desarrollo de herramientas informáticas específicas para fines

DESARROLLO DE HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS
ESPECÍFICAS PARA FINES DOCENTES
I. Zamora, A. J. Mazón, K. J. Sagastabeitia, E. Fernández
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea
[email protected], [email protected], [email protected] [email protected]
RESUMEN
La presente comunicación muestra el desarrollo de una herramienta informática
específica destinada a ser utilizada en el entorno docente. Se trata de un
software denominado RESFAL, desarrollado a partir MATLAB/simulink, capaz
de verificar el comportamiento de sistemas resonantes de puesta a tierra
propuestos por el alumno, tanto en el ajuste de la bobina de compensación
como en la detección de las faltas.
Dispone de una estructura modular, mediante la cual el alumno puede
representar los diferentes elementos del sistema de distribución, simular
distintas situaciones y configuraciones, y posteriormente realizar el procesado y
el análisis de los datos y señales obtenidos.
1. INTRODUCCIÓN
Dentro de las enseñanzas técnicas, se encuadran asignaturas que, por
naturaleza y carácter, requieren para su estudio la aplicación de complejas
estructuras y desarrollos matemáticos. Si bien en muchos casos éstos no son
intrínsecos a los fenómenos que se desea examinar, sí son absolutamente
imprescindibles para llegar a unos resultados de cuyo análisis se extraerán las
conclusiones necesarias para la correcta asimilación del fenómeno, de modo
que el objeto del estudio pueda ser comprendido en toda su magnitud.
Adicionalmente, como se trata de disciplinas de un marcado carácter práctico,
es totalmente necesaria la programación de unas clases prácticas de
laboratorio donde el estudiante pueda realizar aquellas pruebas y ensayos
destinados tanto a apoyar la explicación de los conceptos teóricos explicados
en el aula como al estudio de los procesos prácticos en sí mismos.
En este sentido, dentro de una sociedad donde la eclosión y vertiginoso
desarrollo de las nuevas tecnologías de la información y comunicación ha
sacudido y derribado innumerables barreras que obstaculizaban el acceso
generalizado a las fuentes del conocimiento, la Universidad como servicio
público de educación superior, no puede ni debe abstraerse de los avances y
beneficios que pudieran derivarse de la aplicación de las mismas a sus
diferentes tareas.
El desarrollo de la herramienta informática presentada en esta ponencia
participa de esta misma filosofía. Se trata de revertir en las tareas docentes
aquellos adelantos y técnicas que habitualmente son utilizados en el ejercicio
de nuestra labor investigadora y que, debido a sus especiales características,
podrían ofrecer una mayor rentabilidad didáctica al implantarse en el proceso
educativo. [1]
2. OBJETIVOS Y CAMPO DE APLICACIÓN
Tras la desregularización del sector eléctrico, la calidad en el suministro de la
energía eléctrica ha pasado a ser un factor fundamental para las compañías
eléctricas distribuidoras de la misma. Calidad que puede ser definida como la
continuidad de dicho suministro dentro de unos límites, previamente fijados, de
las características de tensión. Este parámetro se mide por aspectos tales como
la frecuencia y duración de las interrupciones, así como por la energía no
suministrada como consecuencia de dichas interrupciones.
Esta creciente preocupación por la calidad del suministro eléctrico se ha
incrementado de manera considerable debido al cada vez mayor número de
usuarios que disponen de equipos y sistemas vulnerables a las mínimas
interrupciones del suministro de la energía eléctrica.
Al mismo tiempo, y como no podía ser de otro modo, conceptos como la
calidad y seguridad eléctrica o la continuidad en el suministro, y toda la
problemática asociada a dichos términos, han sido incorporados al temario de
las diferentes asignaturas de especialidad que tienen por objeto el estudio del
Sistema Eléctrico en sus diferentes niveles.
Dentro de este estudio, se encuadra el análisis de los distintos métodos de
puesta a tierra del neutro y de su influencia sobre el comportamiento del
sistema, ya que la seguridad y disponibilidad de éste en situaciones
excepcionales dependen en gran medida del tratamiento del neutro.
Una de estas opciones es la puesta a tierra en forma resonante, que consiste
en instalar una reactancia variable, denominada bobina de compensación,
entre el neutro del transformador y tierra. De esta forma la componente
capacitiva de la intensidad de falta se neutraliza o compensa mediante una
corriente inductiva de igual valor, que se consigue mediante la bobina de
compensación. Así, la intensidad de falta se reduce de forma importante
permitiendo mantener el suministro de energía eléctrica a los consumidores
finales incluso en situación de falta. [2]
Este efecto beneficioso sólo se consigue si el valor de la autoinducción de la
bobina de puesta a tierra está perfectamente sintonizado con el sistema
eléctrico en el cual se encuentra instalada. Dado que la topología de la red
eléctrica varía constantemente, para lograr limitar de forma efectiva la
intensidad de falta tras un defecto a tierra es necesario realizar un reajuste
continuo del valor de la bobina para sintonizarla en todo instante con la
capacidad a tierra del sistema y alcanzar el grado de compensación deseado.
El objetivo perseguido con el desarrollo y posterior utilización didáctica de este
paquete software es facilitar al alumno una potente herramienta que, de una
manera rápida y sencilla, le permita comprender el significado y
comportamiento de este tipo de sistemas.
La incorporación de esta herramienta en el proceso docente permite que el
alumno, una vez descargado del trabajoso proceso de cálculo y definición de
los valores que en cada momento debe adquirir dicha bobina, se centre en la
identificación de los parámetros característicos del sistema, en obtener a partir
de ellos el modelo del sistema y, sobre todo, en analizar los resultados de las
distintas simulaciones que de manera gráfica y numérica le son presentados.
3. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE
La herramienta informática RESFAL presentada en esta ponencia, ha sido
desarrollada a partir del paquete software MATLAB/Simulink.
Cada elemento del sistema eléctrico se representa por medio de unos bloques
característicos, entre los que se encuentran los transformadores, impedancias,
cargas, líneas, etc.
Para las simulaciones se utilizan modelos basados en un mismo sistema, sobre
el que se han realizado unas adaptaciones a las condiciones particulares de
cada ensayo. Estas adaptaciones consisten en la integración de un bloque de
inyección de corriente en el neutro, la inclusión de una falta a tierra en una de
las fases, o la llamada a una función específica para el tratamiento de los datos
obtenidos en el ensayo.
Con la aplicación informática RESFAL es posible:
•
Recoger y procesar los datos de tensión e intensidad proporcionadas
por el sistema real.
•
Modelizar con precisión sistemas de distribución con puesta a tierra
resonante.
•
Simular condiciones de falta en los sistemas modelados.
•
Simular cambios de topología u operación en los sistemas modelizados.
•
Verificar la operación de los sistemas de detección ante situaciones de
falta o cambio de topología.
•
Verificar el ajuste de la bobina resonante de puesta a tierra
Fig. 1. Estructura del software
3.1. Modelización del sistema
En la primera pantalla del programa se puede realizar la modelización del
sistema de distribución objeto de estudio. Para ello, el software establece un
link con las diferentes toolboxes y blocksets de MATLAB/Simulink. Desde la
pantalla principal es posible crear un nuevo modelo, abrir uno ya existente y
modificar su estructura o algún parámetro, o simplemente cargar el modelo de
un sistema para ejecutar simulaciones.
Fig. 2. Apertura de un modelo
Fig. 3. Modelo de un sistema
3.2. Obtención del valor de la bobina
El programa RESFAL cuenta con una utilidad para el cálculo de la inducción de
la bobina resonante necesaria para el sistema de control de la intensidad de
falta. Para ello se pueden introducir directamente los datos obtenidos del
sistema real o los obtenidos de las simulaciones.
Para el ajuste de la bobina resonante de puesta a tierra, el alumno puede optar
por realizar el cálculo de su valor aplicando el método de inyección de
corriente o mediante la utilización de la curva de resonancia.
Fig. 4. Cálculo de la bobina mediante
inyección de corriente
Fig. 5. Cálculo de la bobina mediante
la curva de resonancia
En ambos casos, el programa realiza las simulaciones necesarias de manera
automática y presenta los resultados de modo que el alumno, previo análisis de
los mismos, puede definir el valor concreto de la bobina de compensación que
desea utilizar en sus simulaciones.
3.3. Simulación de faltas
Una vez que ha definido y modelizado el sistema, el alumno puede comprobar
el comportamiento que el mismo tendrá para diferentes situaciones de falta con
el valor de ajuste de la bobina escogido.
Con el fin de permitir tanto la simulación de faltas francas como de alta
impedancia, es posible definir el valor en Ohmios de la resistencia de la falta
monofásica a tierra. De este modo, el alumno puede experimentar fácilmente
con distintos valores de falta y comprobar sus efectos, sin necesidad de
recuperar el modelo del sistema objeto de estudio para proceder a su
reparametrización.
Fig. 6. Simulación de faltas
Asimismo, RESFAL permite en todo momento visualizar gráficamente los
resultados de las simulaciones. Para ello, en la barra de menús se escoge
entre mostrar las tensiones de neutro y barras o presentar las corrientes
correspondientes a cada feeder y al propio neutro.
Fig. 7. Visualización de tensiones
Fig. 8. Visualización de corrientes
En ambos casos, y una vez dentro de la propia pantalla de visualización de
datos, se puede optar por presentar los valores de las magnitudes elegidas en
las condiciones de falta, en situación de prefalta o durante la inyección. Así, el
alumno puede comparar los resultados, comprobar las consecuencias del
defecto y extraer las conclusiones pertinentes.
3.4. Verificación de la condición de falta
Uno de los inconvenientes que plantean los sistemas de puesta a tierra
resonantes es que los bajos niveles de intensidad que circulan en la situación
de falta pueden ser insuficientes para que las protecciones convencionales las
detecten y, por tanto, actúen protegiendo al sistema.
RESFAL incorpora una metodología de selección y determinación del feeder en
falta, basado en dos de los métodos más precisos para la detección de faltas
en estos sistemas de puesta a tierra resonante [3-4]. Así, a partir de las
diferentes medidas de las magnitudes de tensión e intensidad, recogidas en
cada feeder en los instantes anterior y posterior a la falta y las medidas durante
la inyección de corriente por el neutro, es posible caracterizar la misma.
El resultado del proceso de detección de falta se presenta en modo gráfico y
numérico según se desee. En el primer caso, a partir de los datos obtenidos en
las simulaciones, se representa en un diagrama las admitancias a tierra de
cada uno de las fases de los diferentes feeders. Existen tres zonas principales
en dicho diagrama quedando delimitadas por dos circunferencias
correspondientes a las admitancias de falta de impedancia de 5000 y 10000
Ohmios respectivamente:
•
En el interior de la circunferencia más pequeña, se encuentran las
admitancias de las fases sanas.
•
Entre las dos circunferencias se encuentran
correspondientes a las fases en falta leve (alarma).
•
En el exterior de la circunferencia más grande se encuentran las
admitancias de las fases en falta grave (disparo).
Fig. 9. Diagrama de admitancias
las
admitancias
La representación numérica ofrece los datos correspondientes al valor de la
resistencia de falta para cada fase y feeder, y las variaciones detectadas en la
asimetría y la capacidad de cada feeder. En el ejemplo de la figura 10, el
programa, además de observar una variación significativa en la capacidad y
asimetría del feeder 1, ha detectado la existencia de un defecto a tierra en la
fase R de ese mismo feeder con una resistencia de falta igual a 1500,4
Ohmios. Valor prácticamente idéntico al utilizado en la simulación de la falta
(1500 Ohmios).
Fig. 10. Resultados numéricos
3.5. Verificación del cambio de topología
En situación de falta la intensidad que recorre la fase en falta debe aumentar.
Sin embargo, el control de la intensidad de falta que ejerce la bobina de puesta
a tierra, hace que ese aumento sea mínimo, con lo que resulta difícil distinguir
un aumento de intensidad debido a una falta o debido a una variación de
funcionamiento del sistema, como puede ser un cambio de topología. El
programa RESFAL permite discriminar claramente ambas contingencias.
Fig. 11. Cambio de topología
A fin de acelerar el proceso y de facilitar la simulación de diferentes cambios de
topología en un mismo sistema de referencia, se ha dotado al programa de una
opción mediante la que se carga otro modelo del sistema previamente
modificado y salvado. Este segundo modelo será utilizado para simular el
cambio de topología que en un momento determinado puede originarse en
alguno de sus feeders.
En este caso, cuando el alumno procede a ejecutar la simulación y acude a los
resultados del proceso de detección de falta comprueba que no existe defecto
alguno y que se trata de un cambio en la topología del sistema, ya que:
•
Si bien se ha producido una sustancial variación en el valor de la
asimetría correspondiente a uno de los feeders (feeder 3), la resistencia
fase a tierra de todos los feeders tienen un valor tendente a infinito
(representado en el programa por 1e+100 Ohmios).
•
En la representación gráfica, todas las fases aparecen dentro del círculo
más pequeño y por tanto sanas.
Fig. 12. Resultados numéricos
Fig. 13. Diagrama de admitancias
4. CONCLUSIONES
Con la utilización de la herramienta informática RESFAL en el entorno docente,
es posible realizar todo el proceso de análisis para el cálculo de una bobina
resonante, para la puesta a tierra de un sistema de distribución, de una forma
rápida y sencilla. Asimismo, se puede simular el comportamiento de un sistema
puesto a tierra en forma resonante ante distintas situaciones de falta o cambios
de topología originados por disparos, descargos de líneas u otras
circunstancias. Todo ello con una representación de datos ordenada y visual
que permiten al alumno analizar los resultados, comprobar la respuesta del
sistema ante las distintas contingencias y, en definitiva, extraer las
conclusiones necesarias para completar y apuntalar la comprensión de este
tipo de sistemas.
De este modo, es posible realizar un estudio orientado a casos prácticos para
establecer una mayor cohesión entre los conceptos teóricos estudiados y sus
aplicaciones concretas. Al mismo tiempo se logra familiarizar a los alumnos con
herramientas tecnológicas que sin duda encontrarán en sus futuras
ocupaciones y se logran eludir limitaciones que un estudio mediante técnicas
docentes tradicionales introduce en el estudio de ciertas materias.
AGRADECIMIENTOS
El trabajo presentado se ha desarrollado dentro del Proyecto de Investigación
UPV 00142.345-E-13932/2001 financiado por el Vicerrectorado de
Investigación de la UPV/EHU.
REFERENCIAS
[1]
K. J. Sagastabeitia; A. J. Mazón; I. Zamora; E. Fernández; J. R. Sáenz. “Aplicación
pedagógica de herramientas de simulación digital”. 2º Congreso Internacional: Docencia
Universitaria e Innovación. Tarragona, 2002.
[2]
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tension”. REE, ISSN 1265-6534, No. 2, February 1996, pp. 20-30.
[3]
V. Leitloff; R. Feuille; D. Griffel. “Detection of resistive single-phase earth faults in a
compensated power-distribution system”. European-Transactions-on-Electrical-Power.
Vol. 7, No. 1. January-February 1997, pp. 65-73.
[4]
G. Druml, G. “Détection de défauts à la terre très résistants sur les réseaux compensés”.
REE, ISSN 1265-6534, No. 2, February 1996, pp. 68-75.
[5]
V. Leitloff; L. Pierrat; R. Feuillet. “Study of the neutral-to-ground voltage in a compensated
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[6]
D. Griffel, et al. “A new deal for safety and quality on MV networks”. IEEE Transactions on
Power Delivery. Vol. 12, No. 4. October 1997, pp. 1428-1433.
[7]
V. Biscaglia et al. "Messa a terra del neutro delle reti MT mediante impedenza di accordo.
Analisis tecniche". L'Energia Elettrica. Vol 74, No. 1, January-February 1997, pp 11-20.
[8]
R. Willheim, M. Waters. “Neutral Grounding in High Voltage Transmission”. Elsevier
Publishing Company. New York, 1956.