Hola mis Amigos de Steemit, hoy quiero compartir con ustedes la continuación de mi post anterior sobre Estabilidad de Voltajes en Los Sistemas Eléctricos de Potencia "SEP", en el cual hablé sobre la introducción y los programas utilizados para llevar a cabo mi trabajo Especial de Grado junto con el Ingeniero Electricista Roberto Salas.
En este post hablaré sobre algunos conceptos básicos, los datos necesarios para llevar a cabo el análisis de Estabilidad y la aplicación de nuestro programa diseñado en Matlab llamado "SRS-AM v1.0".
Conceptos Básicos.
Sistema Eléctrico de Potencia (SEP):
Gonzales (2008) define a un sistema eléctrico de potencia (SEP) como un conjunto de elementos que se encargan de generar, transmitir y distribuir energía eléctrica a los usuarios, bajo ciertas condiciones y requerimientos. Duarte (1988), provee un definición similar, ya que define a un SEP como el conjunto de elementos que constituyen la red eléctrica y se encarga de generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica a los usuarios bajo unas condiciones y requerimientos establecidos, tales como voltaje y frecuencia constante, de bajo costo y bajo impacto ambiental.
Estados de Operación de un SEP:
Según Kundur (1994) para poder realizar el análisis de la seguridad en un SEP es de gran ayuda clasificar las condiciones de operación del sistema de potencia en cinco estados: normal, alerta, emergencia, emergencia extrema y restaurativo. En el estado normal todas las variables se encuentran en rangos aceptables y ningún equipo está sobrecargado. En el estado de alerta el sistema se encuentra aún en valores aceptables de sus variables, pero sus niveles de seguridad han caído bajo un límite establecido o las condiciones climáticas bajo las que se encuentran aumentan la posibilidad de que ocurra una perturbación.
Flujo de Carga:
Kundur (1994) define al análisis del flujo de potencia o carga como el cálculo de los flujos de potencia y los voltajes de una red de transmisión o sistema eléctrico de potencia para condiciones específicas de operación de sus barras o terminales. Cada barra posee cuatro variables asociadas (Kundur, 1994): potencia activa (P), potencia reactiva (Q), magnitud del voltaje (V), y ángulo del voltaje (Ɵ); para obtener una solución del flujo de potencia es necesario clasificar cada barra del sistema según sus características.
La Introducción de los Datos:
Técnicas de adquisición de los datos
Las técnicas de adquisición de datos, también conocidas como técnicas de investigación, se refieren a los procedimientos o formas particulares de obtener datos o información (Arias, 2012).
De tal modo en esta investigación la adquisición de los datos se realiza mediante la simulación del SEP, para obtener el flujo de carga y por consiguiente la matriz Jacobiana, luego, aplicando el método de análisis modal a partir de la matriz Jacobiana reducida, se determinan los valores propios y vectores propios, los cuales una vez determinados se utilizan para calcular los factores de participación de barras, ramas y generadores.
En este orden de ideas, se realizó un análisis estático de un Sistema Eléctrico de Potencia mediante el análisis modal, lo que permite obtener los valores propios y diferentes factores de participación (de barras, ramas y generadores), los primeros indican la cercanía del sistema a la inestabilidad de tensión, con su magnitud y signo, y los últimos identifican las zonas o áreas más críticas del sistema referente a la estabilidad de voltaje.
Descripción del SEP de 14 barras de la IEEE
Las características del sistema de potencia de 14 barras de la IEEE a analizar, mostrado en la figura. El sistema se compone de dos generadores, tres compensadores sincrónicos, y tres transformadores, uno de los cuales es de tres devanados, además de 11 cargas y 16 líneas de transmisión; la frecuencia nominal del sistema es de 60 Hz. Este sistema es utilizado para realizar validaciones de programas aplicados en el análisis de SEP, en la figura se muestra el diagrama unifilar de este sistema.
Sistema IEEE de 14 barras. Fuente: ‘‘Investigation of the load-flow problem’’ de Freris y Sasson (1986).
Las tablas a continuación presentan los valores de los elementos de rama del SEP en estudio en por unidad (p.u.), para una potencia base de 100 MVA y para los valores de voltaje base mostrados a continuacion, y en la siguiente tabla se detallan las resistencias y reactancias en p.u. entre cada barra, considerando tanto a las líneas de transmisión como a los transformadores, además se presentan las susceptancias shunt.
Especificación de las variables del SEP de prueba correspondientes al punto de operación a evaluar (caso base).
Se especificaron las características de cada barra del sistema correspondientes al caso base. A continuacion se indica el tipo de barra y sus voltajes, así como también las potencias activa y reactiva, tanto de carga como generada. Estos datos son necesarios para la realización del flujo de carga por el método de Newton-Raphson, el cual permite la obtención del punto de operación para el caso base (voltajes en las barras y flujos de potencia en todas las líneas) y también determina la matriz Jacobiana.
Desarrollo del programa de análisis de estabilidad de tensión
Ahora si, acá les muestro el programa, diseñado en MATLAB, el algoritmo mostrado a continuación:
Se introducen como datos de entrada las matrices de líneas y nodos del sistema a analizar.
Se obtiene la matriz Jacobiana del SEP mediante la realización del flujo de carga .
Se determina la matriz Jacobiana reducida del sistema en estudio. A partir de ella se obtienen los valores propios y los vectores propios izquierdos y derechos de la misma.
Se toma el mínimo valor propio de la matriz Jacobiana reducida.
Con el mínimo valor propio se determinan los factores de participación de barras, ramas y generadores.
Una vez desarrollado el código se procedió con la realización de una interfaz con el fin de mostrar los resultados obtenidos y además servir de guía interactiva para el usuario, la interfaz o ventana tiene la capacidad de recibir las matrices de líneas y nodos del sistema a evaluar para posteriormente aplicar el análisis modal.
Aplicación del flujo de carga por el método de Newton-Raphson en el "SRS-AM v1.0".
La herramienta virtual o interfaz interactiva ‘‘SRS-AM 1.0’’, esta sección cuenta con la información necesaria para la utilización de esta interfaz elaborada en MATLAB y la validación y evaluación de los resultados, producto de aplicar el flujo de carga para luego aplicar el analisis de estabilidad por el análisis modal al SEP de prueba con el programa.
Ejecución del Programa
Se descomprime el archivo denominado “SRS-AM 1.0.RAR” se copian y pegan los códigos en la carpeta por defecto de MATLAB la cual se puede ubicar en la barra de herramientas de MATLAB, de manera similar a como se muestra en la figura 1.
En el escritor de funciones de MATLAB se coloca ‘‘Amodal’’, y se presiona la tecla “ENTER” (figura 4.1.2), con lo cual aparece la interfaz de presentación del programa (ver figura 1).
Figura 1. Ejecución del programa.
Figura 2. Ventana de presentación.
Posteriormente se presiona el botón “Iniciar” y se abrirá la ventana principal del programa SRS-AM 1.0, como se muestra en la figura a continuación:
Figura 3. Ventana principal del programa.
Cálculo del flujo de carga de un SEP
Este programa cuenta con 3 SEP precargados los cuales pueden ser ejecutados por parte del usuario sin ninguna dificultad (ver figura 4), o también el usuario puede introducir un SEP del cual desee aplicar el análisis modal mediante la inserción de 2 archivos de texto en el programa, los cuales contendrán los valores de las líneas, transformadores y barras del sistema. Además se muestra la imagen de los SEP de prueba cada vez que se seleccionen en la ventana (ver figura 5).
Figura 4. Opciones disponibles del programa.
Figura 5. Imagen del SEP seleccionado.
Formato para la creación de los archivos de texto.
Si el usuario decide diseñar su propio SEP, seleccionando la opción ‘‘Introducir SEP (Matrices .txt)’’, como se observa en la figura 6, se habilitarán 2 botones con los cuales podrá cargar los archivos con la información del SEP; para calcular el flujo de carga mediante el programa solamente tendrá que crear y cargar 2 archivos de texto del SEP, un archivo que contenga la información concerniente a las barras del sistema y otro archivo que contenga la información de las líneas y los trasformadores del SEP.
Figura 6. Selección para introducir un SEP de preferencia.
Formato del archivo de barras:
Este archivo debe poseer un formato .txt y contener la información correspondiente a las barras del SEP, dicha información debe estar estructurada como se indica en la Tabla.
Al realizar el archivo .txt, de las barras del sistema, el mismo tendrá que visualizarse de forma similar al de la figura anterios, es bueno acotar que aunque el mismo esta de forma ordenada no necesariamente tiene que estar de esta forma, solamente se debe garantizar que entre un dato y otro exista una separación de un espacio mínimo.
Figura 7. Vista general del archivo de texto de barras.
Formato del archivo de líneas:
Este archivo debe poseer un formato .txt y contener la información correspondiente a las barras del SEP, dicha información debe estar estructurada como se indica en la siguiente Tabla.
Al realizar el archivo .txt, de las líneas del sistema, el mismo tendrá que visualizarse de forma similar a la figura 8, como ya se mencionó, aunque el mismo esta de forma ordenada no necesariamente tiene que estar de esta forma, solamente se debe garantizar que entre un dato y otro exista una separación de al menos un espacio.
Figura 8. Vista general del archivo de texto de líneas.
Flujo de carga:
Luego de escoger el SEP, ya sea uno de los tres sistemas de prueba ya precargados o un sistema de preferencia, se procede a presionar el botón “Flujo de Carga”. Al realizar esta acción, se abrirá una ventana para introducir el nombre a un archivo .txt (figura 9) que será creado con los datos del flujo de carga del sistema que se está estudiando (ver figura 10).
Figura 9. Introducir nombre al archivo generado.
Figura 10. Archivo con el flujo de carga.
Como se observa en la figura 4.11 el archivo contiene el voltaje en magnitud y ángulo, la potencia inyectada, generada y demandada para cada barra. Además el nombre del archivo, la fecha que fue creado, el número de barras del sistema y la cantidad de iteraciones.
Referencias
Al-Hinai, A. (2000). Voltage Collapse Prediction for Interconnected Power Systems.
Arias, F. (2012) El Proyecto de Investigación. Introducción a la Metodología Científica. Caracas, Venezuela. Editorial Episteme. 6ta Edición.
Barreto, G., Caraballo, E & Goyo, C. A. (Junio 2009). Incremento del Margen de Seguridad para Estabilidad de Voltaje con la Inyección de Potencia de Emergencia. Cigré Comité Nacional Venezolano. II Congreso Venezolano de Redes y Energía Eléctrica. Congreso llevado a cabo en la isla de Margarita, Venezuela. Recuperado de http://www.cnv-cigre.org.ve/congreso_2009/page2/page28/page33/files/C1-214.pdf
Bedriñana A., M. F., De Castro Jr., C. A. y Rodríguez C., R. E. (2007). Evaluación estática de la estabilidad de tensión usando análisis modal aplicado al Sistema Interconectado Sur Peruano SIS-SEIN.
Boza, J.; Herrera, A.; Estrada, R. y Barreto, M. (2012). La estabilidad de la tensión de los sistemas eléctricos de potencia utilizando el programa “PSAF”.
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+Chimborazo, L. (2013). Análisis de Estabilidad de Voltaje del Sistema Nacional Interconectado SIN para el Período 2010 – 2013, usando el Programa DigSilent PowerFactory.
Freris L., L. y Sasson A., M. Investigation of the load-flow problem. Proc. IEE, vol. 115, no. 10 de octubre de 1968. No. 1459-1470.
Gonzales, F. (2008). Introducción a los Sistemas de Potencia. Recuperado de http://fglongatt.org/OLD/Archivos/Archivos/SP_I/PPT-IntroSP.pdf
Isaza P., W. F. y Bedoya V., J. F. (2011). Estabilidad de Tensión por el Método del Análisis Modal en el Sistema Eléctrico de Pereira. Colombia. Universidad Tecnológica de Pereira.
Johansson, S. (1998). Long-term voltage stability in power systems. Alleviating the impact of generator current limiters.
Kundur, P. (1994). Power System Stability and Control. Estados Unidos. McGraw-Hill.
Kundur, P., Paserba, J., Ajjarapu, V., Andersson, G., Bose, A., Cañizares, C., Hatziargyriou, N., Hill, D., Stankovic, A., Taylor, C., Van Cutsem, T., & Vittal, V.(2004) Definition and Classification of Power System Stability. IEEE Transactions on Power Systems, 19 (2) ,1387-1401.
Fin!
Hasta el próximo post, en el cual Compartiré la continuación del Análisis de estabilidad de Tensión por el método del Análisis Modal, ya que luego que el calculo del flujo de carga se ha realizado se puede proceder al Análisis. Ademas se hará la Validación de los resultados obtenidos del análisis de estabilidad por el programa en MATLAB mediante el software DIgSILENT PowerFactory
Electricidad| Sistemas De Potencia| Estabilidad de Voltaje. Parte I (Introducción)
Siendo un SteemStem Estados
Orgullosa de ti!... Simplemente eso!
Wao, qué excelente y detallado trabajo el tuyo. Sé que a alguien que estudie electrónica o alguna carrera con relación, estos temas les serán de bastante utilidad. Muy buen trabajo, Saul :)