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TUTORIAL POWERFACTORY Christian Alexander Rueda Mayorga Laboratorio de Introducción a Sistemas Eléctricos de Potencia, Departamento de Energía Eléctrica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador [email protected] Resumen-. En el presente documento se expone principalmente una guía básica para el manejo del software DIgSilent PowerFactory, mismo que se utiliza en el laboratorio de Introducción a Sistemas Eléctricos de Potencia, debido a sus grandes alcances y su uso extenso a nivel local e internacional. Además, se menciona otros softwares que al igual que este, su función es la de simular el comportamiento de una red eléctrica de gran potencia.

I. INFORME A. ¿Qué es un software de código abierto (opensource)? Un software de código abierto se trata de un entorno informático cuya licencia permite al usuario estudiar, cambiar e inclusive mejorar el mismo a través de su código fuente [1] El código fuente es un conjunto de líneas de texto que programadores e informáticos pueden maniobrar para cambiar la forma en que trabaja un programa. Al tener acceso al código fuente de un programa se puede mejorar el mismo al agregarle características o corregir fallos. [2] B. Consultar al menos 6 programas de código abierto utilizados en la simulación de Sistemas Eléctricos de Potencia y describir sus principales funciones. PowerEsim Una fuente de alimentación conmutada en línea y gratuita SMPS, diseño de circuitos y transformadores, cálculo, software de simulación. Más de 100 circuitos y topologías están disponibles con transformadores reales construidos. Potentes funciones integradas Análisis de pérdida de componentes Formas de ondas esenciales Diseño de bobinado del transformador Análisis de armónicos de entrada Análisis de bucle de realimentación Análisis térmico Predicción de MTBF

[3]

AMES Wholesale Power Market Test Bed (Java/Python) AMES es una herramienta gratuita de código abierto adecuada para aplicaciones de investigación, enseñanza y capacitación. Está diseñado para el estudio experimental intensivo de sistemas pequeños a medianos (2-500 buses). Una interfaz gráfica de usuario permite la creación, modificación, análisis y almacenamiento de escenarios, inicialización y edición de parámetros, especificación de reglas de comportamiento (por ejemplo, métodos de aprendizaje) para participantes del mercado e informes de salida a través de pantallas de tabla y gráfico. Se puede acceder a las descargas, manuales, tutoriales y publicaciones del software AMES en la página principal de AMES. [4] MATREM (Multi-Agent Traading in Electricity Markets) una herramienta de simulación basada en agentes para mercados de electricidad (JADE / Jadex) MATREM es un sistema basado en agentes que permite a los usuarios analizar el comportamiento y los resultados de los mercados de electricidad. MATREM admite un mercado diario, un mercado intradiario y un mercado en tiempo real. El mecanismo de fijación de precios se basa en la teoría de precios marginales; se admiten los precios marginales del sistema y los precios marginales de ubicación. MATREM también respalda un mercado bilateral para negociar los detalles de los contratos bilaterales a largo plazo. Para obtener más información, consulte el documento a continuación. [4]

DCOPFJ: A Bid/Offer-Based DC-OPF Solver (Java) El paquete DCOPFJ, fue desarrollado completamente en Java, es un solucionador autónomo para problemas de flujo de potencia óptimos basados en oferta de tamaño pequeño a mediano con una programación cuadrática estrictamente convexa (SCQP) formulación.

El paquete DCOPFJ incorpora un solucionador SCQP (QuadProgJ) envuelto en un caparazón externo de procesamiento de datos SI a PU. QuadProgJ implementa el bien conocido algoritmo SCQP de conjunto activo dual desarrollado por Goldfarb e Idnani (1983). Se ha demostrado que QuadProgJ iguala o excede la precisión del BPMPD de solución de QP en lenguaje C patentado (altamente recomendado por MATPOWER) cuando se prueba en un repositorio público de problemas de SCQP de tamaño pequeño a mediano. [4] MATACDC (Matlab) MATACDC es un programa gratuito de fuente abierta basado en Matlab para el análisis de flujo de potencia CA / CC. El programa utiliza un algoritmo de flujo de potencia secuencial y se puede utilizar para simular sistemas de CA interconectados, redes de HVDC y sistemas de corriente continua de alto voltaje de convertidor de voltaje (VSC HVDC) en general. El paquete se ha integrado completamente con las rutinas de flujo de alimentación de CA existentes desarrolladas en MATPOWER, mientras se mantiene inalterado el código fuente original de MATPOWER. [4] MatDyn (Matlab) MatDyn es un programa gratuito de código abierto basado en Matlab para realizar análisis dinámicos de sistemas de energía eléctrica. Está inspirado en Matpower, un flujo de poder y un programa de flujo de potencia óptimo en Matlab y comparte su filosofía: "Es una herramienta de simulación para investigadores y educadores que es fácil de usar y modificar". Los desarrolladores señalan que se ha tenido cuidado de mantenerlo bien estructurado y fácil de entender. [4] MATPOWER (Matlab-Based) MATPOWER, es un software gratuito de código abierto para el análisis de sistemas de potencia, destinado principalmente a resolver el flujo de energía y los problemas óptimos de flujo de energía. MATPOWER está pensado como una herramienta de simulación para investigadores y educadores que es fácil de usar y modificar. MATPOWER puede ejecutarse en GNU / Octave, que es básicamente un clon gratuito de Matlab. [4] PSAT: Power System Analysis Toolbox (MatlabBased) El Análisis System Toolbox de alimentación (PSAT), es un software basado en Matlab para el análisis y el diseño de pequeño para sistemas de energía eléctrica

de tamaño medio. Las principales características de PSAT incluyen: flujo de potencia,flujo de potencia de continuación, flujo de potencia óptimo, pequeño análisis de estabilidad de señal, simulación de dominio de tiempo, Colocación de la Unidad de Medición de Fasor (PMU), Modelos FACTS, y modelos de aerogeneradores. Se puede acceder a todas las operaciones mediante interfaces gráficas de usuario, y una biblioteca basada en Simulink proporciona una herramienta fácil de usar para el diseño de redes. PSAT puede ejecutarse en GNU / Octave, que es básicamente un clon gratuito de Matlab. [4] PYPOWER (Python/MATPOWER) PYPOWER es un solucionador de flujo de potencia y flujo de potencia óptimo (OPF). Es un puerto de MATPOWER para el lenguaje de programación Python. Las características actuales incluyen: (i) corriente continua y alterna (método de Newton y desacoplamiento rápido); y (ii) flujo de potencia óptimo (OPF) de CC y CA. Se puede acceder al código fuente PYPOWER en python.org o github. [4] Synthetic Power Flow and OPF (PowerWorld/MATPOWER) Un conjunto de Modelos de Flujo de Energía Sintético a gran escala y OPF. Los modelos sintéticos PF / OPF son representaciones ficticias diseñadas para ser estadísticamente y funcionalmente similares a las redes de energía eléctrica reales, al tiempo que no contienen información confidencial sobre la infraestructura energética crítica. Los modelos están disponibles en una variedad de formatos, incluyendo PowerWorld Simulator y MATPOWER. C. Elaborar un manual de usuario detallado para la elaboración de un proyecto, que incluya la construcción de dos diagramas unifilares (asignados por el instructor), ingreso de datos, y creación de escenarios de operación y variaciones. Cambio/creación de un usuario Al presentar un proyecto es necesario la revisión de los archivos creados y los resultados obtenidos. Un archivo generado en DIgSILENT PowerFactory conserva datos del servidor en el que se elaboró, y demás datos asociados al desarrollo del mismo. Es necesario crear un propio usuario, quedando registrado el usuario inicial o administrador que creo el archivo, a continuación se detalla un pequeño manual para la creación de un nuevo usuario En la barra de menú, Tools>Switch User

Luego de cambiar el usuario, volvemos a la ventana de usuarios: barra de menú>Tools>Switch User. Y cambiamos de usuario. Posteriormente se reinicia el programa con el nuevo usuario.

Fig. 1. Ventana de Usuarios del programa

Se genera una ventana con los usuarios, que inicialmente (por defecto) es el Administrador que tiene la capacidad de crear, eliminar y editar los demás usuarios. Al presionar OK se requerira un usuario y una contraseña, en este caso ambas corresponden a “Administrador”. Abrimos Data Manager (primer icono bajo la barra de menú), se abre una ventana donde se podrá ver un listado de carpetas de la base de datos, librerías propias del sistema, usuarios, administrador.

Fig. 2. Ventana Data Manager

En el usuario default (Daniel Rueda) Clic derecho> Editar, se desplegará otra ventana donde se puede configurar el nombre de este nuevo usuario.

Fig. 4. Ventana de Usuarios del programa

Creación de un nuevo proyecto Barra de menú>File>New>Project, donde aparecerá esta ventana para colocar el nombre del proyecto

Fig. 5. Ventana Principal del nombre del proyecto

A continuación aparece otra ventana de una subdivisión del proyecto llamado GRID, la cual se la puede renombrar.

Fig. 6. Ventana secundaria del nombre del proyecto

Fig. 3. Ventana de Configuración de Usuarios

Simbología prioritaria usada Para la parte de estudio de la materia serán empleados principalmente los símbolos que se enmarcan con rojo.

Fig. 9. Ventana principal de edición de BUSBAR

Fig. 10. Ventana secundaria de edición de BUSBAR

Fig. 7. Simbología

Estos símbolos, se los arrastra e inserta en el entorno de trabajo para armar los diagramas requeridos. Es recomendable, realizar el circuito con el siguiente orden: 1) 2) 3) 4)

Barras Ramas, líneas de transmisión y transformadores Cargas y circuitos de compensación Generación Fig. 11. Ventana principal de edición de BUSBAR

Fig. 8. Diagrama Unifilar S.E.P. sin editar

Cada elemento es editable, al pulsar doble clic sobre este se abrirá la ventana correspondiente de cada elemento.

Fig. 12. Diagrama Unifilar S.E.P. editado con datos

Ejercicio 1 Generador: 13.8 kV 127.7 MVA fp=0.9 xd=1.0225 p.u. xq=0.6334 p.u.

Barras: Barra 1, 13.8kV Barra 2, 138kV Barra 3, 138kV

Fig. 16. Ventana principal de edición de Barra 2

Fig. 13. Ventana principal de edición de Generador

Fig. 17. Ventana secundaria de edición de Barra 2 Basic Data

Fig. 14. Ventana secundaria de edición de Generador Basic Data

Transformador: 200 MVA Pcobre=348.0624 kW Pvacio=52kW Zcc%=13.01274

Fig. 15. Ventana secundaria de edición de Generador Load Flow Fig. 18. Ventana principal de edición del transformador

Fig. 19. Ventana secundaria de edición del Transformador Basic Data Fig. 22. Ventana secundaria de edición de la L/T Basic Data

Fig. 20. Ventana secundaria de edición del Transformador Load Flow Fig. 23. Ventana secundaria de edición de la L/T Load Flow

Línea de transmisión: Longitud: 50km R1, R2 = 0.055422 Ω/km X1, X2= 0.487361 Ω/km B1, B2= 3.474652 μs/km I=0.957 kA

Fig. 21. Ventana principal de edición de la L/T

Carga: 50MW 5MVAr

Fig. 24. Ventana secundaria de edición de la Carga Load Flow

Fig. 25. Diagrama Unifilar S.E.P. Simulado (Red base)

Creación de un nuevo caso de estudio Los casos de estudio en un proyecto son usados para definir y activar ciertas partes u alternativas del diseño del sistema de potencia, por otro lado, y para inicializar un conjunto de comandos de cálculo.

Fig. 27. Creación de un nuevo escenario de operación y variación

Data manager>(nombre del usuario)>proyecto>study cases Copiamos el caso de estudio base para las modificaciones necesarias en el diseño.

Para el caso de estudio de demanda mínima 25MW 3MVAr

Fig. 28. Caso de estudio de demanda mínima

Fig. 26. Creación de un nuevo caso de estudio

Para el caso de estudio de demanda máxima 100MW 15MVAr

Creación de un nuevo escenario de operación y nueva variación: Las variaciones son referidas a cambios topológicos del sistema, mientras que los escenarios de operación responden al despacho de la red con la que se trabaja. Data manager>(nombre del usuario)>proyecto>Network Model>Network Data >Variations Fig. 29. Caso de estudio de demanda máxima

Data manager>(nombre del usuario)>proyecto>Operation Scenarios Creamos un nuevo escenario de operación o variación dando clic derecho

En el segundo caso de estudio se puede notar que ante una elevación de la demanda se tiene una caída de voltaje en las barras.

Ejercicio 2 Sistema eléctrico de potencia similar a la trayectoria entre la central hidroeléctrica Agoyán y la subestación totoras Generador: 13.8 kV 177.27 MVA fp=0.88 xd=1.0891 p.u. xq=0.0964 p.u. Barras: barra 1, 13.8kV barra 2, 138kV barra 3, 138kV barra 4, 230kV Transformadores: Transformador 1 200 MVA Pcobre=288.021 kW Pvacio=48kW Zcc%=11.17 Transformador 2 200 MVA Pcobre=276.114 kW Pvacio=46kW Zcc%=10.241 Línea de transmisión: Longitud: 30km R1, R2 = 0.0623 Ω/km X1, X2= 0.364 Ω/km B1, B2= 6. 262 μs/km I=1.59 kA Carga: 100MW 5MVAr

Fig. 30. Diagrama Unifilar S.E.P. Simulado (Red base)

Fig. 31. Caso de estudio de demanda máxima

Fig. 32. Caso de estudio de demanda mínima

La edición de cada elemento en base a los parámetros recibidos como datos, se los procede a modificar de manera similar a lo expuesto anteriormente. [5]

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II. CONCLUSIONES El software requiere de gran cantidad de datos para cada elemento usado en un Sistema Eléctrico de Potencia, con el fin de realizar cálculos que se apeguen a la realidad con un error muy mínimo. El software posee una interfaz tal que el usuario puede identificar por medio de asociación de colores tanto el nivel de voltaje del S.E.P. en torno al voltaje de referencia y el porcentaje de que están cargados los equipos. Ante una elevación de la demanda se tiene una caída de voltaje en las barras siendo más notable en la barra cercana a la carga. Se identificó la necesidad del uso de compensaciones reactivas en los S.E.P. debido a las pérdidas de potencia en materiales conductores y transformadores.

III. RECOMENDACIONES Para simular un sistema eléctrico de potencia, es importante tener la mayor cantidad de datos para que el modelado se parezca mucho a su posible implementación. REFERENCIAS

[1] Fundación Wikimedia, Inc., Software libre y de código abierto [En línea]. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Software_libre_y_de_c%C3%B3d igo_abierto. [Accedido: 12 de mayo de 2018]. [2] Fundación Wikimedia, Inc., Código fuente [En línea]. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%B3digo_fuente. [Accedido: 12 de mayo de 2018]. [3] PowerELab Limited, What is PowerEsim? [En línea]. Disponible en: https://poweresim.com/about/about.jsp?page=whatis. [Accedido: 12 de mayo de 2018]. [4] Leigh Tesfatsion, Open Source Software (OSS) for Electricity Market Research, Teaching, and Training [En línea]. Disponible en: http://www2.econ.iastate.edu/tesfatsi/ElectricOSS.htm. [Accedido: 12 de mayo de 2018]. [5] Francisco M. Gonzalez-Longatt, Ing. MSc, Manual de usuario de DIgSILENT PowerFactory 12.0 en español [En línea]. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/301231957_Manual_ de_usuario_de_DIgSILENT_PowerFactory_120_en_Espanol?e nrichId=rgreq-730fb0f0c2bb95ee15e7facc46a87086XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMwMTIzMTk1NztB UzozNTA0MTc4NjgzNDUzNDZAMTQ2MDU1NzUzODYzN A%3D%3D&el=1_x_2&_esc=publicationCoverPdf. [Accedido: 07 de mayo de 2018]. pp.:99-108.