PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELÉCTRICO
por
Cristian David Dimas Caro
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MODULO DE PROGRAMACION
PARA RECREAR SEÑALES ARMÓNICAS EN TIEMPO REAL DESDE LA
SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN.
Sustentado el 8 Junio de 2016 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Gustavo Ramos López PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes - Co-Asesor: David Felipe Celeita Rodríguez, Estudiante Doctoral, Universidad de Los Andes
- Jurados : Mario Alberto Rios Mesias, Profesor Titular, Universidad de Los Andes
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Proyecto de Grado 2016-10
RESUMEN
EJECUTIVO
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Contenido
Lista de figuras ...4
Lista de tablas ...4
1 INTRODUCCIÓN ...6
2 OBJETIVOS ...6
2.1 Objetivo General ...6
2.2 Objetivos Específicos ...6
2.3 Alcance y productos finales ...6
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ...7
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ...8
4.1 Marco Conceptual ...8
4.1.1 Simulación en tiempo real ...8
4.1.2 Señales armónicas y armónicos. ...8
4.1.3 THD ...9
4.1.4 Arquitectura de programación productor-consumidor. ...10
4.2 Marco Teórico ...10
4.2.1 Elementos generadores de armónicos. ...10
4.2.2 Medición de armónicos. ...11
4.2.3 Converso de 6 pulsos ...12
4.2.4 Conversor de 12 pulsos ...14
4.2.5 Simulación de un sistema de distribución. ...15
4.3 Marco Histórico ...16
5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ...17
5.1 Definición...17
5.2 Especificaciones ...17
5.3 Restricciones...18
6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ...19
7 TRABAJO REALIZADO ...19
7.1 Diseño de bloque de adquisición. ...19
7.2 Diseño de bloque para tratamiento de datos ...20
7.2.1 String a dato ...20
7.2.2 String a fase ...20
7.3 Diseño de bloque para generación de señales (HIL) ...20
7.4 Diseño de bloque de unión y generación de señales ...22
7.5 Diseño de interfaz de usuario ...22
3
7.5.2 Diseño de bloque para manejo de fase en interfaz ...22
7.5.3 Interfaz onda ...23
7.6 Diseño e implementación de programa final ...23
7.7 Descripción del Resultado Final ...24
8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ...26
8.1 Metodología de prueba ...26
8.2 Validación de los resultados del trabajo ...29
9 DISCUSIÓN ...30
10 CONCLUSIONES ...31
11 AGRADECIMIENTOS ...31
12 REFERENCIAS ...31
13 APENDICES ...33
13.1 Anexos...33
Anexo 1 ...33
Anexo 2 ...33
Anexo 3 ...34
Anexo 4 ...35
Anexo 5 ...36
Anexo 6 ...37
Anexo 7 ...38
Anexo 8 ...39
Anexo 9 ...40
Anexo 10 ...41
4
Lista de figuras
Figura 1. Esquema de respuesta en tiempo real. ...8
Figura 2. Representación en Fourier [7]. ...9
Figura 3. Esquema fundamental de funcionamiento. ...10
Figura 4. Requerimientos mínimos de atenuación [6]. ...12
Figura 5. Rectificador no controlado de 6 pulsos. ...12
Figura 6. Rectificador controlado de 6 pulsos ...13
Figura 7. Curva de corriente para rectificador de 6 pulsos ...13
Figura 8. Espectro de armónicos en rectificador de 6 pulsos. ...14
Figura 9. Configuración para rectificador de 12 pulsos. ...14
Figura 10. Señal de rectificador de 12 pulsos. ...15
Figura 11. NI-cRIO 9082 [ref] ...16
Figura 12. NF-4510 y NF AF-513 ...16
Figura 13. Voltaje amplificado con análisis de armónicos ...18
Figura 14.Diagrama de bloques para programación en la FPGA ...21
Figura 15.Diagrama de bloques de programa final ...23
Figura 16. Interfaz Final de usuario. ...24
Figura 17. Unifilar de simulación empleada. ...26
Figura 18.Datos de simulación ...28
Figura 19. Medida tomada con analizador de armónicos. ...28
Figura 20. Porcentaje de armónicos, conversor 6 pulsos, IEEE519 ...29
Figura 21. Panel frontal y diagrama de bloques ...33
Figura 22. Diagrama de bloques "String a dato" ...33
Figura 23. Panel frontal "String a dato" ...34
Figura 24. Diagrama de bloques "String a fase" ...34
Figura 25. Panel frontal "String a fase" ...35
Figura 26. Diagrama de bloques HIL ...35
Figura 27. Diagrama de bloques HIL (2) ...36
Figura 28. Diagrama de bloques "Unión armónicos"...36
Figura 29. Panel frontal "Unión Armónicos" ...37
Figura 30. Diagrama de bloques y panel frontal de manejo de fase. ...37
Figura 31.Diagrama de bloques para representación vectorial ...38
Figura 32. Panel frontal para representación vectorial ...38
Figura 33. Parte 1 del diagrama de bloques, interfaz Onda ...39
Figura 34. Parte 1 del diagrama de bloques, interfaz Onda ...39
Figura 35. Panel frontal, Interfaz Onda. ...40
Figura 36. VI final ...40
Figura 37. Espectro armónico 1 ...41
Figura 38. Espectro armónico 2 ...41
Lista de tablas
Tabla 1. Metodología de trabajo ...195
Tabla 2. Características del sistema ...26
Tabla 3. Características de transformadores ...26
Tabla 4. Características de cargas ...27
Tabla 5. Comparación de resultados nodo PCC, voltaje ...29
Tabla 6. Comparación de resultados nodo LD_3, voltaje. ...29
Tabla 7.Comparación de resultados nodo PCC,Corriente. ...30
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1
INTRODUCCIÓN
El siguiente documento presenta el diseño, implementación y validación de una herramienta computacional, capaz de recrear señales armónicas de un sistema de distribución a partir de la simulación en tiempo real del mismo, con el propósito de ser analizadas en tiempo real, por equipos utilizados en sistemas de distribución reales, tales como analizadores armónicos, relés entre otros.
Con base en lo anterior, se presenta a continuación la documentación pertinente, con la cual se justifica y se lleva a cabo el desarrollo del mismo.
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OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Diseñar e Implementar una herramienta computacional, que permita recrear señales armónicas en tiempo real, desde la simulación de un sistema de distribución.
2.2 Objetivos Específicos
Desarrollar un módulo de programación que permita convertir vectores de diferentes frecuencias a señales en el marco del tiempo para ser empleado en la plataforma de simulación en tiempo real.
Construir el módulo de co-simulación off-line que conecte monitores de calidad de la potencia en diferentes nodos.
Diseñar el módulo de tiempo real que conecte monitores de calidad de la potencia para reconstruir las señales de voltaje o corriente en un nodo.
Implementar adecuados módulos de monitoreo PQ utilizando el toolbox de labVIEW para recrear y estudiar señales armónicas.
Validar el modelo que se presenta en la IEEE-519 por medio de simulación off-line en DSSim-PC
Validar el modelo que se presenta en la IEEE-519 por medio de la co-simulación en tiempo real con DSSim-RT y Labview.
2.3 Alcance y productos finales
En la propuesta de tesis, se determinó que el alcance de este proyecto era entregar una herramienta computacional que fuera capaz de simular en tiempo real, señales en diferentes frecuencias, obtenidas de un sistema de distribución simulado. Con base en ello, se establece que este alcance fue obtenido satisfactoriamente, ya que la herramienta diseñada a lo largo del proyecto cumple con los objetivos propuestos.
7 De igual manera, para el segundo alcance planteado en la propuesta de tesis, se presenta una validación correcta del modelo IEEE-519. En donde se presentan varias tablas comparativas que exponen las diferencias existentes entre la norma, la simulación y la generación de las señales en tiempo real.
3
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
Las herramientas de simulación han ido tornándose en un procedimiento estándar para muchas industrias, por ejemplo en el diseño de prototipos (eléctricos, mecánicos, físico, químicos, etc.), la simulación hace parte fundamental del proceso de diseño, pues da lugar a una posterior implementación de un modelo. Con los resultados de este procedimiento se pueden evitar muchos factores negativos que influyen en el prototipo final. Un ejemplo particular se puede apreciar en la industria de potencia, la simulación de contingencias en los elementos o sistemas de potencia, permiten una mejor implementación y aseguran en gran parte su funcionamiento ante estos eventos en la vida real, de igual manera ayudan a ahorrar costos en proyectos y mejoran la confiabilidad de los mismos. [1]
En la actualidad existen varios tipos de simulaciones, en estos últimos años la simulación en tiempo real ha sido un tipo de simulación que ha presentado grandes ventajas a la industria, pues con ella se tiene una mayor flexibilidad a la hora de manejar un modelo, su facilidad para poder interactuar con el usuario lo hacen una mejor opción para estudiar diferentes comportamientos de manera rápida y efectiva. [1]
Es por ello que el estudio y desarrollo de estas herramientas es alto, la demanda que genera es grande y útil en todos los campos de la ingeniera. Actualmente la plataforma de simulación RT que se encuentra en el laboratorio de potencia de la Universidad de los Andes, obtiene señales temporales partiendo de vectores producidos por el software DSSIM. Este sistema tiene la limitación de hacerlo solo para vectores de una sola frecuencia (60Hz). Con base en lo anterior se plantea desarrollar un módulo de programación que permita convertir vectores de diferentes frecuencias a señales en el marco del tiempo para ser empleado en la plataforma y así poder tener mayor alcance en los modelos de trabajo.
El nuevo modelo de estudio que se logra con esta nueva herramienta, es el análisis de armónicos en sistemas de distribución. Este tema es un caso de estudio en el cual se trabaja mucho, las consecuencias que se derivan por tener armónicos en el sistema, pueden ser bastantes, uno de ellos son las pérdidas económicas debido a deterioro y daños de equipos [2]. Estos fenómenos en su mayoría se presentan en circuitos industriales [3], los cuales pone a esta nueva herramienta en un campo de acción grande. Con base en lo anterior, esta nueva herramienta, ofrece una mayor habilidad para determinar los comportamientos de los sistemas, así mismo evalúa y ejecuta en tiempo real diferentes soluciones para que sean evaluadas de manera rápida y segura.
8
4
MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
A continuación se presenta el marco conceptual y teórico utilizado durante el desarrollo de toda la tesis.
4.1 Marco Conceptual
4.1.1 Simulación en tiempo real
Este concepto se puede aplicar a distintas ramas de la Informática y proviene de la ingeniería de control. En general la caracterización como ‘tiempo real’ se refiere a la existencia de determinadas restricciones sobre el comportamiento temporal de nuestro sistema. Dependiendo del tipo de aplicación, esas limitaciones serán de una clase u otra. El concepto de tiempo real, por tanto, puede aplicarse de forma más o menos estricta según las restricciones impuestas [4].
El tiempo de respuesta (Tr) se define como aquel período de tiempo que transcurre entre la entrada de un dato y la obtención de una salida (figura 1). En un sistema de simulación visual representaría el tiempo que transcurre desde que el sujeto efectúa una acción (como mover el ratón) hasta que, después de efectuarse los cálculos correspondientes al modelo matemático del proceso y la visualización, se presentan las imágenes resultantes [4].
Figura 1. Esquema de respuesta en tiempo real.
4.1.2 Señales armónicas y armónicos.
4.1.2.1 Señales armónicas
Las señales armónicas, son señales que en el marco del tiempo se rigen por la siguiente formula:
𝑦(𝑡) = 𝐴 ∗ cos(𝜔 𝑡 + 𝑥) (1)
𝜔 = 2 ∗ 𝛱 ∗ 𝑓 (2)
9 De esta manera, se puede decir que las señales armónicas, son senoides de una frecuencia específica con una magnitud y fase propia [5].
4.1.2.2 Armónicos
Un armónico, es una componente sinusoidal con un periodo de onda o frecuencia propia, que es múltiplo de una frecuencia fundamental. En sistemas de potencia, la frecuencia fundamental de los sistemas de distribución y transmisión pueden ser de 50 Hz o 60 Hz dependiendo de la ubicación geográfica [6].
Una forma que permite representarlos de manera fácil es mediante la representación en Fourier, de tal manera que se pueden detectar los armónicos que posee una señal específica (Figura 3).
Figura 2. Representación en Fourier [7].
4.1.3 THD
El THD (Total Harmonic Distortion), es un término utilizado normalmente para definir el factor de distorsión que existe en la corriente o el voltaje. El factor de distorsión es entonces la relación que existe entre la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de todos los armónicos, y la raíz cuadrada de la amplitud del armónico fundamental, expresada en porcentaje tal como se muestra en la ecuación 3.
𝐹𝐷 = √∑ 𝐴ℎ 2 𝑛 ℎ=2
𝐴1 ∗ 100% (3)
Donde A es la amplitud armónico h, dependiendo del THD que se quiera determinar (Voltaje o corriente), la formula se ve alterada por la magnitud de los parámetros tomados [6].
10 4.1.4 Arquitectura de programación productor-consumidor.
Este tipo de arquitectura de programación, es utilizado en los casos en que se tienen dos procesos que necesitan ejecutarse al mismo tiempo, Se necesita asegurara que uno de ellos, no haga más lento al otro [8].
Figura 3. Esquema fundamental de funcionamiento.
Como se puede ver en la figura 2, el esquema de programación maestro esclavo o productor consumidor nos permite obtener varias ventajas a la hora de programar, tales como:
Permite ejecución asíncrona de ciclos.
La independencia de datos rompe el flujo de datos y permite las multitareas. Desliga procesos.
4.2 Marco Teórico
Gran parte del marco teórico que se presenta a continuación, está basado en el estándar IEEE519 “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems” [6].
4.2.1 Elementos generadores de armónicos.
El uso de cargas no lineales conectadas a los sistemas de potencias, cambia la naturaleza de la señal sinusoidal de corriente y por ende la del voltaje. El fuljo de los armónicos que producen estas cargas llegan a interferir los circuitos de comunicación y otros tipos de equipos. Cuando se utiliza la compensación de reactivos para mejorar el factor de potencia en estas cargas, la inyección de reactivos es más alta, ya que la resonancia que se genera por esta configuración así lo demuestra.
Con base en lo anterior el estudio de armónicos en sistemas de potencia es esencial, y su estudio para la eliminación de ellos contribuye al buen funcionamiento de la red y ayuda a la vida útil de los equipos de la misma.
11 Conversores de potencia
Hornos de arco
Compensadores estáticos
Inversores
Controles electrónicos de fases
Dispositivos con modulación PWM
4.2.2 Medición de armónicos.
La medición de armónicos en corriente y voltaje, son esenciales para determinar la confiabilidad en el suministro eléctrico, algunas de las razones más relevantes son [6]:
Control de valores actuales de armónicos, para mantenerse en los rangos permitidos por las normas.
Diagnóstico para la solución de problemas en equipos con rendimientos fuero de los valores permitidos.
Observación de comportamientos de cargas específicas, para determinar seguimientos y soluciones a lo largo del tiempo.
4.2.2.1 Equipos Básicos de medición:
Osciloscopio.
Analizador de espectral.
Analizador de armónicos o analizador de ondas.
Analizador de distorsión.
4.2.2.2
Requerimientos para instrumentos de medición.
4.2.2.2.1 Exactitud.
El instrumento de medición debe tener un error máximo del 5%, Por ejemplo, si se tiene un carga de 480V y se tiene un valor del armónico 11 en 0.7%, el error admitido en el instrumento de medición será de ±0.097 V alrededor de 1.94 V que es el valor teórico [6].
4.2.2.2.2 Selectividad.
La selectividad del instrumento de medición será la habilidad de este para separar y diferenciar las componentes armónicas de una señal. En la figura 4, se muestran los límites de atenuación permitidos.
12 Figura 4. Requerimientos mínimos de atenuación [6].
4.2.2.2.3 Ancho de banda
El ancho de banda del instrumento de medición, será lo suficientemente amplio, para detectar las componentes armónicas que posean las magnitudes más grandes con respecto al fundamental [6].
4.2.3 Converso de 6 pulsos
En acometidas industriales es común tener red trifásica de llegada. En varias circunstancias es ventajoso realizar conversores AC/DC mediante rectificadores trifásicos de 6 pulsos, ya que estos consumen potencia instantánea constante, presentan un rizado relativamente pequeño y son capaces de manejar alta potencia. En la figura 5 y 6, se pueden observar dos tipos de rectificadores de 6 pulsos que se utilizan en la industria, los no controlados y los controlados respectivamente [9].
Las dos principales diferencias entre los no controlados y los controlados, son su arquitectura y su control. El primero trabaja con diodos y el segundo con tiristores. Al trabajar con diodos el nivel DC no se puede controlar, en cambio con tiristores, el disparo programado en ellos ayuda a disminuir o aumentar el nivel de tensión DC [10].
13 Figura 6. Rectificador controlado de 6 pulsos
La característica principal de estos rectificadores cuando se habla de inyección de armónicos, es su curva de corriente como se muestra en la figura 7 y 8.
14 Figura 8. Espectro de armónicos en rectificador de 6 pulsos.
4.2.4 Conversor de 12 pulsos
El rectificador de 12 pulsos es una configuración muy popular en alta potencia (Megawatt), tal como se observa en las figuras 12, el rectificador de 12 pulsos se obtiene a través de la conexión en serie de dos rectificadores de 6 pulsos alimentados por transformadores de diferente tipo de conexión. Este rectificador debe su nombre al hecho de que, en un período de la tensión de alimentación, genera 12 pulsos en el voltaje de la carga. A través de esta conexión, es factible obtener más potencia en la carga, menos armónicas en la tensión de la carga y menos armónicas en las corrientes de entrada [11].
Figura 9. Configuración para rectificador de 12 pulsos.
Las corrientes de entrada de los rectificadores de 6 pulsos con transformador en estrella y delta tienen las armónicas 5 y 7 con signos cambiados. Por esta razón, al sumar ambas corrientes, estos armónicos se eliminan. Lo mismo sucede con los armónicos 17 y 19 tal como se observa en la figura 10. En términos más generales, dependiendo del desfase del transformador se pueden obtener la eliminación de varios armónicos. Esto debido al corrimiento generado por el transformador como se demuestra en la siguiente formula:
15 Figura 10. Señal de rectificador de 12 pulsos.
4.2.5 Simulación de un sistema de distribución.
Para realizar la simulación de un sistema de distribución, se utiliza el software DSSim-PC, el cual es la interfaz gráfica del software OpensDSS desarrollado por EPRI, esta herramienta computacional incluye una galería de modelos los cuales ayudan a operar y evaluar soluciones mediante dispositivos básicos como interruptores, medidores entre otros. Con la ayuda de LabVIEW y las librerías existentes en DSSim-PC, se realiza una co-simulacion en tiempo real, mediante el protocolo de comunicación TCP/IP [12].
Esta herramienta será desarrollada con el Hardware NI-cRIO 9082 (figura 5), el cual pertenece a la empresa de National Instrument. El sistema operativo utilizado es Windows 7 y el software LabVIEW 2014. Esta tarjeta se utilizara para generar las señales en el marco del tiempo, de esta manera se amplificaran 4 señales, 3 fases de voltaje y una fase de corriente.
La señal de corriente, será amplificada con un amplificador de corriente que está compuesto por un amplificador de potencia NF-4510 [13] (Figura 6) y una carga electrónica NF AS-513 [14](Figura 6).
16 Figura 11. NI-cRIO 9082 [13]
Figura 12. NF-4510 y NF AF-513
4.3 Marco Histórico
Actualmente, los módulos de programación en tiempo real con los que cuenta el laboratorio de la universidad de los Andes, tiene la limitante de recrear señales con frecuencias solo a 60 Hz, por este motivo el número de aplicaciones que se pueden generar son limitadas. Hasta el momento, se han realizado trabajos con simulación en tiempo real y HIL (Hardware in the loop) [12].
Durante el 2014 y el 2015, se realizaron varias proyectos de grados, sobre la simulación en tiempo real, algunas de ellas fueron: “Diseño e implementación de un filtro activo de potencia en derivación para eliminación de contenido armónico en la red eléctrica utilizando la plataforma OPAL-RT” por José Gonzales [15], “Diseño de un sistema RT-HIL para uso de relés en condición de protecciones adaptativas” por Gustavo Granados [16] y “Modelo de simulación en tiempo real de un sistema de distribución que presente conexión y desconexión de vehículos eléctricos” por Daniel Fernández [17] .
Además de esto, en el 2016 fue publicado en la revista “ELSERVIER”, un paper sobre la implementación de una plataforma educativa en tiempo real, para la automatización de relés en redes inteligentes. La cual fue el punto de partida e inspiración para desarrollar este proyecto de grado [12].
17
5
DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO
5.1 Definición
Se plantea el diseño de una herramienta de programación que trabaje en el software LabVIEW con ayuda de las librerías de la FPGA y las librerías por defecto que posee esta herramienta, este módulo será capaz de recrear señales armónicas en el marco del tiempo, con una velocidad en tiempo real, para ello se utilizara el módulo NI9269 de la tarjeta NI-cRIO 9082. Posteriormente la señal de corriente armónica será amplificada por los equipos antes descritos en el marco teórico y se validaran los resultados al conectar medidores o equipos externos de estudios específicos. Para este caso en particular se conectará el analizador de armónicos “FLUKE 41B”.
Para realizar la validación de la herramienta por medio de señales armónicas, se implementara el modulo diseñado en la co-simulacion en tiempo real entre DSSim-PC y LabVIEW, de esta manera se diseñara una interfaz de usuario con base el ejemplo uno del estándar IEEE519, con el propósito de comparar los resultados experimentales con los teóricos. Esta interfaz ofrecerá versatilidad en el manejo de señales, al poder recrear en el marco del tiempo diferentes comportamientos de señales, además de ello se tendrán ayudas gráficas para que la experiencia del usuario con la nueva herramienta sea la mejor. Por último se tendrán una serie de opciones en las cuales se podrán identificar, reforzar y medir en tiempo real, conceptos que el ejemplo uno del estándar IEEE519 ofrece.
5.2 Especificaciones
A continuación se listan las especificaciones que tiene el proyecto de grado, con base en las funciones delimitadas que debe cumplir esta nueva herramienta diseñada.
Generación de señal de voltaje y corriente en el marco del tiempo.
Se especifica, que la herramienta es capaz de recrear señales tanto de voltaje como de corriente, en voltaje se recrean las 3 fases y en corriente 1 fase. Esto debido a que los equipos de amplificación que se tienen a disposición para la corriente son monofásicos.
Co-simulación en tiempo real
Esta herramienta será capaz de simular un sistema de distribución en DSSim-PC y enviar resultados al software LabView para que esté los genere en el marco del tiempo. Además de ello se podrán generar cambios en tiempo real, a los estados de interruptores y medidores, de manera que su cambio sea percibido de manera instantánea en la señal generada.
18 Las librerías diseñadas en el proyecto, tiene la facilidad de adaptarse a cualquier proyecto que se desee elaborar. Pues estas tienen el propósito de recibir vectores de voltaje y corriente de cada armónico y recrearlas, independientemente del sistema que se desee simular.
5.3 Restricciones
Rango de error permitido en las señales recreadas:
Se especifica que el error en las señales recreadas tiene que estar dentro de ±5% de error con base en la amplitud de la señal. Se determina esta especificación con base en el estándar IEEE519 que se mostró en el marco teórico, sobre los rangos validos de medición de armónicos.
Magnitud de la señal de corriente
La magnitud de la señal de corriente tendrá una salida máxima de 4 App, esto debido a las restricciones de equipos de amplificación.
Magnitud de la señal de voltaje.
La magnitud de la señal de voltaje tendrá una salida máxima de 10 Vpp, esto debido a que el amplificador de voltaje que existe en el laboratorio inyecta el 3 y 5 armónico como se muestra en la figura 13. Para este caso de estudio no se puede aplicar, ya que los errores aumentan y no se cumplen las especificaciones antes mencionadas.
Figura 13. Voltaje amplificado con análisis de armónicos
La señal de color amarillo en la figura 13, es una señal seno de 60Hz y la señal azul es la amplificada en un factor de 10 de la amarilla. Como se puede ver en color morado, el análisis armónico de la señal amplificada, se distorsiona con la señal del 5 y 7 armónico.
19
6
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
A continuación se presentan en la tabla 1, el cronograma de actividades aplicado al desarrollo del trabajo, en esta se listan las principales actividades realizadas durante todo el semestre y la cantidad de tiempo empleado en cada una de ellas.
Tabla 1. Metodología de trabajo
Tareas
1 2 3 4 5 6 7Semana 8 9 10 11 12 13 14 15Documentación sobre programación en
LabVIEW. Familiarización con las herramientas y
software del laboratorio. Diseño de bloque de adquisición de datos
de DSSim-PC. Diseño de bloque para generación de
señales LabVIEW. Diseño de interfaz de usuario.
Diseño e implementación de ejemplo
IEEE519. Amplificación de señales recreadas.
Validación de resultados obtenidos.
Simulación en tiempo real del modelo
IEEE519. Elaboración del documento final.
7
TRABAJO REALIZADO
A continuación se presentan los cálculos y diagramas diseñados durante todo el proyecto, se debe tener en cuenta que hasta el literal 7.4 está la totalidad del diseño del módulo de programación para recrear señales a diferentes frecuencias. De este literal en adelante se muestra el diseño de una aplicación específica para validar el funcionamiento del módulo (Ejemplo 1, IEEE519).
20 Este bloque de adquisición, es el encargado de leer el bus de datos de los medidores colocados en DSSim-PC, de esta manera se utiliza el bloque “DSSim” de la librería de DSSim-PC para labVIEW [18], y se pone como constante de entrada el parámetro de “Request Monitors Name” y ”Request Monitor Data”, a partir de ellos se guarda la información en una variable global, con el propósito de ser utilizada durante el resto del programa. Cabe resaltar, que la escritura en la variable global solo se da en este bloque. En anexos 1, en la Figura 21 se puede ver el diagrama diseñado.
7.2 Diseño de bloque para tratamiento de datos
El tratamiento de datos consta de dos partes. En la primera se determinan las magnitudes de todos los vectores de las señales leídas y en la segunda se determinan los ángulos o fases en los que se encuentra cada vector antes definido.
7.2.1 String a dato
En este bloque se adquieren los datos guardados por el bloque “lectura” y se hace un cambio de tipo de dato, ya que los datos que se obtienen de DSSim-PC vienen en formato de texto en un arreglo. Entonces se convierten estos datos en formato de número (Double) y se extraen las magnitudes de todos los armónicos de acuerdo a la ubicación en el arreglo. En este caso el programa está diseñado para obtener hasta el armónico número 15. Luego de ello, nuevamente se convierte el formato del dato a una representación en formato binario de 32 bits con 5 bits de número entero. En anexos 2 en la Figura 22 y Figura 23 se puede observar el bloque diseñado.
Los parámetros de entrada de este bloque se encargan de: adquirir magnitud de voltaje o corriente y de proporcionar las magnitudes en P.U con base en el fundamental o con referencia a una base que se pone como parámetro de entrada.
7.2.2 String a fase
Este bloque realiza en su mayoría el mismo procedimiento que el bloque anterior, con la única diferencia en que este ubica y extrae los ángulos en grados de cada armónico y los pasa a radianes con el mismo tipo de dato (32 bits, con 5 bits de entero). Como se puede ver en la Figura 24 y Figura 25 en anexos 3.
Este bloque solo tiene parámetros de entrada, para obtener ángulos de voltajes o de corriente.
21 Este bloque es el encargado de proporcionar los datos suficientes, para que la tarjeta NI9269 pueda recrear las señales en el marco del tiempo.
Los datos de entrada de este bloque, son la magnitud y ángulo de cada armónico por cada fase, es decir que tiene 16 entradas en cada fase de voltaje y 30 entradas en la fase de corriente, para un total de 78 entradas. La robustez de este bloque se debe a la limitada librería que se tiene para la programación de la FPGA.
La lógica de este bloque se presenta en la Figura 14, la cual representa de manera general la función principal.
Figura 14.Diagrama de bloques para programación en la FPGA
Como se puede ver en la figura anterior, el objetivo fundamental del bloque es sumar senos de diferentes frecuencias, magnitudes y ángulos, con el propósito de reconstruir la señal de cada fase. Los datos de entrada de este bloque son generados por los bloques antes vistos de “String a dato” y “String a fase”. Las salidas de estos bloques son adaptadas para que el acople con las entradas sean efectivas y no presenten perdidas de datos o incoherencias.
En anexos 4, en la Figura 26 y Figura 27 se puede observar una parte del diagrama de bloques, donde se evidencia lo antes mencionado con la diferencia de los bloques utilizados para hacer las sumas y generar las señales.
Cabe resaltar que este bloque es diferente todos los mostrados, ya que esta lógica es compilada y sintetizada en la FPGA y no depende de la lógica de los demás bloques.
22 7.4 Diseño de bloque de unión y generación de señales
Este bloque, fue diseñado con el propósito de unir todos los anteriores bloques expuestos, de manera que en este punto, se unen los datos extraídos en co-simualcion de DSSim-PC con los módulos de la FPGA que tiene como parámetros de entra magnitud y fase de cada armónico.
Además de esto, este bloque tiene como parámetros de entrada el control para generar señal de voltaje o corriente y generación de señales en P.U. (Normalizadas) o no.
En anexos 5, en la Figura 28 y Figura 29, se puede ver el diagrama de bloques y panel frontal diseñados respectivamente.
7.5
Diseño de interfaz de usuario
7.5.1 Representación Vectorial
Este bloque es el encargado de generar gráficamente los vectores de los armónicos 5, 7, 11 y 13, tanto de corriente como de voltaje, dependiendo del medidor en el que se estén mostrando los datos al usuario. Además de ello, tiene la opción de mostrar el desfase generado por el trasformador en el ejemplo del estándar IEEE519, con el propósito de representar mejor los conceptos presentados en este ejemplo.
Este bloque adquiere la señal guardada por la variable global antes definida y extraer la magnitud y la fase de cada armónico (5 h, 7 h, 11 h, 13 h), luego con la ayuda del bloque “Compas” de la librería plot, se introducen estos valores para que sean graficados en el “2D plot”. Como parámetro de entrada este bloque tiene la referencia del medidor en el que se encuentra el usuario y el control para graficar o no el vector del armónico fundamental. Esto debido a que en algunos casos el fundamental posee una magnitud significativamente grande a comparación de los demás armónicos y no permite identificar en la gráfica los demás armónicos.
En anexos 7, en la Figura 31 y Figura 32 y f se muestra el diagrama de bloques y el panel frontal respectivamente.
23 Este diseño es similar al antes presentado en la sección 7.2.2, la diferencia entre ellos radica en el tipo de salida, pues en este bloque la salida de ángulo está representada en grados y en formato de dato “Double”. En anexos 6 en la Figura 30 se muestra el diagrama de bloques y panel frontal.
7.5.3 Interfaz onda
Este bloque cumple con la misma lógica de la Figura 14, con la diferencia que en este bloque por medio del módulo “Harm. Analy” de la librería de “signal processing” se puede obtener la representación de los armónicos en un grafica que muestra el porcentaje que contribución de cada armónico a la señal evaluada.
Como parámetros de entrada, se tiene el control para graficar o no cualquier fase, como parámetro de salida tiene la magnitud en voltaje línea-neutro de la fase en la que se esté evaluando. En anexos 8 en la Figura 33, Figura 34 y Figura 35 se encuentran algunas partes del diagrama de bloques y el panel frontal. Esto debido a que el diagrama de bloques es muy grande y no se puede mostrar todo en el documento, para poder obsérvalo en su totalidad, en los archivos entregados como soporte del proyecto se podrá ver.
7.6 Diseño e implementación de programa final
Con base en todo lo expuesto anteriormente, se presenta el VI final en el cual se unen y se implementa todos los bloques para que el programa funcione de la mejor manera. En la Figura 15 se muestra el concepto general implementado.
24 Como se puede ver en la figura anterior, el programa consiste en una comunicación continua entre DSSim-PC y LabVIEW por medio del bloque productor, de esta manera los datos obtenidos por el productor son enviados tanto al bloque consumidor como a la interfaz de usuario, para que sean evaluados y mostrados. En la parte del consumidor el bloque FPGA recrea las señales en el módulo NI9269.
En anexos 9, en la Figura 36 se presenta el VI final implementando.
7.7 Descripción del Resultado Final
En la Figura 16, se muestra la interfaz final de usuario, que maneja todo el programa.
Figura 16. Interfaz Final de usuario.
A continuación se describen las acciones de cada botón, indicador y las instrucciones para usar esta herramienta.
Botones:
Fase A: Controla la visibilidad de la señal en la fase A. (ON/OFF)
Fase B: Controla la visibilidad de la señal en la fase B. (ON/OFF)
Fase C: Controla la visibilidad de la señal en la fase C. (ON/OFF)
SW_1: Controla el estado del interruptor 1, que se observa en el unifilar. (ON/OFF)
SW_2: Controla el estado del interruptor 2, que se observa en el unifilar. (ON/OFF)
# Medidor: Determina la fila en que se encuentra el medidor a graficar, con base en el indicador “medidores”.(selector: entrada por teclado)
# Conductores: Especificación de número de conductores que posee la carga, línea etc. donde se encuentra el selector “# Medidor” (Entrada por teclado)
25 Normalizado: Amplitud de la señal recreada en tiempo real, si normalizado está activado, este se
generara en base al máxima corriente amplificada posible (4 App y 10 Vpp). (ON/OFF)
Fundamental: Controla la visibilidad del vector del armónico fundamental (ON/OFF)
Desfase: Visto desde la carga “LD_3”, muestra el desfase generado por el trasformador D-Y en la carga “LD_2” (ON/OFF) (solo sirve en cuando el medidor esta en 1)
Stop: Detiene la ejecución del programa (ON/OFF)
Indicadores:
Monitor: Muestra las señales activadas por los botones fase A, fase B y Fase C (Grafica)
Base Magnitud: Dependiendo del botón “Voltaje-Corriente” muestra la magnitud del armónico fundamental.(Valor)
Medidores: lista todos los medidores colocados en DSSim-PC.(Valor)
Unifilar: Muestra la ubicación del medidor y el estado de los interruptores en el sistema. (Grafica, ON/OFF)
Forma Vectorial: Muestra en forma vectorial, la señal de la fase A con sus armónicos (5,7,11 y 13)(Grafica)
Espectro de frecuencia fase C: Muestra de forma espectral, la señal de la fase C. (Grafica)
Cuadro de recomendaciones: Recomendaciones de la configuración pertinente para el amplificador de corriente e información sobre el numero de conductores en el ejemplo IEEE519(Texto)
Instrucciones:
1. Ejecute DSSim-PC
2. Abra el archivo “Harmonics_Example” o “Harmonics_Example_2”. 3. Compile el proyecto.
4. Coloque los medidores del archivo “Meters_File_Harm”. 5. Ejecute la simulación en modo “harmonics”, con:
Step Time: 10s
# of Days: 21
Save measurements Periodically: OFF
6. Encienda la carga Electrónica con la siguiente configuración:
Ohm: ON
Range: 200 V
Frecuencia: 60Hz
Valor de resistencia: 33 ohm
7. Oprima el botón ON de la carga electrónica. 8. Encienda el amplificador de Potencia. 9. Ejecute la aplicación en LabVIEW.
26
8
VALIDACIÓN DEL TRABAJO
8.1 Metodología de prueba
Para la validación del trabajo se realizó la simulación del ejemplo uno del estándar IEEE519 [6], y se compararon los datos teóricos, simulados y recreados para determinar porcentaje de errores y comportamientos.
A continuación se presenta el modelo simulado en DSSim-PC.
Figura 17. Unifilar de simulación empleada.
En la figura 17, se muestra el sistema simulado y los medidores en los cuales se evalúan las señales. En la Tabla 2, Tabla 3 y Tabla 4 se pueden ver las configuraciones del sistema.
Tabla 2. Características del sistema
Configuración Valor
Alimentador primario
Fases 3
frecuencia 60 Hz Mva (sc3) 2000 Voltaje 115 kV
Tabla 3. Características de transformadores
Configuración Tr_1 Tr_2 Tr_3 Tr_4
conexión D-Y D-Y D-D D-D
Desfase 30° 30° 0° 0°
Potencia 50 MVA 12.5 MVA 12.5 MVA 25 MVA Voltaje Alta 115 kV 13.8 kV 13.8 kV 13.8 kV Voltaje Baja 13.8 kV 400 V 400 V 400 V
27 Tabla 4. Características de cargas
Configuración LD_linear LD_2 LD_3
Fases 3 3 3
frecuencia 60 Hz 60 Hz 60 Hz Potencia 25 MVA 12.5 MVA 12.5 MVA
FP 1 1 1
voltaje 400 V 400 V 400 V
Espectro 1 2 2
El espectro 1 y 2 de cada señal se puede ver en anexo 10 (Figura 37 y Figura 38), cabe resaltar que el espectro 1 es una carga lineal y el espectro 2 hace referencia a un conversor de 6 pulsos el cual posee los mismos valores que presenta el estándar IEEE519.
Con base en lo anterior, se ejecuta la co-simulacion de DSSim-PC y LabVIEW en tiempo real y se toman los datos pertinentes para validar el sistema de la siguiente manera:
Para validar la herramienta se realizaron varias tomas de datos en dos puntos diferentes del sistema simulado, el primero en el nodo PCC donde se encuentran conectadas las 3 cargas a 13.8 kV y en el lado de baja del transformador 3, que es donde se encuentra la carga LD_3.
En el nodo PCC se tomaron datos en 3 escenarios diferentes con respecto al estado de los interruptores:
Escenario 1: SW_1 cerrado y SW_2 cerrado. Escenario 2: SW_1 Abierto y SW_2 cerrado. Escenario 3: SW_1 Abierto y SW_2 Abierto.
Por parte de la simulación, se exportaron los datos del simulador y se aplicó la fórmula 3 para obtener el porcentaje de THD de Voltaje y corriente (Figura 18). Por parte de las señales recreadas, se tomó el valor de THD que identificaba el analizador de armónicos (Figura 19) y para finalizar por parte de los datos teóricos, se tomaron los valores que aparecen en la norma con respecto el PCC en el escenario 1(Voltaje y corriente) y el THD de la carga LD_3 se obtuvo con la fórmula 3 (Figura 20).
28 Figura 18.Datos de simulación
%𝑇𝐻𝐷 =√3566.77
2 + 2452.12+ 1058.82+ 1356.12+ 650.192+ 501.52+ 371.542
18577.39
%𝑇𝐻𝐷𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 25,6%
29 Figura 20. Porcentaje de armónicos, conversor 6 pulsos, IEEE519
%𝑇𝐻𝐷 =√19.2
2+ 13.22+ 7.32+ 5.72+ 3.52+ 2.72+ 22+ 1.62 + 1.42+ 1.22+ 1.12
1
%𝑇𝐻𝐷𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = 25,7%
De esta manera se realizan todas las medidas para los diferentes escenarios y medidores.
8.2 Validación de los resultados del trabajo
A continuación en la Tabla 5, Tabla 6,
Tabla 7 y Tabla 8 se presenta el resumen de todas las medidas de validación relevantes, con el cálculo del error entre el valor de simulación y el recreado en algunos casos. Esto debido a que en la norma no se encuentran los valores específicos de algunos escenarios. En las medidas que si se tiene el valor, el error fue calculado con base en las medidas teóricas.
Tabla 5. Comparación de resultados nodo PCC, voltaje
PCC
Escenario
Voltaje %THD
teórico Simulado Recreado Error %
1 2,5 2,5 2,48 0,8
2 NA 2,99 2,97 0,7
3 NA 3,5 3,37 3,7
Tabla 6. Comparación de resultados nodo LD_3, voltaje.
Medidor Voltaje THD%
teórico Simulado Recreado Error %
30 Tabla 7.Comparación de resultados nodo PCC,Corriente.
PCC
Escenario Corriente %THD
teórico Simulado Recreado Error %
1 Nota 2,2 2,3 4,5
2 NA 6,3 6,4 1,6
3 NA 21,2 20,8 1,9
Nota: Según el estándar IEEE519, el valor del %THD de corriente se encuentra en los rango de [0-4] %, ya que este depende de otras configuraciones del sistema que no están explicitas en la norma.
Tabla 8. Comparación de resultados nodo LD_3, Corriente..
Medidor Corriente %THD
teórico Simulado Recreado Error %
LD_3 25,7 25,6 25 2,7
Los errores que se evidencian en las señales recreadas, se deben a errores de instrumentación y restricción en la exactitud de los equipos.
9
DISCUSIÓN
El diseño de la herramienta antes presentada, posee la habilidad de recrear vectores de diferentes frecuencias en el marco del tiempo, tiene la versatilidad de generar cualquier combinación de armónicos con un error menor al 5% entre la señal teórica y la experimental. Además de ello, este proyecto contiene la aplicación de una simulación en tiempo real para la evaluación de conceptos, basado en el ejemplo número uno del estándar IEEE519, el cual fue validado de manera satisfactoria por medio de un analizador de armónicos de potencia (Fluke 41B).
De esta manera, se puede decir que el desempeño de la aplicación y el módulo generador de señales, funcionan de la mejor manera. En cuanto a la amplificación de señales para pruebas con equipos de diferentes propósitos, se puede expresar que la amplificación de corriente posee una alta precisión y exactitud en su labor, lo cual lo hace una herramienta confiable para ser utilizada en estudios robustos. Respecto a la amplificación de voltaje, desafortunadamente se tuvo la limitante de amplificación, debido al ruido que genera el equipo de amplificación que se encuentra en el laboratorio.
Para trabajos futuros, se recomienda adquirir un equipo de amplificación de voltaje que tenga una mayor relación señal-ruido. Por otro lado, se plantea como trabajo futuro la conexión de otros equipos de medición o equipos para validar funcionamientos, como lo es el relé.
31 Por último, con respecto a los objetivos planteados al inicio de proyecto, se puede ver que fueron cumplidos en su totalidad, de manera que cualitativamente se puede ver un desarrollo completo de la herramienta y cuantitativamente un 100% de cumplimiento en las metas propuestas.
10
CONCLUSIONES
Como se pudo evidenciar en el literal 8.2 el resultado obtenido en la recreación de señales fue todo un éxito, ya que el error calculado fue menor al 5%, lo cual indica un cumplimiento con el estándar IEEE519 a cerca de los errores tolerados en las medidas de armónicos presentados en el marco teórico.
Gracias al diseño y correcto funcionamiento de los bloques elaborados, los nuevos estudios y pruebas que se pueden llegar a realizar en el laboratorio de la universidad de los Andes incrementaran significativamente, pues la única limitante que se tiene, está dada por los elementos que pueda simular DSSim-PC, que en este caso son pocas.
Esta herramienta desarrollada a lo largo de proyecto de grado, tiene la posibilidad de ser aplicada para entrenamiento de ingenieros, con base en la simulación de sistemas reales o sucesos que se presenten en la vida profesional.
La validación realizada, le da a la herramienta diseñada robustez en su funcionamiento, ya que la norma IEEE519 tiene el propósito de ello.
La disminución en la complejidad de la solución, se debe a la gran versatilidad que proporciona el software LabVIEW, pues la gran cantidad de librerías para manejo de datos y generación de interfaz-usuario hacen de ella, una gran herramienta para solución de problemas.
11
AGRADECIMIENTOS
Agradezco en mi primer lugar a Dios, por darme la salud y sabiduría para terminar mí proyecto de grado. En segundo lugar y de igual importancia, dedico este logro a mi familia Alberto Dimas, Patricia Caro y Juan Sebastián Dimas por todo el apoyo brindado durante mi pregrado y desarrollo de tesis.
Agradezco también a mis compañeros de universidad Mónica Marcela Giraldo, David Alexei Rodríguez, Sebastián Gómez y Camilo Cárdenas. Por los buenos momentos brindados en los períodos más difíciles.
12
REFERENCIAS
[1] Vatic Group, «Vatic Group,» Vatic Grupo, Abril 2014. [En línea]. Available:
http://www.vaticgroup.com/perspectiva-logistica/ediciones-anteriores/por-que-simular-1/ . [Último acceso: 15 febrero 2016].
[2] Doble Engineering Company , «Simulador de sistemas de Potencia,» doble, Sede Mundial, 2014. [3] W. Carvajal Carreño, G. Ordoñez Plata y A. Moreno Wandurraga, «Simulación de sistemas
32 [4] Depto. Informatica y electronica. Universidad de valencia, «Informatica Grafica 2,» Junio 2010.
[En línea]. Available: http://informatica.uv.es/iiguia/AIG/web_teoria/tema6.pdf. [Último acceso: 5 Abril 2016].
[5] M Olmo R Nave, «Hyperphysics,» 2008. [En línea]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/shm.html. [Último acceso: abril 10 2016].
[6] Std 519, IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, USA: IEEE, 1992.
[7] Sinais, «Analisis de Vibraciones,» Marzo 2013. [En línea]. Available:
http://www.sinais.es/Recursos/Curso-vibraciones/fundamentos/transformada_fourier.html. [Último acceso: 5 Mayo 2016].
[8] LabVIEW, «National Instruments,» 7 Octubre 2015. [En línea]. Available: http://www.ni.com/white-paper/3023/es/. [Último acceso: 5 Mayo 2016].
[9] Departamento de electrónica, «Universidad de alcalá.,» 2006. [En línea]. Available: http://www.depeca.uah.es/depeca/repositorio/asignaturas/200349/acdc_tri_nc.pdf. [Último acceso: 6 Mayo 2016].
[10] N. Mohan, T. Undeland y W. Robbins, Power Electronics, USA: John Wiley & Sons. Inc, 2003. [11] Universidad Tecnica Federico Santa Maria, «Fuentes Armonicas,» 2006. [En línea]. Available:
http://www2.elo.utfsm.cl/~ipd411/archivos/apuntes/papers-Capitulo3.pdf. [Último acceso: 6 Mayo 2016].
[12] D. Celeita, M. Hernandez, G. Ramos, N. Penafiel, M. Rangel y J. D. Bernal, «Implementation of an educational real-time platform for relayingautomation on smart grids,» ELSEVIER, 2015. [13] NF Corporation , «Power Amplifier,» 2013. [En línea]. Available:
https://www.nfcorp.co.jp/english/pro/pp/p_amp/pre/4500/index.html. [Último acceso: 6 Mayo 2016].
[14] NF Corporation, «Electronic Load,» 2013. [En línea]. Available:
https://www.nfcorp.co.jp/english/pro/pp/ele/acdc/as513/index.html. [Último acceso: 6 Mayo 2016].
[15] J. Gonzales, «Diseño e implementación de un filtro activo de potencia en derivación para
eliminación de contenido armónico en la red eléctrica utilizando la plataforma OPAL-RT,» Tesis pregrado, Universidad de los Andes, 2015.
[16] G. Granados, «Diseño de un sistema RT-HIL para uso de relés en condición de protecciones adaptativas,» Tesis de pregrado, Universidad de los Andes, 2015.
[17] D. Fernandez, «Modelo de simulación en tiempo real de un sistema de distribución que presente conexión y desconexión de vehículos eléctricos,» Tesis de pregrado, Universidad de los Andes, 2014.
[18] D. Montenegro, «Dssim-PC,» Universidad de los Andes, 1 Abril 2015. [En línea]. Available: https://sourceforge.net/projects/dssimpc/. [Último acceso: 1 Febrero 2016].
33
13
APENDICES
13.1
Anexos
Anexo 1
Figura 21. Panel frontal y diagrama de bloques
Anexo 2
34 Figura 23. Panel frontal "String a dato"
Anexo 3
35 Figura 25. Panel frontal "String a fase"
Anexo 4
36 Figura 27. Diagrama de bloques HIL (2)
Anexo 5
37 Figura 29. Panel frontal "Unión Armónicos"
Anexo 6
38 Anexo 7
Figura 31.Diagrama de bloques para representación vectorial
39 Anexo 8
Figura 33. Parte 1 del diagrama de bloques, interfaz Onda
40 Figura 35. Panel frontal, Interfaz Onda.
Anexo 9
41 Anexo 10
Figura 37. Espectro armónico 1
Figura 38. Espectro armónico 2
42 Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Proyecto de Grado 2016-10
RESUMEN
EJECUTIVO
DISEÑO
E
IMPLEMENTACIÓN
DE
UN
MODULO
DE
PROGRAMACION
PARA
RECREAR
SEÑALES
ARMÓNICAS
EN
TIEMPO
REAL
DESDE
LA
SIMULACIÓN
DE
UN
SISTEMA
DE
DISTRIBUCIÓN.
Cristian David Dimas Caro
Estudiante 201213338
cd.dimas1081@hotamilcom
Gustavo Ramos Ph.D.
Asesor Profesor Asociado
Palabras clave: Simulación en tiempo real, IEEE 519, Generación de armónicos, LabView, DSSim-PC
El reto
Actualmente la plataforma de simulación RT que se encuentra en el laboratorio de potencia de la Universidad de los Andes, obtiene señales temporales partiendo de vectores producidos por el software DSSIM. Este sistema tiene la limitación de hacerlo solo para vectores de una sola frecuencia (60Hz)
La solución
Por dicha razón, este proyecto de grado consiste en el diseño e implementación de una herramienta computacional que trabaje en tiempo real, con el propósito de convertir vectores de diferentes frecuencias, en señales que se generen en el marco del tiempo, con la intención de que sea empleado en el laboratorio de la Universidad de los Andes, para que este adquiera una gama más amplia en trabajos e investigaciones de temas actuales y futuros.
Introducción
Las herramientas de simulación han ido tornándose en un procedimiento estándar para muchas industrias. En estos últimos años la simulación en tiempo real ha sido un tipo de simulación que ha presentado grandes ventajas a la industria, pues con ella se tiene una mayor flexibilidad a la hora de manejar un modelo, su facilidad para poder interactuar con el usuario lo hacen una mejor opción para estudiar diferentes comportamientos de manera rápida y efectiva.
Descripción del Proyecto
El desarrollo del proyecto se realizó con la ayuda del software DSSim y LabVIEW, el primero ofrece la facilidad de simular un sistema de distribución de manera continua por un tiempo prolongado y el segundo brinda la posibilidad de hacer tratamiento de datos, generar señales en tiempo real con ayuda de la tarjeta NI9269 (DAC) y crear una interfaz gráfica para uso de ingenieros.
43 Para validar los resultados obtenidos al recrear señales en tiempo real, se realizó la co-simulación en tiempo real de DSSim-PC y labVIEW, con base en los datos del ejemplo uno del estándar IEEE519. Se realizaron una serie de toma de datos con el analizador de armónicos de potencia, para que fueran comparados con los datos de simulación y los del estándar IEEE519. En las siguientes tablas se pueden apreciar los resultados obtenidos en dicha comparación, además de esto, se calculó el error con referencia en la norma si era el caso, y con la simulación, en los escenarios donde no se tenían datos en el estándar. Cabe resaltar que la medida a comparar fue el THD (Voltaje y Corriente), ya que con este indicador se puede apreciar la acumulación del error de todos los armónicos generados, pues si se mira el error individualmente por armónico, esté se encuentra por debajo del 0,5%.
Tabla 1. Comparación de resultados nodo PCC, voltaje.
PCC
Escenario
Voltaje %THD
teórico Simulado Recreado Error %
1 2,5 2,5 2,48 0,8
2 NA 2,99 2,97 0,7
3 NA 3,5 3,37 3,7
Tabla 2. Comparación de resultados nodo LD_3, voltaje.
Medidor Voltaje THD%
teórico Simulado Recreado Error %
LD_3 12,7 12,7 13,18 3,8
Tabla 3. Comparación de resultados nodo PCC,Corriente.
PCC
Escenario Corriente %THD
teórico Simulado Recreado Error %
1 Nota 2,2 2,3 4,5
2 NA 6,3 6,4 1,6
3 NA 21,2 20,8 1,9
Nota: Según el estándar IEEE519, el valor del %THD de corriente se encuentra en los rango de [0-4] %, ya que este depende de otras configuraciones del sistema que no están explicitas en la norma.
Tabla 4. Comparación de resultados nodo LD_3, Corriente.
Medidor Corriente %THD
teórico Simulado Recreado Error %
44
Conclusión
En conclusión se puede ver, que dicha herramienta computacional funciona de la mejor manera, ya que el error porcentual que se presenta luego de generar la señal y amplificarla, es menor al 5%. Lo cual cumple con lo establecido en el estándar IEEE519, para medición de armónicos.
De acuerdo a la aplicación específica desarrollada, se puede ver que el modulo que recrea las señales armónicas en tiempo real, se incorpora fácilmente a una aplicación específica (IEEE519).
Figura 1. Interfaz de Aplicación.
Visto Bueno del asesor:
X
Gustavo A. Ramos L. Ph.D.
Profesors Asociado - Asesor del Proyecto
