Data Type Shown.
B.3.9 Haga clic en el botón de comando Calculate de la ventana de opciones de análisis de
fallas (Nota: Si no se visualiza este botón, maximice la ventana de opciones de análisis
de fallas).
B.3.10 Tan pronto como se ha ejecutado el comando calcular, se podrán visualizar los datos
resultantes del análisis de cortocircuito. La magnitud y ángulo de la corriente de falla se
pueden visualizar en el extremo superior derecho en el campo Fault Current (Nota: Es
importante aclarar que PowerWorld Simulator no permite generar un reporte con todos
los datos del análisis de corto circuito. La opción disponible en la ventana de opciones
de fallos es la de copiar y pegar los datos en un documento de texto).
Figura B.6. Ventana Fault Analysis
B.3.11 Para llevar los datos a un documento de texto haga clic derecho sobre cualquier celda de
la tabla de resultados correspondiente a las barras; seleccione la opción Copy All para
.
85
copiar toda la información de voltajes de barra a un documento de texto. Haga clic en la
sección Lines de la tabla de resultados de fallo y copie los resultados de las corrientes
que circulan por la línea al informe. Haga lo mismo con los datos de generadores y de
cargas. Haciendo uso del clic derecho copie la magnitud y ángulo de la corriente de
falla; coloque un texto en el informe para que distinga estos datos del fallo línea-tierra
(Sugerencia: Utilice la opción Display/Columns Options del menú resultante al hacer
clic derecho sobre cualquier celda de las tablas de información de fallas, para cambiar el
tipo de letra de los datos y ajustar el ancho de las columnas automáticamente; esto
ayudará a que se puedan visualizar todos los datos en la pantalla).
B.3.12 Puede visualizar datos adicionales para cada elemento de la siguiente manera: haga clic
en la sección correspondiente al elemento deseado (ej. Buses, Lines, Generators...) y
haga clic derecho sobre cualquier celda de la tabla; seleccione la opción Show Dialog.
Allí puede visualizar los parámetros de falla de los elementos así como la información
resultante del análisis de fallas.
B.3.13 Puede también visualizar la información de fallas en el diagrama unilineal; para ello en
la sección Oneline Display de la ventana de opciones de fallas escoja la opción Phase A
(Figura B.7) para visualizar en el diagrama la información de fallas para dicha fase (Fase
fallada)
Figura B.7. Visualización del diagrama unilineal frente a una falla.
.
86
ANEXO C: DATOS DE LOS SISTEMAS ESTUDIADOS
C.1: Sistema de 9 barras
Tabla C.1. Datos de las líneas y transformadores
Tabla C.2. Especificaciones de carga de las barras
Bus
Nº
Bus
Nº
R
(pu)
X
(pu)
B/2
(pu)
1
1
1
2
4
4
4
5
7
3
6
8
7
5
6
9
7
8
0,0000
0,0390
0,0119
0,0000
0,0100
0,0170
0,0000
0,0320
0,0085
0,0586
0,1700
0,1008
0,0625
0,0850
0,0920
0,0576
0,1610
0,0720
0,0000
0,3580
0,2090
0,0000
0,1760
0,1580
0,0000
0,3060
0,1490
Generación Demanda Barra
Nº
|V|
(p.u.) MW Mvar MW Mvar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1,00
1,25
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,04
0
170
80
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
130
100
0
95
0
0
0
0
0
0
0
0
20
0
.
87
C.2: Sistema de 7 barras
Tabla C.3. Impedancia serie (p.u)
Tabla C.4. Admitancia a tierra
Ubicación SEC (-) SEC (-) SEC (0)
Desde Hasta R X R X R X
1
1
1
2
2
3
3
5
3
4
5
3
5
4
7
6
0,0530
0,0630
0,0310
0,0310
0,0420
0,0840
0,0000
0,0000
0,2100
0,2520
0,1260
0,1260
0,1680
0,3360
0,0500
0,0500
0,0530
0,0630
0,0310
0,0310
0,0420
0,0840
0,0000
0,0000
0,2100
0,2520
0,1260
0,1260
0,1680
0,3360
0,0500
0,0500
0,1590
0,1890
0,0930
0,0930
0,1260
0,2520
0,0000
0,0000
0,6300
0,7560
0,3780
0,3780
0,5040
1,0080
0,0500
0,0500
Desde Hasta G/2
(p.u)
B/2
(p.u)
1
1
1
2
2
3
3
5
3
4
5
3
5
4
7
6
0,0000
0,0000
0,0000
0,0000
0,0000
0,0000
0,0000
0,0000
0,0255
0,0305
0,0155
0,0155
0,0205
0,0410
0,0000
0,0000
.