El uso del software PSCAD para el análisis de sistemas eléctricos

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA El uso del software PSCAD para el análisis de Sistemas Eléctricos Autor: Victor Hugo Izaguirre Miranda. Tutor: Dra. Marta Bravo de las Casas Msc. Pedro Bermúdez Navarro 2006 “AÑO DE LA REVOLUCIÓN ENERGÉTICA” Santa Clara.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA El uso del software PSCAD para el análisis de Sistemas Eléctricos Autor:. Victor Hugo Izaguirre Miranda. [email protected]. Tutor:. Dra. Marta Bravo de las Casas [email protected] Msc. Pedro Bermúdez Navarro [email protected] 2006 “AÑO DE LA REVOLUCIÓN ENERGÉTICA” Santa Clara.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Por más difícil que se nos presente una situación, nunca dejemos de buscar la salida, ni de luchar hasta el último momento. En momentos de crisis, sólo la imaginación es más importante que el conocimiento Albert Einstein..

(5) ii. DEDICATORIA. A la memoria de mi padre que desde un lugar cercano a Dios regó su bendición hacia mí, porque estuvo presente durante este largo período de estudios ayudándome a cumplir mi sueño..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A: Dios por tenerme siempre de su mano y por guiarme por el sendero del bien pero sobre todo por cuidar de mi padre. Mi familia por compartir mi sueño. Cuba por ser el lugar donde vi mi anhelo hecho realidad. La oficina de becarios extranjeros, por su ayuda incondicional. Amelia Vega F. por todo el amor que me brindo. Mis tutores y profesores por depositar en mi su confianza y sus conocimientos. Arnaldo, esposa e hijos por abrirme su corazón. Karina Giraldo por enseñarme el valor de la vida y de la verdad. Todos los amigos míos de las diferentes nacionalidades. Mis compañeros de grupo, por aceptarme como uno de ellos..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para la elaboración del trabajo se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos: 1. Revisión bibliográfica: diferentes textos de estudios de la carrera de donde se obtuvo la información necesaria para la elaboración de los proyectos. 2. Resumen: desarrollo y traducción del software de simulación PSCAD, descripción detallada de su contenido y su funcionamiento en los sistemas eléctricos de potencia. Uso constante de la ayuda. 3. Simulación de ejemplos típicos de Sistemas Eléctricos de Potencia: para la mejor comprensión de las potencialidades del software. 4. Realizar un proyecto real aplicado a las protecciones eléctricas en una red de doble alimentación, donde se obtuvieron todas las respuestas deseadas. .. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En el presente trabajo se hace un resumen de las potencialidades y la versatilidad del software de simulación de Sistemas Eléctricos de Potencia denominado PSCAD (Power System Computer Aided Design). En el capitulo I se realiza una breve introducción al PSCAD y la descripción detallada de cada una de las bibliotecas que trae consigo, mostrando sus facilidades de uso por medio de un ejemplo sencillo, un circuito eléctrico elemental. El capitulo II se muestran varias de sus aplicaciones. Se confeccionan algunos ejercicios de rutina en lo que respecta a los Sistemas Eléctricos de Potencia que ayudan al usuario en el adiestramiento del software en lo que respecta a la conformación de distintas redes eléctricas con condiciones de proyecto y físicas diferentes. Esto permitirá que posteriormente el usuario sea capaz de diseñar ejemplos reales. Se muestra con esto algunas de las potencialidades del PSCAD. Se describe el uso de los modelos de las líneas de transmisión, medida del flujo de potencia y por último el análisis de una falla monofásica. El capitulo III se hace un estudio del comportamiento de una protección de distancia ubicada en una línea eléctrica con doble alimentación, para ello se trabajó con la línea del Sistema Eléctrico Nacional de Cuba, Vicente- Nuevitas 220kV la cual está protegida con un relé de distancia tipo Mho. Para el análisis de la protección se ubican cortocircuitos en varios puntos de la línea. Por último se realiza una comparación con una protección de distancia con una característica tipo impedancia..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA................................................................................................................iv RESUMEN .............................................................................................................................v INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 CAPÍTULO I.........................................................................................................................3 I.1 ¿Qué es el PSCAD? .....................................................................................................3 I.2 Breve historia del PSCAD. [3], [5], [6] ......................................................................3 I.3 Estudios típicos posibles a hacer con el PSCAD.......................................................6 I.4 Conceptos Previos. ......................................................................................................7 I.4.1 Los ficheros relacionados con el PSCAD. [3], [6] ..............................................7 I.4.2 Las librerías de componentes. .............................................................................7 I.4.3 El Entorno Gráfico.............................................................................................10 I.4.5. Limites de la Simulación. [3], [6] .....................................................................11 I.4.6 Requerimientos de software y hardware. [3], [5], [6] .....................................12 I. 5 Primera Simulación..................................................................................................13 I 5.1 Crear el Proyecto [3], [6] ...................................................................................13.

(10) vii I.6 Ejemplo de diseño de un esquema eléctrico............................................................15 2: Simulación y Resultados ............................................................................................19 CAPITULO II .....................................................................................................................22 II.1 INTRODUCCIÓN. ..................................................................................................22 II.2 ESTUDIO DE LOS MODELOS DE LÍNEAS Y FALLAS EN LAS MISMAS.22 II.2.1 Configuración Del “Project Settings”.............................................................24 II.2.2 Configuración de la fuente de generación. .....................................................25 II.2.3 Configuración de la Línea de Transmisión Aérea:........................................26 II.2.4 Configuración del Multímetro.........................................................................28 II.2.5 Cargas:...............................................................................................................29 II.2.6 Simulaciones......................................................................................................30 II.3 FALLA A TIERRA DE UNA FASE DEL CIRCUITO GENERAL. .................32 II.4 EJEMPLO DE UN BLOQUE GENERADOR TRANSFORMADOR. ..............37 II.4.1 Descripción:.......................................................................................................37 CAPITULO III....................................................................................................................40 III.1 Introducción. ...........................................................................................................40 III.2 Conceptos previos a tener en cuenta para la correcta comprensión del ejemplo. ..........................................................................................................................................41 1.. Factores que afectan la medición de la impedancia a la falla [Altuve,. Warrington, Mason, Iriondo, ABB]:.............................................................................41 2.. Efecto de las fuentes intermedias. (“Infeed”)...................................................42. 3.. Resistencia de Arco.............................................................................................44. 4.. Acoplamiento Mutuo entre Circuitos: ..............................................................45. 5.. Corriente de Magnetización (Inrush). ..............................................................46. 6.. Transformadores de Medida: ............................................................................48.

(11) viii 7.. Líneas no transpuestas: ......................................................................................49. III.3 Requisitos de las protecciones. ..............................................................................50 III.3.1 Sensibilidad (Para la simulación hasta un 75% del valor de la línea)........50 III.3.2.Selectividad (Para la simulación hasta un 85% del valor de la línea)........50 III.3.3 Rapidez.............................................................................................................51 III.3.4 Fiabilidad. ........................................................................................................51 III.4 Funciones de protección. .......................................................................................52 III.4.1 Curvas características.....................................................................................52 III.5 Funciones básicas de protección. ..........................................................................54 III.6 Teleprotecciones .....................................................................................................55 III.7 Filtrado de la Señal. ...............................................................................................56 III.7.1 Aliasing.............................................................................................................56 III.8 Filtrado Digital. ......................................................................................................56 III.9 SIMULACIONES: .................................................................................................61 REFERENCIAS BIBLIGRÁFICAS.................................................................................72 CONCLUSIONES ..............................................................................................................73 RECOMENDACIONES ....................................................................................................75.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Los últimos 10 años del siglo pasado estuvieron marcados por un desarrollo en todas las ramas del conocimiento y en el desarrollo industrial, lo cual ha provocado un incremento notable en consumo de electricidad en todas las esferas. Este uso masivo de la electricidad provocó un desarrollo de las redes de transmisión de energía eléctrica y de su generación. Los Sistemas Eléctricos modernos abarcan grandes extensiones territoriales, que tienen entre sus particularidades la unificación de centrales generadoras en sistemas eléctricos y la unificación de estos entre sí, formando potentes sistemas de importancia nacional e internacional teniendo una mayor confiabilidad al servicio eléctrico. Todo este desarrollo ha traído como consecuencias que se necesiten nuevas técnicas de análisis de las redes eléctricas, las cuales ahora son muy complejas. Estas técnicas han sido favorecidas por el avance en las tecnologías de la información, donde las técnicas numéricas para el análisis de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) son una realidad. Dentro de la rama de la electricidad son muchos los procesos que se pueden modelar y simular con las poderosas herramientas de simulación actuales. Estas herramientas han impulsado el desarrollo de nuevos algoritmos y métodos de análisis de los diferentes circuitos eléctricos mejorando ostensiblemente su exactitud y calidad. Se han desarrollado por diferentes firmas numerosos softwares profesionales de análisis de SEP entre los que se pueden mencionar los simuladores ATP - EMTP [7-8] y el PSCAD [1]. Se puede mencionar también el MATLAB y SIMULINK [9] Con todas estas herramientas se pueden probar variantes de soluciones que jamás el hombre pensaba realizar, con un mínimo de esfuerzo y con ello garantizar un estudio más profundo.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. de las particularidades de un determinado circuito, sin necesidad de hacerlo experimentalmente, con el consabido ahorro final en tiempo. Se puede saber de antemano cual será la respuesta de un sistema dado ante diferentes señales o disturbios y las soluciones que se tendrán que tomar. En los mismos son posibles simular desde circuitos eléctricos sencillos y complejos sin las restricciones a las que se está acostumbrado para facilitar los cálculos. En el presente trabajo se hace un resumen de las potencialidades y la versatilidad del software de simulación de Sistemas Eléctricos de Potencia denominado PSCAD (Power System Computer Aided Design). Se confeccionan varios ejemplos de aplicaciones típicas en el mismo para comprobar lo anterior. En el capitulo I se hace una introducción al PSCAD. Se muestran las potencialidades del software en cuanto a posibles aplicaciones, los requerimientos de hardware y software y se realiza una descripción detallada de cada una de sus bibliotecas, mostrando sus facilidades de uso por medio de un ejemplo sencillo, un circuito eléctrico elemental de CA, un circuito RL. El capitulo II se muestran varias de sus aplicaciones, se describe el uso de los modelos de las líneas de transmisión, medida del flujo de potencia y por último el análisis de una falla monofásica. El capitulo III se hace un estudio del comportamiento de una protección de distancia ubicada en una línea eléctrica con doble alimentación, para ello se trabajó con la línea del Sistema Eléctrico Nacional de Cuba, Vicente- Nuevitas 220kV la cual está protegida con un relé de distancia tipo Mho. Para el análisis de la protección se ubican cortocircuitos en varios puntos de la línea. Por último se realiza una comparación con una protección de distancia con una característica tipo impedancia..

(14) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 3. CAPÍTULO I “DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD” I.1 ¿Qué es el PSCAD? El PSCAD son las siglas de Power System CAD, significa Diseño Asistido por Computador de Sistemas de Potencia. Esta herramienta permite, a partir de la introducción de un esquema eléctrico, simular su comportamiento y analizar los resultados, todo ello en un entorno gráfico de manejo sencillo e intuitivo, con un ambiente Windows. Tiene herramientas de representación de variables, medidores, elementos de control y modelos de componentes eléctricos tales como: líneas eléctricas, generadores, motores, convertidores e inversores, etc. [3], [4]: [5], [6]…. Con el PSCAD se puede lograr la estructura esquemática de un circuito eléctrico, hacer su simulación, analizar los resultados, y manejar los resultados en un ambiente gráfico completamente integrado. Plotea funciones de manera que el usuario puede alterar los parámetros del sistema durante la corrida de una simulación y ver los resultados directamente. En resumen el PSCAD es un poderoso software de simulación, fácil de trabajar el cual le que permite al usuario el diseño, mejoramiento y solución de problemas de diferentes tipos como en la electrónica de potencia, máquinas eléctricas se usa como medio para analizar redes eléctrica y las protecciones eléctricas en las mismas [5].. I.2 Breve historia del PSCAD. [3], [5], [6] PSCAD aparece por primera vez en 1988 y a partir de esta fecha comenzó una larga evolución como una herramienta para generar archivos de datos por el programa de simulación denominado EMTDC (Transitorios electromagnéticos incluidos Corriente Directa) [4]..

(15) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 4. Su forma inicial, versión 1, fue fundamentalmente de tipo experimental. No obstante, representó un gran adelanto en rapidez y productividad para los usuarios de EMTDC, ya que en el mismo se podían dibujar los sistemas en lugar de crear inscripciones de texto. PSCAD se introdujo primero como un producto comercial. La segunda versión que aparece en 1994 en plataforma Unix, y la misma llegó como una colección de herramientas de software que realizaban bosquejos de circuitos al mismo tiempo de corrida de la simulación. En 1999 Windows realizó la tercera versión donde buscó introducir un sistema de simulación que se pudiera construir en forma de módulos de trabajo, es decir, se realizaran sistemas que luego se pueden interconectar por medio de bloques gráficos, compilándolos de forma independiente y privada. Este sistema a base de módulos mejoró la exactitud de la simulación. Además esta versión trajo algunas nuevas aplicaciones que integraban completamente los gráficos y la simulación de los sistemas anteriores, lo que facilitó un ambiente adecuado para el diseño y la simulación de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP). La versión 4 del PSCAD (la cual tiene variantes) representa lo último en el desarrollo del software para la simulación de SEP. Esta versión mantiene lo alcanzado en cuanto a la simulación. de. sus. predecesores,. además. contiene. nuevas. representaciones,. perfeccionamientos que mejoran la exactitud y fiabilidad de la simulación. Incorpora nuevos editores y navegación más fácil lo que significa que esta versión es mucho más amistosa desde el punto de vista del usuario a la vez que es más poderosa desde el punto de vista de trabajo. Esto lo hace preferido por la mayoría de los profesionales al momento de la simulación. Por último se puede resaltar la interfaz que tiene para MATLAB y/o archivos de Simulink. PSCAD, y su simulador EMTDC, han estado en desarrollo cerca de 30 años basado en las ideas y sugerencias dadas por los usuarios y profesionales de la rama, de manera que puedan ser utilizados de forma lo más sencilla posible a nivel mundial. Esta filosofía del desarrollo ha ayudado a establecer al PSCAD como uno del software más poderoso en este momento disponible..

(16) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 5. Uno de los puntos fuertes del PSCAD es su librería de componentes, que la utilización directa en un esquema eléctrico de los componentes más habituales en los sistemas eléctricos, que va desde elementos pasivos simples y funciones de control, a modelos más complejos tales como máquinas eléctricas, dispositivos FACTS, líneas y cables de transmisión, etc. . Si un modelo en particular no existe, PSCAD proporciona la facilidad de ir construyendo lo que se planea o lo que se necesita por ensamblaje que gráficamente usan los modelos existentes, utiliza un editor de diseño designado, entre estas componentes están: •. Resistencias (R), inductancias (L), capacitores (C).. •. Inductancias acopladas y transformadores, tanto monofásicos como trifásicos.. •. Líneas aéreas y cables.. •. Fuentes de voltaje e intensidad.. •. Interruptores y conmutadores.. •. Componentes de electrónica de potencia como diodos, tiristores e IGBT.. •. Funciones de control digital y analógico.. •. Máquinas de corriente directa y alterna, con sus sistemas de excitación, regulación de velocidad y sistemas inerciales.. •. Equipos de Medición.. •. Convertidores electrónicos, como rectificadores, inversores, HVDC y SVC.. •. Aerogeneradores, turbinas y gobernadores. •. Protecciones eléctricas.. Este programa está accesible de forma gratuita en su versión de estudiante, así como sus manuales y ejemplos de aplicación en su página web: http:\\www.pscad.com [1]..

(17) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 6. I.3 Estudios típicos posibles a hacer con el PSCAD El espectro de usuarios del PSCAD incluye a los ingenieros y científicos de las empresas, fabricantes de equipos eléctricos, consultantes, y los profesionales de las instituciones académicas [3], [6]. Se puede utilizar tanto en la etapa de planificación, funcionamiento y diseño, en la enseñanza e investigación. Los siguientes son ejemplos de tipos de estudios desarrollados por el PSCAD [4]:. • Estudiar circuitos de corriente alterna (AC) consistente en máquinas rotatorias, excitatrices, gobernadores, turbinas, transformadores, líneas de transmisión, cables, y cargas, etc.. • Coordinación de protecciones. • Efectos de la saturación en los transformadores. • Coordinación del aislamiento de los transformadores, interruptores y descargador.. • Pruebas de impulso de transformadores • Estudios de resonancia de sub - sincrónica (SSR) en redes con máquinas eléctricas, líneas de transmisión y sistemas de Corriente Directa de Alto Voltaje (HVDC).. • Evaluación y diseño de filtros así como análisis de los armónicos. • Diseño de sistemas de control y coordinación de FACTS y HVDC ; incluyendo STATCOM VSC, y cicloconvertidores. • Diseño óptimo de parámetros de control. • Investigación de nuevos circuitos y conceptos de control. • Operación de los interruptores o breakers cuando son impactados por una descarga atmosférica o ante cualquier falla.. • Investigación de los efectos transitorios de un motor diesel y de las turbinas de viento en redes eléctricas.

(18) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 7. I.4 Conceptos Previos. I.4.1 Los ficheros relacionados con el PSCAD. [3], [6] En el PSCAD se generan una serie de ficheros en cada simulación, siendo el principal de ellos aquel donde se almacena el esquema y cuya extensión es “.psc”, recibiendo cada caso que se simule el nombre de Project (proyecto). De esta forma si se quiere abrir un esquema que se haya creado anteriormente se tendrá que ir al comando “Load Project...” del menú de Inicio, y si se quiere guardar con otro nombre se utilizará el comando “Save Project as...”. Por cada Project o proyecto, se genera un fichero con el esquema, por ejemplo, “circuitoAC.psc” y una carpeta, por ejemplo “circuitoAC.emt”, donde se almacenan todos los ficheros temporales empleados para la simulación. El PSCAD exige un copilador de Fortran [3] para construir y simular los proyectos. Se pueden utilizar los siguientes copiladores disponibles comercialmente:. 9 Fortran 5.0 Digital 9 Compaq Fortran 6.x Visual 9 Intel Fortran 9.0.x Visual El copilador de Fortran, llamado el EGCS/GNU Fortran 77 se proporciona en el CD del PSCAD (o puede obtener a través del sitio web: www.pscad.com [1], el mismo ésta como un archivo independiente en el caso de la versión estudiante. Este copilador impondrá algunas limitaciones, las cuales mencionaremos posteriormente.. I.4.2 Las librerías de componentes. La librería de componentes se llama Master Library una parte de la cual se muestra en la Figura 1. (Ver en el área de proyecto en la Figura 4 y una muestra de su contenido en la Figura 1). En ella se encuentran directamente las componentes que se pueden utilizar, y desde la misma se puede acceder al resto de las librerías de componentes del PSCAD, las cuales se muestran en la Figura 2..

(19) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 8. Entre las librerías se pueden citar: • HVDC y FACTS, donde están los rectificadores e inversores. • Power Transformers: Transformadores trifásicos y monofásicos. • Sources: Fuentes de voltaje e intensidad, dependiente e independientes. • Faults: Elementos para la simulación de cortocircuitos. • Breakers: Interruptores • TLines: Líneas eléctricas • Meters: Amperímetros, Voltímetros, Watimetros, etc. • I/O Devices: Elementos de actuación o entrada, como interruptores, pulsadores, potenciómetros, etc., así como elementos de salida para la representación gráfica de resultados. • Passive: Configuraciones RLC más habituales. • Machines: Modelos de las máquinas eléctricas de inducción, sincrónicas, así como sus elementos de regulación más usuales en éstas..

(20) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. Figura 1 Parte del contenido de la librería denominada MASTER LIBRARY.. Figura 2: Librerías del PSCAD accesibles desde MASTER LIBRARY.. 9.

(21) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 10. I.4.3 El Entorno Gráfico. El PSCAD es un programa diseñado para trabajar en un entorno Microsoft Windows, de forma que cuando se inicia el programa aparece la ventana mostrada en la Figura 3.. Figura 3: Entorno gráfico del PSCAD.. Dentro de este entorno gráfico se han de distinguir las siguientes zonas de trabajo: Área de trabajo: que es la parte central (en blanco en la Figura 3) donde se dibujarán los sistemas eléctricos. Área de proyectos: es la ventana donde se muestran los proyectos (esquemas eléctricos) que se están utilizando y recibe el nombre de WORKSPACE o PROJECTS. Menú de componentes, donde se sitúan botones con aquellos elementos más utilizados, tanto eléctricos (Electrical Palette) como de control (Control Palette), y desde donde.

(22) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 11. podemos utilizar resistencias, conductores de conexión... Ventana de salida, informa del estado de la simulación, lo errores que pueda tener el circuito. Barra principal de herramientas, desde la que se accede a las funciones cerrar y abrir proyectos, zoom, inicio de la simulación, copiar, pegar, etc.. I.4.5. Limites de la Simulación. [3], [6] Las limitaciones impuestas por la simulación de un proyecto dependerán principalmente de la versión utilizada, es decir la estudiante, educacional o profesional, así como del compilador a usar. En la tabla I y II se muestran comparaciones de las diferentes versiones mencionadas en cuanto a la edición y el límite del compilador. Descripción. Versión. Versión. Versión. Estudiante. Educacional. Profesional. 20. 20. 20. Subsistemas. 1. 25. Ilimitado. Módulos de la página. 1. 25. Ilimitado. Nodos eléctricos. 15. Ilimitado. Ilimitado. Número de líneas de transmisión o cables conductores. Tabla I. Límites específicos de la edición. Descripción. Compilador EGCS/GNU. Compilador Fortran 90. Fortran 77 Subsistemas. 10. Ilimitado. Nodos eléctricos. 200. Ilimitado.

(23) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. Ramas eléctricas. 2000. Ilimitado. Transformadores. 70. Ilimitado. Líneas de transmisión y cables. 50. Ilimitado. Canales de salida. 500. Ilimitado. 12. Tabla II. Límites específicos del compilador.. I.4.6 Requerimientos de software y hardware. [3], [5], [6] Se recomiendan las especificaciones de software y hardware mostradas en la tabla III. Categoría. Mínima. Recomendada. Procesador. 500 MHz (Pentium 2). 2 GHz (Pentium 4). Sistema Operativo. Windows 98 ó NT. Windows 2000. Windows 2000. Windows XP Pro SP”. Windows XP Software adicional. Digital Visual Fortran 5. Intel Visual Fortran 9.0x **. Compaq Visual Fortran 6x * Memoria RAM. 64 MB. 1GB. Disco Duro. 500 MB. 40 GB (SCCI o IDE). Monitor. SVGA (800 x 600). XGA ( 1280 X 1025). Otros periféricos. Torre CD/-ROM 32 bit. Torre CD/-ROM 32 bit. Mouse. Mouse.

(24) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 13. Puerto Paralelo, Puerto serie o Puerto Paralelo, Puerto serie USB. o USB. Protocolo de red TCP/IP. Protocolo de red TCP/IP. * Se puede usar el EGCS/GNU Fortran 77 de libre acceso, el cual puede ser suficiente para simular varios casos, pero que tiene limitaciones. ** Se debe instalar uno de los siguientes softwares para el uso IVF 9.0, son el Microsoft Visual C++ NET 2002 o 2003 o Microsoft Visual Studio. NET 2002 o 2003 (Con Visual C++ instalado).. I. 5 Primera Simulación En esta sección se enumeran los pasos para realizar una primera simulación en PSCAD. I 5.1 Crear el Proyecto [3], [6] PASO Nº 1: Nuevo proyecto Se va a crear un nuevo proyecto, lo cual se puede hacer desde el botón correspondiente de la barra de herramientas o bien desde el menú de manejo de ficheros: “File > New > Case Ctrl+N” (ver Figura 4)..

(25) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 14. Figura 4: Crear un nuevo proyecto (desde botón o desde el menú). Paso No 2: Guardar el proyecto Para almacenar este proyecto con un nombre distinto se utiliza el comando “saveproyect As” o bien poniéndole un nombre al momento de aceptar guardar (Save Project as) PASO Nº 3: El proyecto está creado Una vez creado y guardado el fichero anterior en la ventana de proyectos debe aparecer el proyecto creado además de la librería principal (MASTER LIBRARY) y otros proyectos que se hayan ejecutado anteriormente. PASO Nº 4: Control de área de proyectos Cuando se tienen varios proyectos cargados es necesario decirle al programa cual vamos a utilizar, esto es, cual está activo. El que está activo tiene en azul el ícono , mientras que el resto está en gris. . La librería principal (master) está marcada con el icono verde .. Para activar un proyecto se sitúa el “mouse” sobre su nombre, se hace click con el botón derecho y aparece el menú de control de proyectos de la Figura 5. En ese momento se sitúa sobre la opción “Set As Active”. Además, haciendo “doble click” sobre el nombre del proyecto se verá el esquema asociado a él.. Figura 5: Menú para el manejo de proyectos..

(26) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 15. Otros elementos importantes del menú de control de proyectos mostrado en la Figura 5 son: Projects Setting. donde se definirán los parámetros de simulación. Set As Active. Se le dice al programa que ese es el proyecto que se va a simular Open. Se abre un nuevo proyecto Save. Se guarda el proyecto en disco duro Save as. Se guarda el proyecto poniéndole un nombre distinto Unload. Se elimina el proyecto de la lista de proyectos. I.6 Ejemplo de diseño de un esquema eléctrico. En este ejemplo se diseña un circuito de CA con una fuente de voltaje real, una resistencia y una inductancia, como el mostrado en la Figura 6, y cuyos parámetros son: Resistencia: R = 1 Ω Inductancia: L = 0.1 H Fuente de voltaje real: Valor eficaz voltaje: E = 230 V, Frecuencia: 60 Hz, Resistencia Interna: Rg = 0.1 Ω Este esquema se representó en el PSCAD y, mediante simulación, se mostrarán el voltaje en la Inductancia y la intensidad en el circuito.. Figura 6. Circuito AC a simular.. Primer paso. Búsqueda y copia de la fuente de voltaje. Se hace “doble click” sobre Master Librery. donde se muestran en el área de trabajo los.

(27) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 16. elementos de la biblioteca. Se selecciona una fuente de voltaje monofásica, con botón derecho del “Mouse” aparece el menú desde el de donde se puede copiar el elemento. Segundo paso. Situar la fuente de voltaje en nuestro esquema. Tercer paso. Selección de los parámetros de la fuente de voltaje, los cuales son:. 9 Configuration: (principales parámetros de la fuente). •. Source Name: Fuente (nombre de la misma). •. Source Impedance resistive (tipo de impedancia en serie con la fuente).. •. Is this source grounded? Yes (decimos si está o no al nodo de referencia).. •. Input Method: Internal.. •. Source Type: AC (Corriente alterna). 9 Signal Parameters: (Parámetros nominales de a fuente). •. Mag.: 0.230 kV (magnitud del voltaje de la fuente).. • Frequency: 60 Hz. • Initial Phase: 0.0o • Ramp up Time: 0.05 s (tiempo de inicialización, el voltaje de la fuente vale cero al inicio y tarda 0.05 s en alcanzar los 0.230 kV).. 9 Resistance: (Valor de la resistencia interna serie): 0.1Ω. 9 Inductance: 0 H 9 Capacitance: 0 F 9 Monitoring: (variables a monitorear de la fuente) • Name for source Current: Iout (nombre de la variable asociada a la corriente de la fuente) Cuarto paso. Situar y colocarle valores a la resistencia y la inductancia. Se puede repetir los pasos 1 y 2 para situar una resistencia. y una inductancia. ,o. bien, escogerlas en los botones existentes en los menús de control y elementos. Se Ponen los valores de la resistencia a 10 Ω y el de la inductancia a 0.01 H haciendo “doble clic” sobre ellas. Para Rotar los elementos se hace “click” sobre ellos y se pulsa la tecla R..

(28) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 17. Quinto paso. Conectar Componentes Para la conexión eléctrica de los distintos componentes se utiliza el elemento “Wire” (cable, conexión) que se puede encontrar en la Master Library o directamente en el menú de elementos. Los elementos se unen poniendo en contacto sus extremos, o bien uniéndolos con elemento tipo “wire”. Es muy importante que la longitud del elemento sea exactamente igual a la distancia que hay entre los elementos. La longitud se varía haciendo “click” en los extremos y se gira el elemento seleccionándolo y pulsando la tecla R. En el PSCAD es necesario que en cualquier circuito exista un nodo de referencia o masa, el cual denomina GROUND y se representa como. . Existen muchos componentes que ya. tienen uno de sus extremos a este tipo de nodo. En el PSCAD dos conductores (wire) que se cruzan pero que no hacen contacto eléctrico se pueden unir utilizando el elemento “pin”. del menú de controles.. Sexto paso. Situación de los equipos de medición y variables a representar. En el ejemplo situaremos un voltímetro entre uno de los extremos de la inductancia y tierra para medir el voltaje en este elemento. Para ello se escogerá el voltímetro existente en el menú de elementos hay que ir a la biblioteca:. , aunque para ver la colección completa de medidores del PSCAD _Master library > [meters]. Una vez representado el circuito y situado los medidores en las variables que se consideran de interés, hay que indicar al PSCAD cuales son las variables que se desean representar y como. En este ejemplo hay dos variables representables, el voltaje en la inductancia “Ea” y la corriente de la fuente “Iout” (ver signal parameters en la fuente de voltaje). Para ello se escoge en el menú de controles (o en el elemento “Output Channel”. Master Library) el elemento “Data Label”. y. uniéndolos por medio de un elemento ya conocido por. nosotros llamados wire Al elemento “Data Label” se le pondrá el nombre de la variable a representar haciendo.

(29) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 18. “doble click” sobre él, y en el elemento “Output Channel” se especifica como se quiere representar (título, unidades, factor de escala…) también haciendo “doble click”. Las variables se representaran una vez realizada la simulación en un grafico (Graph Frame. ) que será necesario configurar. Para ello se escoge del menú (o de. Library) el ícono Graph Frame. Master. y se sitúa en el área de trabajo. El cuadro que aparece. se escala haciendo “click” y arrastrando los cuadritos verdes que lo rodean. Haciendo “click” con el botón de la derecha en la barra de título del cuadro recién creado, aparece el menú de configuración, donde se sitúa el mouse sobre “Add Analog Graph”, de forma que se añade una grafica de representación. Se añaden tantas Gráficas como veces se repita este proceso. Para enviar las variables a las Gráficas recién creadas se utiliza el botón derecho sobre el “Output Channel” titulado “Tensión Bobina” con lo que aparece el menú mostrado en la Figura 7 y se pincha sobre “Add as curve” A continuación se hace “click” con el botón derecho sobre una de las Gráficas y se selecciona Paste Curve. Se repite el proceso con el otro Output Channel titulado “Intensidad Circuito” obteniéndose las Gráficas.. Figura 7. Menú de configuración del Output Channel.

(30) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 19. Séptimo paso. Simulación: 1: Parámetros de simulación Haciendo “click” con el botón derecho sobre el nombre del proyecto, en este caso aparece el menú de configuración de proyectos mostrado anteriormente. En este menú escogemos la opción de “Project Settings”, con lo que aparece la ventana cuyos parámetros más relevantes son: •. File: Nombre del proyecto que vamos a simular.. •. Description: descripción del mismo, se puede poner el texto que se desee.. •. Duration Of Run (sec): Tiempo de simulación para el circuito, se escogió 0.5s.. •. EMTDC time step (µS): es el tiempo que hay entre dos valores consecutivos a simular. Por ejemplo, si se quiere simular el comportamiento de una forma de onda sinusoidal que tiene un periodo de 20ms se tendrá que coger varios puntos por ciclo, por ejemplo 20 puntos por ciclo. Esto quiere decir que estos puntos estarán separados 20 ms/20= 1ms (1000 µS).. •. PSCAD plot step (µS): Es el tiempo que hay entre dos valores consecutivos representados en las Gráficas, ha de ser igual o mayor que el valor anterior.. 2: Simulación y Resultados Una vez configurada el Project Settings se realiza la simulación por medio del comando RUN. situado sobre la barra de herramientas o bien desde el menú se puede acceder a:. Build → Run El PSCAD empezará a compilar el proyecto, el cual quedará representado por el movimiento de los engranajes. de la parte inferior derecha de la ventana.. 3: Errores en la simulación Si una ve iniciada la simulación no aparece ningún resultado o aparece un mensaje de error, se tendrá que ir a la ventana de salida en “BUILD” y ver los errores del circuito, como se muestra en la Figura 8 marcados los errores con una flecha roja. Por ejemplo, el error que aparece en el ejemplo es “Branch is a short”. Si se hace “doble.

(31) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. 20. click” sobre el aparece la línea roja sobre el esquema indicándonos que hemos empleado un “wire” o conexión demasiado largo. Acortamos la conexión y le volvemos a dar a RUN y el compilador empieza nuevamente su función.. Figura 8. Ventana de salida con los errores del circuito y su localización en el esquema.. 4: Resultados. Una vez finalizada la simulación los resultados pueden verse en las Gráficas creadas en los apartados anteriores. El aspecto de las gráficas se puede variar situados sobre ellas y escogiendo ZOOM, en “Graph Properties” o simplemente alargando la figura con el cursor del “mouse”, se puede poner un título, un nombre para ambos ejes, etc. En la Figura 9 se muestran los resultados obtenidos en el PSCAD..

(32) CAPÍTULO 1.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE PSCAD. Figura 9. Estado del programa después de la simulación.. 21.

(33) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 22. CAPITULO II “EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD” II.1 INTRODUCCIÓN. En este segundo capítulo se confeccionan algunos ejercicios de rutina en lo que respecta a los Sistemas Eléctricos de Potencia que ayudan al usuario en el adiestramiento del software en lo que respecta a la conformación de distintas redes eléctricas con condiciones de proyecto y físicas diferentes. Esto permitirá que posteriormente el usuario sea capaz de diseñar ejemplos reales. Se muestra con ello la potencialidad de este simulador y su efectividad en el estudio de los distintos fenómenos que se presentan en las redes de alto voltaje, los cuales sin la ayuda del mismo no son posibles de analizar.. II.2 ESTUDIO DE LOS MODELOS DE LÍNEAS Y FALLAS EN LAS MISMAS. Este primer caso consiste de una red trifásica compuesta por una fuente de energía y una línea aérea radial idealmente transpuesta, con cargas monofásicas balanceadas. El objetivo del mismo es estudiar el comportamiento de los modelos de líneas más útiles en diferentes casos de análisis de fenómenos transitorios por ejemplo una falla monofásica, para lo que se toman muestras de valores de distintos parámetros eléctricos de la línea por medio de equipos de medición, multímetros eléctricos, que son posibles conectar en la red. Además se graficarán en los intervalos deseados. Existen tres formas básicas de modelar una línea de transmisión en el PSCAD, ellas son: secciones PI, Modelo Bergeron y Modelo de Línea dependiente de la Frecuencia [10]. El modelo denominado Bergeron para representar la línea será analizado en el ejemplo del trabajo, el mismo es muy conocido para representar las líneas eléctricas, siendo muy eficiente. Es un modelo simple, se representan las inductancias y capacitancias en un circuito PI de forma distribuida, es el equivalente de usar un número infinito de secciones PI, excepto que la resistencia si se modela como parámetro concentrado (la mitad en el medio de la línea y ¼ en cada extremo). Su comportamiento se basa en ondas viajeras a frecuencia constante. Se utiliza donde es importante obtener los valores correctos de las.

(34) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 23. impedancias para una línea o un cable a la frecuencia fundamental, por ejemplo pruebas a relés y estudios de flujos de carga. Pero no se usa cuando hay presencia de armónicos o fenómenos transitorios importantes, aunque se pueden representar las impedancias a otras frecuencias pero en ese caso las pérdidas no cambian. Se pueden representar líneas transpuestas. Se analiza también el comportamiento de “Frecuency dependent (Phase) model options”. Este modelo en español significa que el comportamiento de las líneas depende de la frecuencia. Es un modelo responde al doble de la frecuencia de una línea o un cable. Es muy utilizado cuando se trata de la dependencia de toda la línea con respecto a la frecuencia. Su utilización se recomienda cuando se quiere analizar los fenómenos transitorios o armónicos en las líneas eléctricas. En el modelo “Frecuency dependent (Mode) model options” u opciones de este modelo los parámetros dependen de la frecuencia, donde se tiene una solución exacta para una frecuencia dada. Toma más tiempo en la simulación que el modelo Bergeron, pero se necesita o es muy útil para estudios donde sea importante tener en cuenta los fenómenos transitorios y los armónicos, es decir donde se requiera una representación detallada de la línea en un amplio intervalo de frecuencias. Los modelos dependientes de la frecuencia utilizan técnicas modales o técnicas en el dominio de la frecuencia. Trabaja de manera eficiente para líneas de un conductor, dos conductores horizontales y para una línea idealmente transpuesta. No se debe usar para líneas que no sean transpuestas o para torres con conductores múltiples. En la Figura 2.1 se presenta la vista general del proyecto.. Figura 2.1 Circuito General del proyecto analizado en el ejemplo..

(35) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. El proyecto se corresponde con la representación de un. 24. circuito compuesta por un. generador trifásico, una línea radial tipo T de la cual se detallarán más adelante los modelos, y cargas fijas conectadas al final de cada fase.. II.2.1 Configuración Del “Project Settings”. A manera de conocer más acerca de las ventajas de este software se puede observar el “Project Settings” usado por el usuario y mostrado en el capítulo I, se mencionarán algunos detalles de esta ventana. Se observa la vista general en la cual se da a conocer el nombre del proyecto, el lugar donde está guardado, los días en que fue creado y modificado por última vez, y la versión del software usado. En la otra parte y de simple configuración encuentra el “Runtime” que como el nombre lo indica, tiempo de corrida, donde se ingresan como datos el tiempo que demorara la corrida cuya unidad es el segundo, el tiempo de solución y el tiempo de paso para graficar el canal de salida ambas dadas en microsegundos. Para más de una corrida el PSCAD brinda la opción de enumerar las que el usuario desee. Figura 2.2.. Figura 2.2. Ventana la cual muestra el Project Settings..

(36) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 25. II.2.2 Configuración de la fuente de generación. Para configurar la fuente se da un “doble click” en el ícono que representa la fuente, y aparece la ventana que se observa en la Figura 2.3. Aquí se introducen todos los datos para la configuración de la fuente trifásica. Como todo elemento de una red debe presentar un nombre, que para fines de esta simulación se denominó “John Day”; la impedancia en serie es una de tipo inductiva como ya fue mencionado; el control de la fuente tipo fija las bases tanto de voltaje como de potencia aparente las cuales son 500kV y 100MVA respectivamente; y la frecuencia base de 60 Hz. El valor de 0.05 s es el tiempo que se demora la fuente en alcanzar su valor nominal el cual es para este proyecto 230kV rms de fase a tierra: Por último se tomarán iguales las impedancias de secuencia positiva y de secuencia cero.. Figura 2.3. Configuración del Multímetro.. Posteriormente se presentan las demás configuraciones que se pueden realizar a la fuente de generación, se introducen los valores de las impedancias positiva y de secuencia cero, el valor de la inductancia en serie con la fuente, valor del voltaje para el control fijo de la.

(37) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 26. fuente, y el valor de potencia activa si es que se utiliza un control automático de potencia, las variables de salida como cantidad en por unidad de las potencias activa y reactiva, valor de la fuente así como el ángulo de fase y las corrientes por cada una de las fases. Figura 2.4.. Figura 2.4. Otros aspectos necesarios para el diseño de la fuente. II.2.3 Configuración de la Línea de Transmisión Aérea: La configuración de esta línea se realiza de manera muy sencilla como se observa en la Figura 2.5. Consta del nombre el cual fue denominado “Línea”. Además es necesario especificar el valor del estado de la frecuencia que es en este caso 60 Hz, el cual se mantendrá constante; el número de conductores que se usa 3; El estilo de terminación o de contacto a los nodos de los extremos, lo cual debe tener en cuenta que si se opta por una conexión remota se usan los extremos de la línea, mientras que si optamos por la conexión directa, como el nombre lo indica se conecta directo a los nodos..

(38) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 27. Figura 2.5. Configuración General de la Línea.. Para editar todo lo correspondiente a la torre y a los conductores usados en este proyecto se hace por medio de la opción de “Edit”. Figura 2.6. Figura 2.6. Modelo de Torre utilizado donde se muestran las distancias entre conductores..

(39) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 28. Dentro de la ventana de la Figura 2.6, se observan cada unas de las partes necesarias para hacer la simulación, es decir los datos de la torre, de los hilos de guarda, de los conductores por fase y de la flecha. Se deben introducir los datos de la torre la cual puede se denominada con un nombre dado Figura 2.7. Son necesarios la altura del conductor más bajo, la distancia vertical del centro del conductor, espaciamiento entre fases, conductancia paralela, y si tiene conductores de tierra, cuántos, si la línea es transpuesta. En el caso de los conductores los datos consisten en el valor del radio del conductor, la resistencia por unidad de longitud medida a corriente directa conductores por fase, etc., para este proyecto se usará un modelo de línea no simétrica. Por último se debe dar como dato la longitud de la línea y la resistividad del terreno.. Figura 2.7. Datos de los Conductores.. II.2.4 Configuración del Multímetro. Se medirá el flujo de potencia del generador hacia las cargas conectadas al final de la línea, las cuales se detallarán más adelante, para ello se usará como elemento de medición unos.

(40) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 29. multímetros conectados en serie con la línea. La configuración de estos elementos de medición se hace de manera enteramente grafica, haciendo “doble clic” en su icono, donde se muestra la ventana siguiente, Figura 2.8.. Figura 2.8. Configuración y Canales de Salida del Multímetro. En este caso se tomará como medidas el flujo de potencia activa, la corriente y el voltaje en la carga. Se habilitan estas opciones a través de la palabra YES en las interrogantes de dicha ventana. Los demás datos son el valor en por unidad de la base de potencia activa, constante de tiempo de amortiguamiento de la señal que será de un valor ligeramente pequeño de tan solo 0.02 s, valor de la frecuencia, etc. Por último para el correcto funcionamiento de estos elementos de medida están los canales de salida o “signal name” ya vistos en el capítulo anterior, sólo se debe recordar que para el momento del “ploteo” o de graficar la señal debe tenerse en cuenta que los nombre puestos en estas salidas deben ser las mismas que llevará las etiquetas de los canales, de lo contrario dará errores y la simulación no se ejecutará, porque estas no reciben ninguna señal.. II.2.5 Cargas: Las cargas utilizadas son de tipo fijas conectadas a cada fase de la línea de alto voltaje, tal como se muestra en la Figura 2.9.

(41) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 30. Figura 2.9. Datos de las Cargas.. Para el diseño de este proyecto se consideran todas las cargas iguales con el fin de obtener un circuito balanceado. Los datos entrados son: potencia activa de 100MW, reactiva de 25 MVAR, la frecuencia que es un valor fijo y constante (60 Hz.), la dependencia de estas potencias con la variación del voltaje y de la frecuencia. Los otros datos necesarios son la resistencia, capacitancia y la inductancia. Se debe mencionar además que se pueden usar cualquier tipo de cargas desde las más simples como son las resistencias, capacitancias, etc.. II.2.6 Simulaciones. Después de tener configurada toda la red de alto voltaje se pasa a la etapa de simulación, la cual debe ejecutarse eficientemente siempre que los datos introducidos estén correctos. Uno de los objetivos del ejemplo desarrollado es el flujo de carga el cual se muestra por medio de diferentes gráficas que nos permiten visualizar las diferentes ondas de parámetros en el tiempo y analizar su comportamiento. Cabe recalcar que estas se muestran en los intervalos deseados para mejor visualización..

(42) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 31. En las Figuras 2.10, 2.11, y 2.12 se muestran las ondas de voltaje, potencia activa por cada una de las fases y la corriente por la fase C obtenidas en la simulación. Las mismas resultaron ser sinusoidales como se puede observar.. Figura 2.10. Ondas de Voltaje.. Figura 2.11. Ondas de Corriente por las Fases.

(43) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 32. Figura 2.12. Ondas de Potencia Activa.. II.3 FALLA A TIERRA DE UNA FASE DEL CIRCUITO GENERAL. Se simulará una de la falla más frecuentes de las redes de transmisión, la falla monofásica a tierra, en este caso la fase C a tierra tal y como se muestra en la Figura 2.13.. Figura 2.13. Circuito General. Este diseño presenta los mismos datos que el anterior, con la diferencia de que ahora se usará un panel con control para el tiempo de duración de falla, el cual es mostrado en Figura 2.14. El objetivo es analizar el comportamiento de las diferentes magnitudes ya descritas anteriormente, observar el desbalance de la red, etc..

(44) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 33. Figura 2.14 Circuito de Control de Tiempo de Duración y Limpieza de la Falla Tal como se muestra en la Figura 2.15 el circuito permanece igual hasta el momento que ocurre la falla por lo que las ondas de voltajes y corrientes permanece iguales en las tres fases hasta ese momento, tienen la misma amplitud, y una diferencia de ángulos de 120 grados Sin embargo, tal y como se puede observar en la Figura 2.15 en el momento en que ocurre la falla el voltaje de la fase C tiene un valor cero hasta el momento de su limpieza, que es después de un 0.1 segundos y en las otras dos fases se incrementa el voltaje a un valor aproximado de 500kV para la fase B y 400kV para la fase A. En la red ocurre un desbalance.. Figura 2.15. Variación de las ondas de voltaje durante el tiempo de falla.. El flujo de potencia durante la falla se muestra en la Figura 2.16..

(45) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 34. Figura 2.16. Flujo de potencia activa durante el cortocircuito. La potencia activa por las tres fases varía durante la permanencia de esta anomalía en la red. Por los conocimientos básicos adquiridos durante en el transcurso de la carrera se sabe que la potencia activa es directamente proporcional al voltaje, la corriente y al coseno del ángulo que existe entre ellos (factor de potencia), por lo tanto al incrementar el voltaje en las fases no falladas también se incrementa el flujo de potencia, se puede observar que se incrementa casi el doble de la potencia que consuma la carga durante un tiempo corto que es el tiempo en que se mantiene el cortocircuito, después ocurren algunas oscilaciones de potencia que se van atenuando, hasta que se estabiliza la misma al valor antes de ocurrir el cortocircuito. De igual manera pasa para la potencia reactiva en las fases sanas al incrementarse el valor del voltaje superior al nominal, trae consigo también que se incrementen estos valores, como se muestra en la figura 2.17. Ocurre distorsión en las ondas durante la permanencia de esta falla en la red..

(46) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 35. Figura 2.17. Flujo de potencia reactiva en las fases sanas durante el cortocircuito. El gráfico de la potencia reactiva en la fase fallada se muestra en la Figura 2.18.. Figura 2.18. Potencia reactiva por la fase fallada.. La explicación de la variación de la potencia reactiva por la fase fallada, se puede obtener de la expresión elemental de la potencia reactiva: Q = 3 * V * I * senδ. (2.1).

(47) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 36. Como se observa esta potencia también es proporcional al voltaje y a la corriente, pero en el momento que ocurre la falla hay un gran incremento de la corriente por esta fase, figura 2.19, mucho mayor que las otras dos, es por ello que se aprecia un pico de aproximadamente 80Mvar que es perjudicial para la carga que estamos alimentando, este incremento es por un tiempo corto porque después el voltaje tiende a un valor cero y por lo tanto esta potencia también. Cuando se trata de hacer los cálculos para seleccionar las protecciones e incluso para simplemente tener una idea de la intensidad de la corriente que pasa por la fase durante el tiempo de permanencia de la falla, el PSCAD mediante su editor gráfico permite observar y a la vez comparar la variación de esta magnitud, Figura 2.19.. Figura 2.19. Comparación de la Corriente entre una Fase Normal (B) y una Fase Fallada(C).. Sólo se muestran dos de las tres corrientes que circulan por el circuito para tener mejor comprensión del desbalance que provoca una falla y el incremento de la corriente de la misma. Del gráfico de la Figura 2.19 se observa que por la fase fallada antes del inicio de la misma, la corriente es sinusoidal tiene la misma amplitud que la otra y tiene un ángulo de defasaje de 120 grados entre ellas. En el momento que se inicia la falla en la red hay picos de corriente que alcanzan para este diseño valores aproximados a los 4kA por la fase C, el.

(48) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 37. cual se va atenuando según pasa el tiempo y se limpia la falla, esta corriente no debe permanecer por mucho tiempo porque como el voltaje en esa fase tiene un valor que tiende a cero ocurre que provoca variaciones en las demás fases, variaciones de la frecuencia y el generador puede salir de sincronismo, en el peor de los casos se puede perder la estabilidad del sistema. Es por estas razones que se debe tener como un punto muy importante al momento de diseñar una nueva red, las protecciones eléctricas que se ubicarán en las mismas, el tiempo que deben eliminar las fallas, etc. para evitar las interrupciones y una energía de mala calidad.. II.4 EJEMPLO DE UN BLOQUE GENERADOR TRANSFORMADOR. II.4.1 Descripción: El circuito mostrado en la figura 2.20 presenta un bloque generador transformador al cual se le va hacer una prueba a través de un cortocircuito trifásico a tierra, los datos nominales del generador son 120 MVA y un voltaje de 13.8kV, el transformador tiene una conexión delta - estrella aterrada por secundario con voltajes nominales de 13.8/230 kV por primario y por secundario respectivamente. Para medir el voltaje en los terminales se conecta un multímetro en serie con el circuito, la falla a tierra de las tres fases y una fuente de voltaje modelo uno.. Figura 2.20 Circuito General..

(49) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 38. El objetivo del ejemplo es observar como responde dicho elemento en presencia de esta avería en la red. Para ello se tiene el circuito de control de tiempo para la falla, el mismo se inicia en 7 s y termina a los 7.2 s, el breaker esta inicialmente abierto. Se mide la corriente que pasa por el transformador (I), corriente por el campo (If), torque mecánico (TM), voltaje en los terminales (Vt) y por último la velocidad angular (W). En la Figura 2.21 se puede observar como incrementan las corrientes por las tres fases del generador durante el cortocircuito teniendo en cuenta que antes de que ocurra la falla la máquina se encuentra en vacío.. Figura 2.21 Corrientes por cada una de las fases.. La corriente por el campo antes de que se produzca la falla es constante y de un valor de uno en por unidad, como se muestra en la primera parte de la Figura 2.22. En el momento que ocurre el cortocircuito es decir a los 7s, se puede observar como se incrementa para mantener el voltaje en sus terminales en un valor fijo y constante. Sin embargo, se observa.

(50) CAPÍTULO 2 EJEMPLOS PARA EL ESTUDIO DE APLICACIÓN DEL PSCAD. 39. que este incremento de corriente no es suficiente y el voltaje cae a un valor cero (parte inferior de la Figura 2.22), y en el momento de la limpieza de la falla se aprecia que este valor de voltaje regresa a su valor inicial, al igual que la corriente de campo.. Figura 2.22 Corriente por el Campo y Voltaje en los terminales.. La figura 2.23 muestra como el torque mecánico aumenta durante el fallo, de tal manera que debe permanecer la velocidad angular en un valor fijo y constante que es de 377 rad/s. Figura 2.23 Torque mecánico y velocidad angular..

(51) CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO. 40. CUBANO. CAPITULO III “Ejemplo de una Línea Real del Sistema Eléctrico Cubano” III.1 Introducción. En este capitulo se diseña un proyecto en base a datos reales de los elementos y ajustes de protecciones de una línea de enlace simple en un circuito de 220kV del SEN con vista a comprobar el comportamiento de las protecciones instaladas en condiciones reales ya estudiadas por métodos convencionales. Se simulan cortocircuitos con impedancias equivalentes en ambos extremos. El trabajar con la versión estudiante nos limita el número de nodos a utilizar y de la misma manera los interruptores que se pueden simular por lo que se decidió prescindir del interruptor en Vicente donde se observa el comportamiento en el plano impedancia y por ello las graficaciones del disparo y eliminación de la falla no son reales. El proyecto diseñado se muestra en la figura 3.1.. Figura 3:1. Circuito General..

(52) CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO. 41. CUBANO. Se diseñan y grafican las características relé tipo Mho el cuál tiene como valores de ajustes los reales para de esta línea. Se puede observar el desarrollo del punto de impedancia (Z) en el plano complejo R-X en cada una de las simulaciones realizadas. Para ello se simulan cortocircuitos de dos tipos: de fase a tierra (fase a ha tierra, A-G) y bifásico (entre las fases b y c, B-C). Se varía la distancia del cortocircuito al punto de lectura o medición y se realizan aperturas secuenciales para distintos valores de resistencia de falla (Rf), lo que permite observar el efecto de la fuente intermedia del otro extremo de la línea sobre la impedancia vista por el relé. Se varía el flujo de potencia prefalla con vista a lograr distintos comportamientos de la componente imaginaria que “ve” el relé debido a la diferencia que existe entre los ángulos de potencia “δ” de ambos extremos. Como las reactancias equivalentes de secuencia positiva y secuencia cero, x1 y x 0 respectivamente no son iguales, se debe seleccionar una fuente de voltaje “Modelo 1” que ofrece la posibilidad de diferenciarlas. Se selecciona un modelo de línea con dependencia de la frecuencia pues el efecto de la reactancia así lo requiere. Por lo antes mencionado este diseño se realizara con datos reales tanto de estructuras como de conductores.. III.2 Conceptos previos a tener en cuenta para la correcta comprensión del ejemplo. 1. Factores que afectan la medición de la impedancia a la falla [Altuve, Warrington, Mason, Iriondo, ABB]: •. Efecto de fuentes intermedias “Infeed”.. •. Resistencia de arco.. •. Acoplamiento mutuo.. •. Corriente de magnetización “Inrush”.. •. Transformadores de medida.. •. Líneas sin transposición de fases.. Estas causas se comportan errores en la medición de impedancia por lo da como resultados que la impedancia aparente medida por el relé sea superior o inferior al valor que se.

(53) CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO. 42. CUBANO considera verdadero en condiciones lineales (ausencia de tales efectos). Cuando el relé mide una impedancia de línea inferior a la que le corresponde por la posición de falla, se dice que el relé sobrealcanza. Cuando el relé mide una impedancia superior a la verdadera se dice que el relé subalcanza. Cuando actúan simultáneamente varias causas, puede producirse en ocasiones, una cierta cancelación de los errores cuando un tipo de causa tiende a producir errores de sobrealcance mientras que otras dan errores de subalcance. Por lo que se refiere a la función de protección de distancia, los errores de sobrealcance o subalcance solo son críticos cuando hacen que el relé se “equivoque” de zona de medida. Sin embargo para la función de localización de fallas el error tiene la misma criticidad en cualquier punto de la línea. 2. Efecto de las fuentes intermedias. (“Infeed”). Para que las protecciones puedan medir correctamente la impedancia de la falla es necesario que el voltaje que reciba dependa exclusivamente de la corriente local. Pero muchas configuraciones de la red pueden dar lugar a que esto no se cumpla, uno de estos casos típicos se muestran en la figura. 3.2. En la que el voltaje V que recibe el relé S además de depender de su propia corriente local de falla Is depende también de la corriente IL aportada a la falla por el sistema en el extremo remoto a través de la línea LK y que evidentemente no pasa por el relé S. La aportación IL en el extremo remoto es una inyección extra de corriente de falla, que tiene lugar dentro de las zonas II y III de S y que se conoce en la terminología anglosajona como “Infeed”.. Figura 3.2. Efecto de las fuentes intermedias..

(54) CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO. 43. CUBANO Si se supone una falla de tipo trifásica en el punto F de la línea KM, se tiene que: La impedancia real de la línea entre el relé S y la falla F es: Zreal = Z JK + Z KF = Z JF. (3.1). El voltaje medido por el relé S: V J = I S * Z JK + ( I S + I L ) * Z KF = I S * ( Z JK + Z KF ) + I L * Z KF. (3.2). Es decir, el voltaje que ve el relé tiene dos componentes, que son dos caídas de voltaje, la primera I S * ( Z JK + Z KF ) que depende de la corriente local I S que atraviesa el relé, mientras que la segunda I L * Z KF , que no depende de I S , es la caída de voltaje originado en el tramo KF por la corriente I L entregada a la falla a través de la línea LK. Este último término representa un término de error. La impedancia medida por el relé será por tanto:. ZS =. ⎛I VS = (Z JK + Z KF ) + ⎜⎜ L IS ⎝ IS. ⎞ ⎟⎟ * Z KF ⎠. (3.3). ⎛I ⎞ Z S = Z JF + ⎜⎜ L ⎟⎟ * Z KF ⎝ IS ⎠ ⎛I Es decir: Z S = Zreal + ⎜⎜ L ⎝ IS. (3.4). ⎞ ⎟⎟ * Z KF ⎠. ⎛I Por tanto el error absoluto de la medida será: Z S − Zreal = ⎜⎜ L ⎝ IS. (3.5). ⎞ ⎟⎟ * Z KF ⎠. Este error da lugar a que, bajo estas circunstancias, deje de ser cierta la simple relación lineal de proporcionalidad entre la impedancia que mide el relé y la distancia a la falla.. ⎛I ⎞ El citado error, que es variable, puede llegar a ser importante cuando la relación ⎜⎜ L ⎟⎟ es ⎝ IS ⎠ elevada y la falla ocurre cerca del extremo M. Como I S e I L estarán prácticamente en fase, este error es siempre positivo, es decir el relé mide una impedancia aparente variable pero.

(55) CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO. 44. CUBANO siempre será superior a la real o dicho de otra modo, el relé ve la falla mas lejos (punto F’) que donde realmente esta (punto F). Figura 3.2. 3. Resistencia de Arco. Cuando se produce una descarga eléctrica a lo largo del contorno exterior de un aislador de una línea aérea o entre conductores de fase, la corriente de falla se establece a través de un arco eléctrico, que es lo normal, las fallas limpias son poco probables en las líneas y otros equipos eléctricos. El arco puede presentar una resistencia eléctrica que es prácticamente óhmica y cuyo valor, para el caso del aire en reposo y durante los primeros ciclos de falla, puede calcularse por: [Warington] RA = (. 28710 * l ) ( I F ) 1.4. (3.6). Donde:. l : Es la longitud del arco (separación entre conductores de fase o distancia entre fase y apoyo metálico de la línea), se da en metros (m).. I F : Corriente de falla (corriente de arco), en Ampere (A). R A : Resistencia de arco (Ω) En la figura 3.3 se muestra como varía la resistencia y el voltaje de arco por cada metro de longitud de este, en función de la corriente de falla..

(56) CAPÍTULO 3 EJEMPLO DE UNA LÍNEA REAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO. 45. CUBANO. Figura 3.3. Relación de resistencia del arco y voltaje a través del arco con la corriente de falla. La resistencia de arco en serie con la impedancia de la línea modifica la impedancia medida por el relé, trayendo una medida incorrecta de la misma. Es más, cuando la falla está alimentada desde ambos extremos de la línea y existe un desfase entre las corrientes I S e. I R desde cada extremo, las protecciones de distancia de las líneas miden incluso una reactancia distinta de la que presenta la propia línea a pesar del carácter prácticamente resistivo del arco. 4. Acoplamiento Mutuo entre Circuitos: Por razones económicas y por limitaciones administrativas en la concesión de licencias para la construcción de las líneas aéreas con objetivo de proteger el medio ambiente, se tienes que tender en muchas ocasiones, dos o más líneas con trazados paralelos y próximos entre sí. Incluso es típico colocar varios circuitos trifásicos sobre las mismas torres. Esta situación se da con más frecuencia en áreas con una fuerte densidad de población. El paralelismo y proximidad entre circuitos origina errores de medida en sus protecciones de distancia (y localizadores de fallas), básicamente cuando se producen fallas a tierra, a causa de la impedancia de acoplamiento mutuo de secuencia cero, Z MO , que aparece entre.