HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN DEMO PARA SU APLICACIÓN EN LABORATORIOS DOCENTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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1 HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN DEMO PARA SU APLICACIÓN EN LABORATORIOS DOCENTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Elvira Fernández, Pablo Eguia, Inmaculada Zamora, A. Javier Mazón Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad del País Vasco RESUMEN En esta ponencia se presentan algunos de los programas de simulación "demo" utilizados en las prácticas de laboratorio de la asignatura Tecnología Eléctrica de la Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao. En esta asignatura se estudian aspectos relacionados con la generación, transporte y distribución de energía eléctrica. Estos programas "demo" son gratuitos y su utilización en la docencia tiene la doble finalidad de acercar al alumno al manejo de herramientas digitales y de proporcionarle la posibilidad de estudiar el funcionamiento del sistema eléctrico de potencia en cualquier situación, posibilidad que mediante técnicas docentes tradicionales sería impensable debido a los elevados costes que ello supondría. 1. INTRODUCCIÓN Desde siempre el ingeniero eléctrico se ha encontrado con numerosos problemas al analizar los sistemas eléctricos de potencia. Esto se debe fundamentalmente, a su gran complejidad y a la dificultad de realizar ensayos "in situ" sobre dicho sistema. Como ayuda para la resolución de estos problemas, se han desarrollado herramientas de simulación digital que permiten reproducir, mediante ordenador, el comportamiento del sistema eléctrico para así poder estudiar su respuesta ante diversas condiciones de funcionamiento. En general, para obtener cualquiera de estos programas de simulación es necesario realizar una fuerte inversión económica, y en el caso de la Universidad, rellenar un gran número de papeles que justifique dicho desembolso. Una alternativa a la adquisición mediante pago de estas herramientas de simulación es la utilización de programas "demo". Estos programas se pueden descargar gratuitamente de Internet y suelen funcionar con ciertas restricciones, pero aún así son perfectamente válidos. A continuación se muestran las principales características de las herramientas de simulación "demo" utilizadas en algunas de las prácticas de laboratorio de la asignatura Tecnología Eléctrica, en la Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao. A modo de ejemplo, los programas que se presentan son: la hoja de cálculo RET Screen International, PVSYST, MaqSinV6.exe, PowerWorld, CYMTCC, CYMCAP, CYMGRD, CYMDIST y Neplan.

2 2. RET SCREEN INTERNATIONAL Retscreen permite analizar la viabilidad de diferentes tecnologías de energías renovables (eólica, minihidráulica, fotovoltaica, biomasa,... ), permitiendo así reducir los costes, el tiempo y los errores asociados a la preparación de los estudios de viabilidad preliminares. Este programa ha sido desarrollado por la compañía canadiense RET Screen International y se puede descargar gratuitamente, y sin ninguna restricción en su utilización, en la dirección de Internet: Figura 1. RETScreen. El modelo de cada tecnología esta desarrollado en una hoja de cálculo de Excel, la cual a su vez está compuesta por una serie de hojas de cálculo similares para todos los modelos. Por ejemplo, el modelo de la central minihidráulica consta de las siguientes hojas: la hoja de inicio Intro, desde donde se puede acceder al manual del programa, al resto de hojas y a una serie de información adicional disponible en Internet (Figura 1). En la hoja Energy Model se introducen las características básicas del aprovechamiento y de los equipos electromecánicos, mostrando el programa la producción anual estimada. Hidrology & Load, es la hoja donde se introducen las características hidrológicas del aprovechamiento y las características de la demanda eléctrica. En la hoja Equipment Data se introducen las características de la turbina y el estudio de los costes del proyecto se realiza en la hoja Cost Análisis. En GHG Análisis se puede realizar un análisis sobre la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al proyecto. En la hoja Fiancial Summary se efectúa el análisis financiero de la inversión necesaria para llevar a cabo el proyecto y en Project Cash Flow se muestra gráficamente la variación del flujo de ingresos y gastos durante el tiempo que dura el proyecto (Figura 1). 3. PVSYST Este programa permite realizar el diseño, simulación y análisis de datos de una instalación fotovoltaica. El software ha sido desarrollado por la Universidad de Ginebra y la demo, disponible en la página está totalmente operativa durante diez días, fecha a partir de la cual sólo están disponibles ciertas opciones, pero no limitan su aplicación en el desarrollo de las prácticas. PVSYST permite realizar diseños a diferente nivel (Figura 2):

3 Preliminary design: diseño rápido y sencillo que permite dimensionar tanto una instalación aislada, como conectada a la red. Proyect design: realiza una simulación detallada con valores horarios, que ayuda a definir el campo fotovoltaico y elegir correctamente los componentes. Tools: proporciona una amplia elección de las herramientas solares. Figura 2. PVSYST. Por ejemplo, el nivel "Project design" permite al usuario: Disponer de una base de datos de los componentes fotovoltaicos, y de posibles lugares donde ubicar la instalación. Indicar la orientación del panel, eligiendo entre múltiples configuraciones, como orientación única, doble, automática... Definir el esquema de la instalación. Si la instalación está conectada a la red, el usuario debe introducir la potencia deseada y elegir el inversor y el módulo fotovoltaico de la base de datos. Si el sistema es aislado el usuario primero tiene que definir su consumo eligiendo los electrodomésticos que tiene con su tiempo de operación. Además tiene que decidir los días de autonomía que tiene la batería. Calcular tanto las sombras cercanas como las lejanas, permitiendo dibujar la geometría del sistema completo y mostrando las sombras que se producen en función de la posición del sol. Realizar la evaluación económica utilizando precios reales y condiciones de inversión en cualquier moneda. El programa condensa los resultados más significativos en tablas y gráficas (Figura 2). Otra demo que permite simular y diseñar sistemas fotovoltaicos es PV*SOL, que se puede descargar de la página y tiene restricciones en su utilización. 4. MAQSINV6.EXE Este programa permite simular el funcionamiento de un generador síncrono conectado a una red infinita. Ha sido desarrollado por el Departamento de Energía y Automatización de la Universidad de Sao Paulo y está disponible libremente en

4 Figura 3. MaqSinV6. Actuando sobre la intensidad de excitación que crea el campo magnético en el rotor y sobre la potencia de la turbina que mueve el rotor, permite al usuario observar el estado y evolución de la máquina. Esta ventana de control, además tiene otros tres botones: Options: muestra los resultados de la simulación. La primera visualización muestra a la derecha el diagrama animado de fasores, a la izquierda las variables de simulación y debajo un diagrama de barras mostrando la cantidad de potencia activa y reactiva que genera la máquina. También permite visualizar la posición relativa de las fuerzas magnetomotrices en el rotor, en el estator y la resultante. Simulation: permite elegir la forma de simular, continua o paso a paso. Graphics: muestra todos los gráficos, como por ejemplo, el ángulo de carga, el factor de potencia, la corriente en el estator, la velocidad del rotor POWER WORLD Su principal atractivo es que además de resolver el problema de los flujos de carga y el despacho económico, posee una interface gráfica muy potente con la que se muestran los flujos de potencia en el sistema como flujos en movimiento, con flechas en color animadas, en las líneas de transmisión, cargas y generadores. Figura 4. PowerWorld.

5 Esta demo se puede descargar gratuitamente de la página y tiene licencia educacional, estando todas las opciones del programa activadas con la única limitación de que sólo permite estudiar sistemas de hasta 12 nudos. Este programa tiene dos modos de funcionamiento y cada uno tiene su propia barra de herramientas: Edit Mode, que permite: o Crear un nuevo caso o Añadir nuevos componentes a un caso existente o Modificar la apariencia de los objetos, color, fuente,... Run Mode, que permite: o Resolver el flujo de cargas o Visualizar la carga disponible o Simular el sistema de potencia en el dominio del tiempo o Realizar flujos de cargas óptimos o Generar curvas PV y QV o Realizar análisis de faltas 6. CYMTCC El programa CYMTCC ha sido diseñado por COGNICASE para realizar estudios de coordinación de protecciones en redes radiales. Se puede descargar de la página pero su utilización está limitada, ya que no permite ni abrir, ni guardar nuevos casos, es decir, permite crear nuevos casos y analizarlos, pero no se pueden guardar. Contiene una base de datos de más de 4,500 dispositivos de marcas norteamericanas, europeas y asiáticas. Incluye interruptores de baja tensión (electromecánicos, de estado sólido y de caja moldeada), fusibles, relés (electromecánicos y electrónicos) y reenganchadores (hidráulicos y electrónicos). Figura 5. CYMTCC. Algunas de sus principales características son: Permite la impresión en papel "log-log" (curvas solamente) o en papel ordinario (curvas y cuadrícula). Tiene en cuenta las corrientes de falta que circulan entre fases y fasetierra en transformadores triángulo-estrella.

6 Permite un control sobre la escala de corriente, colores, sombreado de las curvas, ubicación de la etiqueta de ID, el estilo de los bloques de título, etc. Presenta una gran facilidad para exportar trazados de curvas a AutoCAD DXF y a otros formatos. 7. CYMCAP Al diseñar las instalaciones eléctricas, es muy importante determinar la máxima intensidad que los cables pueden soportar sin deteriorar cualquiera de sus propiedades eléctricas o mecánicas. CYMCAP permite simular el comportamiento térmico en instalaciones de cables. La versión original del paquete fue desarrollada conjuntamente por Ontario Hydro, McMaster University y Cyme International, bajo el auspicio de la Asociación Eléctrica Canadiense. Su utilización está limitada, ya que aunque permite crear nuevos casos, luego no realiza los cálculos, sólo permite estudiar y analizar los ejemplos que contiene el propio programa. Se puede descargar de la página con sólo rellenar un formulario. Figura 6. CYMCAP. Sus principales características son: Interfaz GUI gráfica del usuario completa, para la representación detallada de cualquier tipo de cable de potencia. Este módulo puede usarse para modificar cables existentes y enriquecer la librería de cables con los nuevos. Simulación de cables en postes de transición, grupos de cables aéreos, migración de la humedad, fuentes cercanas de calor, disipadores térmicos, etc. Bibliotecas independientes y bases de datos para cables, bancos de conductos, curvas de carga e instalaciones. Permite realizar los análisis térmicos transitorios de: la capacidad de corriente (teniendo en cuenta el tiempo y de la temperatura), la temperatura (teniendo en cuenta el tiempo y la capacidad de corriente) y el tiempo para alcanzar una temperatura dada (teniendo en cuenta la capacidad de corriente).

7 8. CYMGRD CYMGRD, es una aplicación para el análisis y diseño de mallas de puesta a tierra de subestaciones, que ha sido diseñada para ayudar a optimizar el diseño de nuevas mallas y reforzar las existentes. Permite el análisis rápido de varias alternativas de diseño y elige una solución económica para cualquier instalación dada. Su utilización está limitada, ya que no permite ni abrir, ni guardar nuevos estudios. Se puede descargar de la página Figura 7. CYMDIST. Permite realizar diferentes estudios: Permite el análisis por elementos finitos de los conductores de la malla de tierra, varillas y ensamble de cables. Posee un módulo de terreno uniforme o de dos capas, para mediciones en el campo. Permite realizar cálculos de evaluación de la seguridad para las máximas tensiones de paso y contacto, basados en la norma IEEE Realiza análisis de elevación de potencial de tierra. Posee un soporte de mallas simétricas o asimétricas de cualquier forma. Posee varillas de puesta a tierra clavadas arbitrariamente. Permite realizar análisis de potenciales de paso y contacto con despliegue a colores en representación 2D o 3D. 9. CYMDIST CYMDIST es una herramienta de análisis para la planificación y estudio de redes eléctricas de distribución. Ejecuta cálculos, por fase, de caída de tensión en sistemas equilibrados o desequilibrados, cálculos de falta (flujos de falta y tensiones de falta), coordinación de aparatos de protección mediante un interfaz con la herramienta CYMTCC, etc. Se puede descargar de la página pero su utilización está limitada, ya que no permite ni abrir, ni guardar nuevos estudios.

8 Figura 8. CYMDIST Está formado por los siguientes módulos complementarios: CYMDIST(SOM): Módulo de optimización de la configuración del sistema eléctrico CYMDIST(MAP): Módulo de transparencias cartográficas CYMDIST(RAM): Módulo de evaluación de la confiabilidad CYMDIST(HARMO): Módulo de barrido de frecuencia CYMDIST(CAM): Módulo de análisis de contingencias CYMDIST(SUB): Análisis y modelación de subestaciones Permite realizar principalmente: Análisis de caída de tensión en redes equilibradas o desequilibradas (radiales o en anillo). Análisis de la tensión de falta a través de la red tomando en cuenta las condiciones de carga pre-falta. Análisis de arranque de motores, (caídas de tensión y máximo tamaño de motor permisible). Estudios de crecimiento de carga. 10. Neplan Esta demo permite analizar sistemas eléctricos de potencia, permitiendo, entre otras cosas, realizar flujos de carga óptimos, estudiar la estabilidad de los transitorios, analizar la continuidad del sistema... Se utiliza para analizar, planificar y optimizar redes eléctricas. Ha sido desarrollado por BCP Busarello + Cott + Partner Inc., y se puede descargar de la página web Figura 9. Neplan.

9 Es una versión con licencia educacional, que permite estudiar sistemas eléctricos de hasta 50 nudos. Sus características principales son: Los diagramas unifilares se crean con el sistema CAD. Calcula los flujos de carga por: Inyección de Corrientes, Newton Raphson, Newton Raphson Extendido, Caída de Voltaje. Muestra los resultados de forma automática, en forma de tablas (para la red total, e individualmente para cada área/zona): listados de flujos de potencia entre áreas/zonas, elementos sobrecargados, ordenamiento, función selectiva de resultados (Figura 10). Realiza el cálculo de faltas definidas por el usuario (p.e. doble falta a tierra, faltas entre dos niveles de tensión), y dispone de una librería de faltas especiales. Ordena los listados de resultados por nivel de tensión. Las impedancias de cortocircuito y todas las corrientes de falta calculables se presentan como valores de fase o como componentes simétricas. Permite la definición de cualquier tipo de perturbación. Permite cuatro enfoques a los análisis de estabilidad de tensión, de los sistemas de potencia: Curvas V-Q, Curvas P-V, Sensibilidad V-Q y Análisis de Valores Propios Q-V (análisis modal). 11. CONCLUSIONES El gran tamaño y complejidad de la mayor parte de los problemas de los sistemas eléctricos ha hecho de los programas de simulación la principal herramienta de trabajo del ingeniero eléctrico. Ésto hace necesario el acercamiento de este tipo de programas a las aulas, lo que permite al alumno además de aprender el funcionamiento del sistema eléctrico de potencia en cualquier situación, familiarizarse con las diferentes herramientas digitales. La utilización de versiones "demo" es una opción a la compra de este tipo de herramientas, pues aunque permiten el estudio de distintos aspectos del sistema eléctrico de potencia con ciertas restricciones, son gratuitos, y se pueden descargar automáticamente en el momento deseado. En esta comunicación se han presentado las características principales de algunos de los programas "demo" existentes en Internet, utilizados en la realización de las prácticas de la asignatura Tecnología Eléctrica, así como las páginas de las cuales se pueden descargar. 12. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]