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• Gilberto Mejía

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ATP-EMTP (Aiternative Transients Program ElectroMagnetic Transients Program) En este capítulo 1 ¿Qué es ATP-EMTP?

333

2 Descripción del entorno de trabajo 334 3 Compilador: ATP 339 4 Gestor del entorno: ATPCC 349 S Editor gráfico: ATPDraw

359

6 Visualizador gráfico: PCPlot 7

Editor de textos: PFE32

8 Ejemplos 9

375

Bibliografía 422

373

369

- Elec:troMagnetic Transients Program)

1 iQué es ATP-EMTP? ATP-EMTP (Alternative Transients Program - ElectroMagnetic Transients Program ) es una herramienta software que permite llevar a cabo la simulación digital de fenómenos tran sitorios de naturaleza electromagnética y electromecánica con fines de diseño, especificaciones de equipos o definición de parámetros eléctricos fundamentales. Mediante este paquete es posible plantear y resolver la mayor parte de las situaCiones que se pueden dar en las diferentes instalaciones eléctricas. Se trata de una h erramienta especialmente diseñada para analizar, tanto en su individualidad como en su conjunto, los diferentes elementos que componen un sistema eléctrico, así como los sistemas de control asociados a los equipos eléctricos [1][2]. Algunas de las aplicaciones para las que resulta especialmente útil ATPEMTP son las siguientes: • • • • • • • • • •

Sobretensiones atmosféricas, temporales y de maniobra. Análisis de faltas. Análisis de armónicos. Conex ión /descon exión de transformadores, reactancias y condensadores. Arranq ue de moto res. Estabi lidad transitoria. Coord inación de aislamiento. Análisis y ensayo de protecciones. Transporte en corriente continua. Compensadores estáticos de potencia reactiva: STATCOM, SVC, UPFC, TCSC. • Ferro-resonancias. • Regímenes estacionarios sinusoidales, incorporando tanto elementos lineales como no lineales.

El paquete software ATP-EMTP resuelve sistemas eléctricos (monofásicos o polifásicos) y calcula el valor que adquieren a lo largo del tiempo las distintas variabl es del mismo. Para ello, trabaja con modelos que caracterizan el comportamiento de sus distintos elementos constitutivos: resistencias, inductancias, capacidades, elem entos con parámetros concentrados y distribuidos, máquinas, interrupto res, fuentes, etc. Lógicamente, todos estos elementos son fácilmente parametrizables y permiten flexibilizar sus características. Así, se pueden adecuar a las variacio nes requeridas para modelizar los distintos tipos de elementos que se pueden encontrar en el sistema eléctrico. De esta forma, es posible incluir características no linea les en las resistencias e inductancias; introducir interruptores con tiempos de operación estadísticos, definidos por el usuario u operados por control de otras variables, o utilizar fuentes de tensión y corriente que generan las más variadas formas de onda. Adicionalmente, ATP-EMTP incorpora otro tipo de recursos que posibilitan llevar a cabo el estudio y análisis de los sistemas de control y operación que gobiernan las instalaciones eléctricas modelizadas.

\

En cuanto a su capacidad, ATP-EMTP permite afrontar con garantías la resolución de sistemas con estructuras de hasta 6000 nudos, 10000 ramas, 900 fuentes, 1 200 interruptores, 90 máquinas síncronas y 2 250 elementos no lineales. La primera versión del software ATP data del año 1984 y toma como punto de partida los códigos libres de EMTP, que hasta poco antes de dicha fecha venían siendo desarrollados en el dominio público por la Bonneville Power Administration (BPA). De hecho, su aparición estuvo íntimamente ligada al inicio de la explota ción comercial de dicho código por parte del DCG (EMTP Development Coordination Group) y del EPRI (Electric Power Research Institute). Este nuevo planteamiento fue rechazado por el Dr. W. Scott Meyer y por el Dr. Tsu-Huei Liu, quienes continuaron con la propuesta abierta originaria e iniciaron el desarrollo y divulgación no comercial de ATP. Desde entonces, este software se ha estado desarrollando continuamente a través de contribuciones internacionales y de forma totalmente independiente de la versión de EMTP comercializada por la citada DCG. Actualmente, el conjunto de aplicaciones desarrolladas en torno a ATP-EMTP conforma un paquete distribuido bajo licencia y de forma gratuita entre los miembros de los diferentes grupos de usuarios de ATP-EMTP constituidos en todo el mundo. No se trata por tanto de un software libre, aunque cualquier entidad que no haya participado voluntariamente en la comercialización de EMTP puede solicitar la co rrespondiente licencia de uso y obtener una copia libre de todo cargo. Para ello, debe dirigirse al grupo de usuarios de ATP-EMTP que geográficamente le corresponda y aceptar los términos de dicha licencia. Las condiciones para obtener esta licencia pueden ser consultadas en el sitio web de ATP-EMTP [3]. Existen grupos de usuarios de ATP-EMTP repartidos por todo el mundo para su distribución, desarrollo y apoyo. El grupo más importante es el Canadian/American EMTP User Group [41 ya que son los pioneros del desarrollo de ATP. En lo que a Europa se refiere, ex iste el EEUG (European EMTP-ATP Users Group) [S].

2

Descripción del entorno de trabajo El paquete software ATP-EMTP para el estudio de regímenes transitorios integra varias aplicaciones. Dentro de ellas se incluyen distintas versiones del compilador ATP y una serie de programas complementarios destinados a facilitar el uso de esta herramienta: editores de texto, un editor gráfico de circuitos eléctricos y apli caciones específicas para la visualización gráfica de los resultados obtenidos. La interacción entre los principales programas que integran el entorno de trabajo de ATP-EMTP se refleja en la Figura 6.1. Tal y como se puede apreciar en la misma, los programas que conforman ATP-EMTP pueden ser utilizados de diversas formas. Sin embargo, el modo más sencillo de manejar esta herramienta es utilizar el gestor del entorno (ATPCC), desde el que se accede al resto de programas, y seguir una secuencia de trabajo que, de modo sucinto, se puede resumir como sigue:

m · ElectroMagnetic Transients Program) • Mediante el editor gráfico se crea el modelo gráfico del sistema cuyo comportamiento se desea simular (fichero de extensión .adp o .cir). • A partir del modelo gráfico, se obtiene el fichero fuente de extensión .atp que contiene el código del modelo en un formato adecuado para el compilador ATP. Este fichero también puede ser generado directamente, mediante un editor de textos. • Se ejecuta el compilador ATP utilizando como entrada el fichero .atp generado en el punto anterior. Al realizarse esta operación se obtienen Jos ficheros de extensión .lis y .pl4 donde se registran los resu ltados de la simulación efectuada. • Finalmente se visualizan los resultados de la simulación. Para visualizar los datos registrados en el fichero de extensión .lis se utiliza un editor de textos, mientras que para monitorizar los resultados almacenados en el fichero de salida gráfica (.pl4) es necesario hacer uso de un visualizador gráfico apropiado. A continuación se presenta una breve descripción de cada uno de estos programas.

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..

.........

~~;·· · · · ·...·..

.

·.

.adp ó .cir

y .p14

i

t

.atp

Gestor del entorno ATPCC .p14

.atp ó .lis

Figura 6.1 .p14

2.1

Visualizadores gráficos PCPiot PlotXY GTPPiot

Interacción entre los programas de ATP-EMTP

Gestor del entorno: ATPCC ATP Control Center (ATPCC) actúa como un interfaz que el usuario puede utilizar para trabajar fácilmente con el con junto de programas que integran el paquete ATP-EMTP. De este modo, desde ATPCC se puede acceder a ATPDraw, al editor de textos PFE32, a los programas de salida gráfica (PCPlot, PlotXY y GTPPlot) o ejecutar directamente el propio ATP.

Las características más relevantes de esta aplicación son: • Puede trabajar simultáneamente con dos versiones diferentes de ATP. • Permite la integración y el enlace hasta con diez programas adicionales. • Puede ejecutar ficheros de ATP, ATPDraw, PCPlot haciendo simplemente doble clic sobre el nombre del fichero. • Dispone de una ventana de eventos en donde se muestran los comandos previamente ejecutados. Esta ventana permite ejecutar de nuevo comandos anteriores haciendo die con el ratón sobre aquél cuya ejecución se desea repetir. • Permite definir proyectos de casos de simulación.

2.2

Editor gráfico: ATPDraw Este programa permite crear ficheros de datos de forma gráfica, construyendo los modelos de los circuitos eléctricos a simular de un modo rápido y sencillo. Para ello, los componentes necesarios se seleccionan a partir de una librería donde se ha incorporado un amplio abanico de elementos estándar predefinidos. Sus parámetros característicos se definen mediante las correspondientes ventanas de diálogo y se interconexionan fácilmente mediante el ratón. Para los elementos que no se encuentran en dicha librería, el usuario puede crear sus propios modelos usando las opciones Data Base Module y $INCLUDE. Además, se puede trabajar en varios circuitos simultáneamente, ya que permite copiar información de unos a otros (Figura 6.2). Estos circuitos, construidos de forma gráfica, se guardan en ficheros con extensión .adp o .cir y se pueden convertir directamente a ficheros de texto con extensión o: ATPDoow

Figura 6.2

Creación gráfica de circuitos mediante ATPDraw

. .[01 X

.atp. Desde ATPDraw también es posible activar otros programas. Por ejemplo, se puede dar la orden de compilar los ficheros .atp previamente creados o de represen-

tar gráficamente los resultados obtenidos a través de las diversas aplicaciones gráficas de salida. En la Figura 6.1 se refleja, de forma resumida, la interacción de ATPDraw con el resto de programas que integran ATP-EMTP.

2.3

Compilador: ATP Este programa constituye el núcleo fundamental de la aplicación y se trata del compilador que permite procesar los datos del circuito objeto de estudio. Este programa maneja ficheros de tipo texto de extensión .dat o .atp que contienen la información del circuito. A partir de estos ficheros, todas las simulaciones que reproduce ATP generan archivos de datos, denominados ficheros de salida .lis y .pl4, donde se registran los resultados de dichas simulaciones. Las dos versiones de compiladores ATP más habituales son: • Watcom ATP. Esta versión funciona solamente bajo entorno Windows.

Admite nombres de ficheros de gran longitud, ficheros de datos de más de 150000 líneas (su uso es aconsejable para analizar casos con gran cantidad de datos) y puede ejecutar simultáneamente varios casos. • GNU ATP. Esta variante ha sido desarrollada utilizando compiladores libres y ex isten tres versiones: GNU ATP/MingW32, GNU ATP/d jgpp y GNU ATP/Linux. De ellas, EEUG solamente distribuye la primera. Dicha versión funciona únicamente bajo entorno Windows y permite utilizar nombres largos para ficheros, proporciona un arranque rápido y requiere menos memoria. En general, el comportamiento de esta versión es muy similar a WatcomATP. Ninguna de estas dos versiones de ATP permite utilizar nombres de ficheros y directorios con espacios en blanco. Por otra parte, todas ellas incluyen un subdirectorio denominado BNCHMARK, en el cual se dispone de un gran número de ejemplos (ficheros .dat). Para poder entender el contenido de estos ficheros y poder usarlos como base para futuros desarrollos, es necesario tener un adecuado conocimiento de su rígida estructura, comentada más adelante.

2.4

Visualizadores gráficos de resultados: PCPiot, PlotXV y GTPPLOT Los resu ltados obtenidos con el programa ATP (en cualquiera de sus versiones) se almacenan en ficheros de salida con extensión .pl4. Estos ficheros se crean de modo automático y se designan con el mismo nombre del fichero .atp utilizado, pudiendo visualizar dichos resultados con programas de salida gráfica específicamente desarrollados para tal fin. En el entorno ATP-EMTP se contemplan tres programas de este tipo, cuyas características más relevantes son las siguientes: • El programa PCPlot para Windows (WPCPlot) permite representar un máximo de

seis curvas en el mismo diagrama, obtener los valores numéricos instantáneoc;

ll

en las curvas dibujadas, representar las curvas en función del tiem po o hacer una representación X-Y, etc. (Figura 6.3).

Figura 6.3 Representación gráfica mediante PCPiot

• El programa PlotXY para Windows permite representar hasta ocho curvas en

la misma gráfica, representar en la misma hoja curvas de tres ficheros diferentes, representar las curvas en función del tiempo o hacer una representación X-Y, hacer un escalado automático de ejes, acceqer al valor instantá neo de forma num érica, exportar datos, etc. (Figura 6.4).

~~~~ji .

10 ~~~~~~~~~

v PPA v : P1B v· PPC

Figura 6.4 Representación gráfica mediante PlotXY

V' f l .A. v · TlB V TlC e : PU. e . PPB e PPC

5

-XOOOl..l. - XOOOlB -XOOOl C

• El programa GTPPLOT se puede utilizar bajo los entornos Windows y Linux.

Permite representar un amplio rango de ficheros gráficos detectando automáticamente el formato del fichero, representar simultáneamente hasta 20

ATP-EMTP (Aiternalive TransientS Program - ElectroMagnetic Transients Program) curvas, utilizar diagramas de barras para representar análisis de armónicos, generar ficheros gráficos en diferentes formatos (HP-GL, CGM, WMF, MATLAB, Mathcad, etc.), realizar conversiones a formato COMTRADE, análisis de FOURIER, diagramas de BODE, etc. Finalmente, es importante indicar que GTPPLOT no se puede controlar con el ratón, por lo que hay que utilizar el teclado para todas las entradas. Como se puede observar, este programa es bastante más completo pero también más complejo de utilizar. (Figura 6.5). 1

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Figura 6.5

1 00· !0'

'\

r,

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O OO· Irl'

\) V '-

1.00.10' .,

00• 10''~~~~~~~------+

1).(81

0.114

0.138 h~

2.5

0.1&2

... ,

0.11!6

Representación gráfica mediante GTPPLOT

o 210

Editor de textos: PFE32 Es un editor de textos suministrado para trabajar con los ficheros de entrada y salida del programa ATP. Es decir, se puede utilizar para editar e imprimir los ficheros con formatos .atp o .lis. Los usuarios avanzados se pueden valer de este editor para crear y modificar los ficheros de datos o para hacer uso de las opciones de ATP no contempladas en el preprocesador gráfico ATPDraw.

3

Compilador: ATP En el esquema de la Figura 6.6 se muestran los módulos de simulación disponibles en ATP, las subrutinas de apoyo y la interacción entre ellos. Con todos estos elementos se pueden crear modelos de menor o mayor complejidad, que representa n los diferentes equipos y componentes en contrados en los sistemas eléctricos. La adecuación de estos modelos depende de las hipótesis asumidas por el usuario y del entendimiento acerca del comportamiento de dichos modelos, así como de las características del sistema y de los fenómenos simu lados.

3.1

Componentes eléctricos básicos Los elementos básicos con que cuenta el programa son: resistencias, inductancias, condensadores, interruptores y fuentes, que, con diversas variaciones, permiten el desarrollo de gran cantidad de modelos de sistemas eléctricos. Estos componentes están agrupados en forma de ramas (BRANCHES), interruptores (SWITCHES) y fuentes (SOURCES), que integran los siguientes elementos:

- r--

Simulación de sistemas eléctrJ.cos ~~~ ~

S 1 M U L

COMPONENTES ELÉGRICOS BÁSICOS - Ramas lineales y no lineales - Interruptores - Fuentes

A C 1 Ó N

REPRESENTACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO

r

Solución: - En el dominio del tiempo En el dominio de la frecuencia

~--'----t

L----------~

MÓDULOS DE SIMULACIÓN INTEGRADA

Figura 6.6 Componentes de ATP

TACS

MODELS

Análisis de transitorios en sistemas de control

Módulos programables de propósito general

SUBRUTINAS DE APOYO INTEGRADAS -

UNE CONSTANTS CABLE CONSTANTS CABLE PARAMETERS SEMLYEN SETUP JMARTI SETUP XFORMER - BGRAN -SMURA - HYSDAT - ZNOFITIER - DATA BASE MODULE

• Ramas lineales (LINEAR BRANCHES), que pueden ser: - R, L, C concentrados (tipo O) - R-L acoplados mutuamente (tipo S1, 52, 53 ... ) - Circuitos 7t-eguivalentes acoplados - Líneas de transporte de parámetros distribuidos - Transformadores • Ramas no lineales (NONLINEAR BRANCHES), que pueden ser: - lnductancias no lineales (tipo 93) - Resistencias no lineales (tipo 92) - Resistencias va riables con el tiempo (tipo 97) - Resistencia pseudo-nolineal R(i) (tipo 99) - Inductancia pseudo-nolineal L(i) (tipo 98) - Inductancia pseudo-nolineal con histéresis L(i) (tipo 96) - Elementos controlados por TACS o MODELS (tipo 91, 94, etc.) • Interruptores (SWITCHES), que pueden ser: - Controlados por tiempo o por tensión - Co n tiempo de cierre aleatorio dentro de una distribución estadística - Con tiempos de cierre variables sistemáticamente entre valores predefinidos - Diodos o tiristores controlados por TACS o MODELS (tipo 11)

- Triacs controlados por TACS o MODELS (tipo 12) - Interruptores simples controlados por TACS o MODELS (tipo 13) • Fuentes (SOURCES), que incorporan elementos tales como: - formas de ondas básicas (escalón, rampa, doble rampa, sinusoide, etc.) - Fuentes moduladas por TACS o MODELS - Fuentes de tensión o intensidad controladas por TACS o MODELS - Máquinas rotativas: máquina síncrona (tipos 58 y 59) y máquina universal (tipo 19). - Formas de onda a definir por eJ usuario

3.2

Subrutinas de apoyo integradas A continuación se presentan las distintas subrutinas de que dispone el programa ATP y que sirven de apoyo para el cálculo de parámetros de líneas y de transformadores, la modelización de pararrayos, etc. Al final del capítulo se incluyen ejemplos de utilización de alguna de ellas para mostrar su estructura y forma de empleo. Estas subrutinas son: • LINE CONSTANTS. Es la subrutina de apoyo que se encarga del cálculo de los parámetros eléctricos de líneas aéreas a partir de las dimensiones de la torre, de las características del conductor y de la disposición del conductor sobre dicha torre. • CABLE CONSTANTS 1 CABLE PARAMETERS. Son las subrutinas de apoyo que se encargan del cálculo de los parámetros eléctricos de cables. La principal función de CABLE CONSTANTS es calcular las matrices de resistencias, inductancias y capacidades que corresponden a distintas configuraciones del cable. La opción CABLE PARAMETERS permite, además~ trabajar con cables de características variadas. • SEMLYEN SETUP. Esta subrutina de apoyo se utiliza para generar modelos de onda viajera de líneas aéreas convencionales o de sistemas de cables subterráneos y aéreos, válidos para estados transitorios. • JMART/ SETUP. Esta subrutina genera el modelo de onda viajera, válido para líneas aéreas y cables subterráneos. • XFORMER. La subrutina de apoyo XFORMER se emplea para calcular una representación matricial lineal [R]-[wL] de un transformador monofásico, tanto de dos como de tres devanados, utilizando los datos resultantes de los ensayos de vacío y de cortocircuito a la frecuencia nominal. Este modelo no considera las pérdidas de vacío aunque sí las pérdidas de cortocircuito. Por otra parte, tampoco considera las capacidades parásitas, ni es un modelo válido para frecuencias extremadamente bajas. • BCTRAN. La subrutina de apoyo BCTRAN se utiliza para calcular una representación lineal [A]-[R] o [R]-[wL] (siendo [A] la inversa de [L]) de transformadores monofásicos o trifásicos; con núcleo de columnas o con núcleo de tipo acorazado; de dos, tres o más devanados, a partir de los resultados 9e los

ensayos de vacío y de cortocircuito, a la frecuencia nominal. Este modelo permite considerar tanto las pérdidas de vacío como las de cortocircuito. En esta representación se ignoran las capacidades parásitas, por lo que este modelo solo es válido hasta por encima de unos pocos kHz. Sin embargo, al contrario que el XFORMER, el modelo BCTRAN sí es válido a bajas frecuencias. Esto es debido a que las partes resistiva e inductiva de la impedancia de cortocircuito se tratan por separado. Finalmente, el comportamiento no lineal no está incluido en el modelo BCTRAN propiamente. • SATURA. Esta subrutina de apoyo se utiliza para poder considerar la saturación en los transformadores. Internamente utiliza el modelo de bobina de reactancia pseudo no lineal, es decir, L(i). Para obtener los datos que requiere la subrutina se necesitan los valores de las tensiones e intensidades magnetizantes correspondientes a varios niveles de tensión, creando así una curva o característica (Vrms - lrms). A continuación, se recurre a la subrutina de apoyo SATURA para crear la característica de valores de pico (flujo inte11sidad). • HYSDAT. Esta subrutina representa la forma del ciclo de histéresis para un

material dado del núcleo magnético de un transformador. Los resultados proporcionados por esta subrutina (flujo- intensidad) se utilizan como datos de entrada de una reactancia no lineal tipo 96, teniendo en cuenta que solo se puede seleccionar una curva del ciclo. • ZNOFITTER. Esta subrutina se ha desarrollado para realizar la representación del comportamiento no lineal de los pararrayos de óxido de zinc, a partir de la información suministrada por el fabri cante. La característica no lineal del pararrayos se aproxima mediante un número arbitrario de segmentos exponenciales. Este modelo se puede utilizar para representar pararrayos sin intersticios y pararrayos equipados con intersticios pasivos en serie o en paralelo. • DATA BASE MODULE. Por medio de esta subrutina el usuario puede crear un módulo o una librería para un componente. Este módulo se almacena como un fichero ordinario y se puede utilizar cada vez que hay que incluir ese componente en un fichero ATP, por medio del comando $INCLUDE, seguido de una lista de argumentos que describen el componente local. Cuanto más se repiten algunos componentes en la red a simular, más eficiente es el uso modular de datos. El formato de entrada para esta subrutina tiene dos secciones diferentes: - Una declaración de argumentos con la lista de nombres de los parámetros. Los tipos de parámetros que se pueden especificar en dicha lista son nombres de nudos y valores numéricos. - Una plantilla que representa la forma de introdu cir los datos de ese elemento según el formato de ATP. En general, el formato de la sentencia $1NCLUDE es: $I NCLUDE , nombre de fichero , arg-1,

. . . . . . . . , arg-n

3.3

Módulos de simulación integrada

3.3.1

TACS

El módulo TACS (Transient Analysis of Control Systems) se puede usar para simular el control de convertidores HVDC, sistemas de excitación de máquinas síncronas, funciones de limitación de intensidad en pararrayos, cebado de arcos en interruptores y, en general, aquellos dispositivos o fenómenos que no se pueden modelizar con los componentes eléctricos existentes en ATP. La programación con TACS se emplea para resolver las ecuaciones diferenciales y algebraicas asociadas. Para ello, se utiliza una representación basada en diagramas de bloques, donde las distintas partes del sistema aparecen interconectadas y, básicamente, se modelizan mediante los siguientes elementos: • Bloques representados por su función de transferencia en s (variable de Laplace), que pueden ser de cualquier orden y que siguen la regla: SALIDA = GANANCIA *.E (ENTRADAS )

* G(s).

• Sumadores o bloques de orden cero, del tipo: SALIDA = GANANCIA

* .E( ENTRADAS).

• Limitadores, estáticos o dinámicos, con los valores límites constantes o variables, aplicados sobre las funciones de transferencia y los bloques de orden cero. • Señales de entrada, tales como impulsos, pulsos, señales escalón, señales sinusoidales, cualquier tensión de nudo, intensidades de los interruptores y sus estados medidos en la red eléctrica, etc. • Variables suplementarias lógicas y algebraicas, utilizando los operadores estándares y todas las funciones de las librerías FORTRAN. . • Dispositivos de aplicación especial, tales como medidores de frecuencia, triggers, retardos, digitalizadores, no linealidades definidas por el usuario punto a punto, interruptores a tiempos secuenciales, integradores controlados, derivadores simples, componentes de entrada condicional, selectores de señal, acumuladores y contadores, etcétera. Adicionalmente, cualquier señal obtenida con el módulo TACS se puede utilizar dentro de la red eléctrica simulada, incorporándola como una fuente de tensión o intensidad, o como una señal que controle la operación de un interruptor, válvula o diodo. 3.3.2 MODELS

MODELS 16J es un lenguaje de programación que se usa en ATP-EMTP para simular variables dependientes del tiempo con características especiales. Los ficheros MODELS se crean de forma independiente al programa principal y se pueden llamar desde cualquier programa cuantas veces se desee. Su estructura es muy similar a la de otros lenguajes de programación, como por ejemplo FORTRAN, con sentencias del tipo FOR, IF, WHILE, etcéter:>

En la descripción de los ficheros MODELS se definen los elementos que lo componen, su interacción entre ellos y con el programa principal, cómo se deben simular, etc. Por otra parte, su definición incluye declaraciones, directivas de simulación y procedimientos de operación . En las declaraciones se debe especificar: • CONST: nombre, tamaño del array y valor de las constantes del fichero M O DEL. • DATA: nombre, tamaño del array y valor por defecto (opcional) de los parámetros del fichero MODEL (constantes cuyo valor se asigna externamente). • VAR: nombre y tamaño del array de las variables. • INPUT: nombre, tamaño del array y valor por defecto (opcional) de las entradas del fichero MODEL. • OUTPUT: elementos del fichero MODEL que se usan como salidas del mismo. • FUNCTJON: descripción de las funciones usadas en el fichero MODEL. • MODEL: descripción de los submodels usados en el fichero MODEL. En las directivas de simulación se especifica: • TTMESTEP: valor por defecto (opcional) de los límites mínimo y máximo del intervalo de simulación. • INTERPOLATION: grado de interpolación, por defecto, aplicado en las entradas del fichero MODEL, cuando este se usa con subintervalos del intervalo de simulación externo. • DELAY: tamaño por defecto de la memoria necesaria para el almacenamiento de valores asociados con el uso de la función delay(). • HISTORY: nombre de las variables para las cuales tiene que crearse una historia previa al comienzo de la simulación. Se puede usar, opcionalmente, para asignar funciones históricas por defecto a cualquiera de las entradas y variables del fichero MODEL. Por último, en los procedimientos de operación se describe: • EXEC: algoritmo de ejecución del fichero MODEL. • TNIT: algoritmo de iniciación del fichero MODEL. Cada uso de un fichero MODEL se introduce con el comando USE, especificando las entradas y salidas correspondientes a esa llamada. Los nombres de los elementos definidos en un fichero MODEL no son visibles desde el exterior y se pueden elegir sin tener en cuenta las posibles coincidencias con nombres usados fuera de este fichero MODEL.

3.4

Estructura general de un fichero .atp o .dat En el desarrollo inicial del programa ATP se utilizaban tarjetas perforadas, por lo que hoy en día el fichero de datos de ATP mantiene un formato a base de bloques compuestos de tarjetas. Cada tarjeta comprende una fila y cada fila está

~ Transients Program)

dividida en columnas de diferentes anchuras, denominadas rangos. En cada rango hay que introducir un dato, numérico o alfanumérico, para que el compilador lo lea correctamente. Esta estructura es muy rígida y la introducción de un dato fuera del rango que le corresponde da lugar a un mensaje de error por parte del compilador. La estructura general de un fichero .dat (o de un fichero .atp) es la siguiente: BEGIN NEW DATA CASE Miscellaneus Data cards

( 2 lineas)

/TACS (si existen)

/ MODELS (si existen)

( sistemas de control) BLANK TACS C

ENDMODELS

DATOS DE BRANCH

(R, L, e, z en general, transformadores, l ineas) BLANK BRANCH C

DATOS DE SWITCH

(interruptores) BLANK SWITCH C

DATOS DE SOURCE (fuentes de V 6 I)

(fuentes de V/I ideales crona , motores)

: rampa,

escalón,

sinusoidal. máquina si n -

BLANK SOURCE C DATOS DE LAS VARIABLES DE SALIDA (OUTPUT) (Variables de salida a representar y que se incluirán en el fichero PL4) BLANK OUTPUT BEGIN NEW DATA CASE BLANK

Si una de las filas comienza con una letra «C» se trata de una fila de comentario y el compilador la ignora. Además, se debe reseñar que existe una serie de órdenes especiales, que se pueden escribir en cualquier parte del programa y que se diferencian porque van precedidas del símbolo «$». El fi chero comienza con una primera línea denominada BEGIN NEW DATA CASE. A continuación vienen dos líneas de MISCELLANEUS. La primera de ellas contiene números no enteros, mientras que la segunda debe ser forzosamente de números enteros. En cuanto a su significado, definen una serie de parámetros con los cuales se va a realizar la simulación. Por ejemplo, se indica el paso de integración , el tiempo máximo de la simulación, cada cuánto tiempo almacena puntos para su posterior representación, etc. Se trata, en definitiva, de especificar el valor de aquellos parámetros que en la creación de un fichero mediante el editor gráfico ATPDraw se definen en la opción ATP => Settings.

Después de los MISCELLANEUS se indican , si existen, los TACS (o MODELS). Solamente si ex isten , se inician con /TACS (o /MODELS) y se finalizan con la sentencia BLANK TACS (o ENDMODELS). En cuanto a las demás partes del programa, son todas obligatorias aunque no ex istan. Así, por ejemplo, a continuación y por el orden en que se indican deben ir los siguientes datos: • En primer lugar se definen las ramas, que acaban con la sentencia BLANK BRANCH. En ellas, se recogen las ramas del circuito que contienen bobinas, res istencias, capacidades, impedancias, transformadores y líneas. • A contin uación se indican los interruptores, que acaban con la sentencia BLANK SW ITCH. Aquí se indican distintos tipos de interruptores, como aquellos controlados por tiempo, por tensión o los que sirven como amperímetros (denominados MEASURING), etcétera. • Seguidamente se especifican las fuentes, que acaban con la sentencia BLANK SOURCE. Aquí se indican las fuentes de tensión e intensidad ideales, como la rampa, el escalón, la sinusoidal, etc. También se incluyen en este grupo las máquinas síncronas y los motores. • Una vez definidos todos estos dispositivos, se indican las variables de salida que se desea o btener del programa. Es decir, las señales de salida que se desea representar gráficamente. Este grupo termina con la sentencia BLANK OUTPUT. Todas ellas aparecen luego en el fichero .pl4 que se genere con el compilador. • Una vez introducido esto, el programa debe de terminar con un BEGIN NEW DATA CASE y con un BLANK. Finalmente, se debe indicar que una línea en blanco es considerada como si se pusiera la expresión BLANK. En la Figura 6. 7 se muestra un ejemplo, donde se puede observar la estructura de este tipo de ficheros. 11 "'1f'ffliZ11 t.l•0 BEGIN NEV DATA CASE

POIIER FHEQUENCY SCLOSE UKIT• 4. SOPEN UNIT• 4 SIIIDTH

80

5O O SU.TUS•OEU:'TE FILE•fUTA PU

FORK•FORMATTED

C KISCELUNEUS DAU CAROS

e

O 0001

10 E-2

200

2

8US4

BU$6

1 E-15

o

O 01 S

BUNK CARO ENOINC SIIITCH CAROS

e C e

Figura 6.7 Estructura de un fichero .dat

14 14 14

90URCE ClRDS BUS! BUS2

220 220

50 SO

BUS3 220 SO BUNK CARO ENDINC SOURCE CAROS

C1

-5

BUS!

BUS3

8US2

BL\IfK Clt.RD DIDINC PlOT CARDS

BEGUf NEU DATA C.lSE

BUHK

------=-

--

-1 -1 -1

OUTP11T CAROS

BUNK CARO ENDI NG OUTPUT CAROS SCLOSE_ UKIT• 4 ST.4.TUS•KEEP

1

~O

-30

- 1 50

BUS 4

• EledroMipetic Transients Program) También puede admitir la siguiente estructura: BEGIN NEW DATA CASE Miscellaneus Data cards

( 2 líneas)

/ TACS (si existen )

/ MODELS (si existen)

( sistemas de control) BLANK TACS

ENDMODELS

/ BRANCH (R, L, e, z en general, transformadores, líneas) / SWITCH (interruptores) / SOURCE (fuentes de V1 I crona, motores)

ideales

rampa,

escalón,

sinusoidal,

máquina sín-

/ OUTPUT (Variables de salida a representar y que se incluirán en el .PL4)

f~chero

BLANK BRANCH BLANK SWITCH BLANK SOURCE BLANK OUTPUT BEGIN NEW DATA CASE BLANK

De forma similar, la estructura típica para las subrutinas de apoyo es la siguiente: BEGIN NEW DATA CASE Palabra especial que define l a subrutina de apoyo Datos específicos del equipo $PUNCH BLANK CARO BEGIN NEW DATA CASE BLANK

Ejemplos de palabras especiales son: XFORMER, BCTRAN, SATURA, HYSDAT, UNE CONSTANTS, CABLE CONSTANTS, DATA BASE MODULE, etcétera. Además, hay una serie de órdenes especiales que han de ir al principio del programa, antes de las líneas de MISCELLANEUS, y que permiten la realización de cálculos especiales, co mo, por ejemplo: flujos de cargas, cálculo de armónicos, etc. A continuación se indica la función que desempeñan algunas de estas órdenes: • FREQUENCY SCAN. Esta opción permite obtener distintas soluciones en régimen permanente cuando la frecuencia de la fuente sinusoidal se incrementa automáticamente, en cada paso e- :..,tpo-ración, entre un valor inicial

y un valor final de frecuencia. Los resultados son valores en el dominio de

la frecuencia de tensiones de nudo, intensidades de rama, etc. Al mostrar los resultados de forma gráfi ca, en el eje de abscisas se representa la frecuencia y los valores numéricos se proporcionan de forma fasorial (coordenadas polares o cartesianas). Aplicaciones típicas de este módulo son: - Aná lisis e identificació n de frecuencias resonantes, tanto de compo nentes individuales del sistem a como de una red eléctrica. - Cá lculo de la respuesta en frecuencia de impedancias de secuencia positiva, cero, etc. - Aná lisis de la propagación de armónicos en sistemas eléctricos utilizando conjuntamente la opción HARMONIC FREQUENCY SCAN. • HARMONJC FREQUENCY SCAN. La opción HFS realiza un análisis armónico determinando una cadena de resultados en magnitudes fasoriales, a través de fuentes sinusoidales definidas por el usuario, de distinta frecuencia y amplitud. Comparando esta opción con los análisis de distorsión armónica realizados en el dominio del tiempo, se obtiene la ventaja de reducir la duración del proceso de cálculo del orden de diez o más veces. • FIX SOURCE. Esta opción permite calcular un flujo de cargas. Para ello se utiliza el fichero de datos en el que se describen los componentes del sistema eléctrico a simular, pero es n ecesario que no haya motores conectados. Por otra parte, la duración de la simulación (settings o miscellaneus data card) debe ser un número negativo, por ejemplo -1, para que la sim ulación termine una vez calculado el flujo de cargas.

3.5

Ficheros de inicialización Adiciona lmente, existen unos fi cheros de iniciación donde se especifican ciertos parámetros del software ATP: capacidad, formatos de salida, etc. En caso de que sea necesario cambiar el valor de alguno de dichos parámetros, estos ficheros se pueden editar y modificar m ediante el editor de textos PFE32. Dichos ficheros son los siguientes:

• Graphics. Permite la definición de parámetros relativos a vectores gráficos para su presentación en pantalla, salidas en formato HP-GL y postcript. • Listsize.dat. Permite especificar los valores límite para dimensionamiento dinámico de tablas. • Startup. Permite inicializar diversas variables dependientes de la instalación, tales como valores numéricos, manejo de ficheros, ajuste de vectores gráficos, etcétera. En el caso de sistemas eléctricos sencillos, es suficiente con los valores que los parámetros de estos ficheros tienen por defecto. Sin embargo, si se desea más información sobre estos ficheros, se puede acudir al Rule Book o manual de uso de ATP-EMTP [7J.

4

Gestor del entorno: ATPCC ATP Control Center (en lo sucesivo ATPCC) ha sido concebido como un interfaz de fácil manejo que ayude al usuario en la utilización del conjunto de programas que conforman ATP-EMTP (ATP, ATPDraw, PCPlot, PFE32, etc.).

4.1

Pantalla principal Al ejecutar ATPCC aparece la pantalla principal del programa que se muestra en la Figura 6.8. Esta pantalla está dividida en varias zonas diferentes: línea de menús, barra de acceso rápido a programas, zona de trabajo y ventana de últimos comandos ejecutados.

Programas principales

Control de parámetros deATP

Filtro de extensiones ~

foouo-

(unidad de disco)

llw Filter Editor. Por medio de dicho editor se pueden añadir, modificar o borrar los filtros aplicados a los ficheros pertenecientes al proyecto en cuestión.

l Filler

Filler N ame

1·1

t.h

Standard~ ..

ReiJ-ph

MODE: EDIT

Figura 6.18 Inserción del elemento de usuario

,M

Una vez insertado el componente, aparece su icono representativo y se puede utilizar en el circuito conjuntamente con el resto de elementos. Al abrir su ventana de diálogo (Figura 6.19), aparecen las casillas de los datos y nudos que se han definido previamente, para que se suministren dichos datos. En este punto se debe resaltar que, cuando se utiliza un modelo nuevo definido en base a un fichero .lib, en la ventana de datos (dentro del campo definido por la orden $INCLUDE) hay que indicar el fichero .lib con su path completo. Para facilitar esta operación se puede hacer uso del botón Browse.

U se• spec1hed Z _ OBJETO

EJ

Figura 6.19

Ventana de diálogo del elemento de usuario

6

Visualizador gráfico: PCPiot El programa PCPlot permite la visualización interactiva de los resultados guardados en los ficheros de extensión .pl4 que genera ATP. Al ejecutar PCPlot pinchando en el icono correspondiente de la ventana de ATPCC (Figura 6.8), aparece la pantalla principal del programa donde, con un formato habitual del entorno Windows, se presenta una barra de menús en la que se encuentran las opciones File, Edit, Options, Contents, Redraw y Help.

6.1

Menú File Dentro de este menú existen dos posibilidades: abrir un fichero .pl4 y sa lir del programa (Open PL4 file y Exit respectivamente). Al abrir un nuevo fichero, aparece la ventana de diálogo de la Figura 6.20, donde se eligen las variables a representar y el tipo de representación deseado. En los tres primeros recuadros aparecen las variables cuyos valores numéricos están guardados en el fichero .pl4 abierto. Para indicar las variables que se quieren representar, basta con seleccionar su identificador y pinchar en el botón Select o hacer doble clic sobre el nombre de la misma. Inmediatamente, d icha variable aparece en el recuadro superior derecho como seleccionada. Para deseleccionar alguna de las variables elegidas se pincha sobre dicha variable en el recuadro y se pulsa el botón Deselect o Deselect All, según sea el caso. Las variables escogidas se pueden dibujar en función del tiempo o en función de una de ellas, según se seleccione la opción correspondiente. En el segundo

Selecl Curves

27 Dec-04 17 38 33

Voltage, Power

Current, ~~~~~. f-re.p.

R p p

-

(TACS, U.M~k)

-R -C

Figura 6.20 Selección de curvas Select

caso, la primera de las variables seleccionada constituye el eje x y aparece señalizada con una «X» a su izquierda. Una vez seleccionadas todas las variables y el tipo de representación, se pulsa el botón OK, con lo que se muestra la representación gráfica de las mismas. Cada curva se representa en un color diferente y viene identificada por una leyenda que aparece en la parte inferior del área gráfica. Por defecto, para la representación en función del tiempo, el eje x se etiqueta como la variable tiempo. De todas formas, las etiquetas de ambos ejes se pueden editar en modo texto y, por tanto, el usuario puede modificarlas. Además se pueden mover dentro del área gráfica usando el ratón y manteniendo pulsada la tecla shift al mismo tiempo.

6.2

Menú Edit Dentro de este menú aparecen cinco submenús: Curve Redout, Zoom, Copy to clipboard, Curve identifiers y Save as BMP. La opción Curve Readout proporciona los valores numéricos de las variables almacenadas en el fichero .pl4, para cada va lor de la variable representada en el eje x (Figura 6.21). Para desplazarse a lo largo de la curva, se pueden utilizar los botones que aparecen en la parte inferior izquierda de la pantalla, el ratón o las flechas del teclado. En este último caso combinando el uso de las flechas con la tecla shift, el movimiento del cursor es más rápido . La opción del Zoom permite seleccionar y ampliar una zona de la ventana gráfica. Para delimitar la zona a ampliar se puede utilizar el ratón o definir los límites superior e inferior de ambos ejes y pulsar el botón zoom en la parte inferior de la pantalla. El botón Org vuelve a dibujar las curvas con los límites originales.

Figura 6.21 Representación gráfica de resultados. Curve Readout

El submenú Copy to clipboard permite copiar la pantalla (Client area) o el área gráfica (Image area) en el portapapeles y exportar la imagen capturada para su posterior utilización en otros documentos. Para guardar la imagen en un fichero, se utiliza la opción Save as BMP. Con la opción Curve identifiers se pueden colocar, dentro del área gráfica, etiquetas identificativas para las diferentes curvas, situándolas con el ratón allí donde se desee (Figura 6.22).

Figura 6.22 Representación con identificadores

- EledroMapetic 1i

6.3

Menú Options Dentro de este menú aparecen las siguientes opciones: Speed bar, Colors, Data directory, Readout step, Font, File type y Monochrome. La opción Speed bar sirve para hacer visible u ocultar, según sea la opción actua lmente activa, una barra de acceso rápido donde se en cuentran algun as de las utilidades ya vistas en el menú Edit, tales como Zoom y Curve readout. Asimismo, marcando la opción Readout step se añade a dicha barra de acceso rápido un nuevo campo donde se puede modificar el tamaño del salto producido en cada paso de los m ovimientos rápidos del cursor a los que se hacía referencia en el subapartado anterior. A través del submenú Colors se puede modificar el color del fondo de la pantalla principa l (BackGrondColor), del fondo del área de dibujo (GraphicAreaColor), de los ejes (Axis Color), de cada una de las curvas representadas (Curve colors) y del cursor (Marker color). Todas estas opciones son también accesibles pulsando el botón derecho del ratón sobre el área gráfica. Por medio de la opción Data directory se puede predefinir el directorio de trabajo. La opción Font permite modificar el color y el tamaño de las fuentes utilizadas en la representación gráfica. Finalmente, cuando se quiere imprimir la representación gráfica o btenida con el p rograma PCPlot como parte de otros programas, puede resultar conveniente utilizar la opción Monochrome y convertirla en una representación en blanco y negro.

6.4

Otros menús Por último, dentro de la misma barra de menús se tienen las siguientes opciones:

• Contents. Permite modificar la selección de variables realizada o el tipo de representación elegido. Para ello, se remite a la ventana de diálogo de la Figura 6.20. • Redraw. Vuelve a dibujar las curva s. • Help. Proporcion a un a ayuda cuyo contenido y formato es similar al de otros program as del ento rno Windows. Para ello es n ecesa rio que se disponga del fichero WPCPlot.hlp.

7

Editor de textos: PFE32 El desarrollo del procesador gráfico ATPDraw ha simplificado enormemente la creación de los fich eros que son compilados posteriormente con ATP. Sin embargo,

para los usuarios expertos sigue siendo necesario el empleo de un editor de textos que permita trabajar, entre otros, con los ficheros de entrada a ATP (.atp o .dat) o de sa lida del mismo (.lis). Fundamentalmente, la edición de este tipo de ficheros permite: • Modelizar casos más complejos que no se pueden desarrollar con el programa ATPDraw. • Corregir posibles errores. • Interpretar los ficheros ejemplo que aparecen en el subdirectorio BNCHMARK de las diferentes versiones de ATP (Salford ATP, Watcom ATP, GNU ATP). • Interpretar los resultados de la simulación que han sido grabados en el fichero de salida .lis. • Manejar dichos resultados en forma numérica y cambiar su formato si fu era necesario. Para escribir los ficheros de texto que contienen toda la información del sistema eléctrico a simular, se puede utilizar cualquier editor de textos que indique la posición del cursor en cada fila. Sin embargo, conviene usar el editor de texto PFE32 distribuido junto con ATP, ya que incluye una serie de plantillas (template) que facilitan la escritura de los datos en el fichero. Esto es debido a que la estructura de los ficheros .atp es muy rígida, y toda la información del sistema debe ocupar una posición específica en cada fila del fichero. Por ello, en el momento de editarlos y modificarlos, resulta indispensable tener a mano el manual de usuario, que permite disponer del formato de cada uno de los elementos a si mular e indica el contenido que deben tener cada uno de los parámetros. PFE32 ofrece las funcionalidades típicas de los editores de texto desarrollados en entorno Windows. A continuación se dan unas pautas básicas para desarrollar un fichero .atp (o .dat). En primer lugar se indica cómo crear el programa principal y, posteriormente, se alude a la utilización de las subrutinas de apoyo.

7.1

Programa principal Tal y como se ha indicado, los ficheros .atp se deben generar siguiendo las estrictas reglas sintácticas de ATP que aparecen reflejadas con detalle en el manual de usuario. Para facilitar dicha tarea, se pueden utilizar las plantillas en formato template (.tpl) que se encuentran en el CD-Rom distribuido por EEUG. Para poder utilizar una de esas plantillas, es necesario adjuntarla previamente al edito r de textos PFE32, mediante la opción Template :::::> Attach File. Una vez adjuntada, se puede utilizar sin más insertándola en el fichero sobre el que se está trabajando, con la opción Template :::::> Insert (Figura 6.23). Utilizando las diferentes opciones de dicho menú (Template) también es posible editar dichas plantillas, modificarlas o crear otras nuevas y salvarlas.

l' Programmer's Ftle Ed1tor • [Unhtledl •¡

11!!11.!.1 Ei

Qptions !emplate Ej!eCU!e Macro ~l'ldow tlelp 8ttachFie...

~~

QetachFIIe... DeateFie...

f Create file o Template => New. Lógicamente, a la hora de diseñar una nueva plantilJa es n ecesario seguir con exactitud la sintaxis definida en el manual de usuario de ATP.

8

Ejemplos

8.1

Ejemplo 1. Sistema de transporte en situación de falta En este ejemplo se aplica el paquete software ATP-EMTP en la simulación del sistema eléctrico cuyo esquema unifilar se representa en la Figura 6.24, cuando se produce una falta bifásica a tierra en la línea de interconexión entre los nudos A y B. Este sistema ya ha sido presentado y resuelto en el ejemplo 1 del capítulo 3, correspondiente a MATLAB, por lo que sus características principales y los datos necesarios para llevar a cabo la resolución aquí planteada son los mismos que se proporcionan en dicho capítulo (Tablas 3.14 a 3.17). Nudo A

25 kV

NudoB

220 kV Línea

Figura 6.24 Esquema unifilar

Sistema A

Sistema B

Para llevar a cabo esta simulación se van a seguir los siguientes pasos: • En primer lugar, se crea el modelo gráfico del sistema mediante el editor gráfico ATPDraw. • A partir del modelo gráfico, se genera el fichero fuente de extensión .atp que contiene el código del modelo en un formato adecuado para el compilador ATP. • A continuación, se ejecuta el compilador ATP utilizando como entrada el fichero .atp generado en el punto anterior. • Por último, se visualizan los resultados de la simulación, m ediante el programa PCPlot. 8.1.1

Modelización del sistema

Desde la pantalla del gestor ATPCC se llama al programa ATPDraw. Una vez aparezca la pantalla principal de ATPDraw, se abre un nuevo fichero .adp donde se guarda el sistema eléctrico objeto de estudio. El siguiente paso consiste en representar el sistema mediante un circuito cuyos elementos simbolicen los distintos componentes y permitan simular su comportamiento. Así, utilizando el programa ATPDraw, se procede a seleccionar los componen tes eléctricos que representan el modelo del sistema, cuyo esquema general es el indicado en la Figura 6.25.

. ,PectroMagnetk 1i Zeq ..---...¡.":·~~---

...

Figura 6.25 Modelo del sistema

• Equivalentes de sistema. Para proceder a su simulación, se van a manejar fuentes sinusoidales ideales en serie con sus respectivas impedan cias fuente. Pulsando el botón derecho del ratón sobre la zona de trabajo, aparece un menú desplegable con todos los componentes estándar de ATPDraw. De entre ellos se escoge la fuente Sources => AC 3-ph type 14, que se corresponde con una fuente de corriente alterna trifásica sinusoidal. Esto mismo se repite para la segu nda fuente. Una vez situados los iconos de ambas fuentes se deben definir sus parámetros. Haciendo doble clic sobre el elemento a parametrizar, aparece una ventana donde se introduce el valor de cada uno de los parámetros característicos de la fuente. En las Figuras 6.26 y 6.27 se pueden ver los valores introducidos para las dos fuentes. Si se qui.ere conocer el significado de cada uno de los parámetros, basta con utilizar la ayuda (Help) de la propia ventana. Las etiquetas identificativas que aparecen en el circuito junto a los componentes del sistema pueden ocultarse seleccionando la opción Hide, que aparece en la parte inferior derecha de la ventana correspondiente. Si lo que se q ui ere es cambiar su ubicación dentro del dibujo, se puede arrastrar con el ratón hasta el lugar deseado. Una vez se haya definido un elemento, su representación cambia de color rojo a negro. Sigui endo el mismo procedimiento, se elige el componente Branch Linear => RLC 3ph, que rep resenta una impedancia trifásica. Se repite la operación para la impedancia de la segunda fuente y se sitúan en serie con cada una de las fu entes. Pa ra conectar entre sí dos elementos, basta con situarlos en la zon a de trabajo de manera que sus bornes queden unidos. Otra posibilidad es unirlos mediante una línea que represente una conexión monofásica o trifásica, según sea la naturaleza de los elementos interconectados.

Ei

Component Ac3ph.sup

6tlríbutes

1

DATA

VALUE

Amp.

2041 2

f

50

pha

o

A1

o

Tstart

·1

htop

1

1

NODE AC3

arder· jo

L~l

jE1

C~ jAI!lP"{2500J/sqr(3))"sq(2)

r ¡'-"~]

rHisle

Cunent

Figura 6.26 Parámetros de la fuente 1

r.

r

Volage

.QK

~

~ancel

J:ielp

Ei '

Component Ac3ph.sup

8ttributes

1

DATA

VAWE

Amp.

175547

f

50

pha

3.5

A1

o

Tmrt

·1

htop

1

-~.

Order.jO Co¡nment: jAmp>o(220000/sqr(3U'sqr(2)

Type olaourc

r Figura 6.27 Parámetros de la fuente 2

Ct.rrent

r. Voltage

1

¡.;..N:..::.O;:.DE=---ti;_;IPHAS~.:;;.E-+ INAM.. . . ,. .:;;.E_.,J ¡~ AC3

IABC

1

1

Los valores que se h an asignado a la impedancia interna de la fuente 1 son los que aparecen en la ventana de la Figura 6.28. Esta ventana se abre siguiendo el mismo procedimiento que el visto para el caso de las fuentes. La impeda ncia interna de la segunda fuente es también equilibrada y se procede de forma similar, tomando los datos de la Tabla 3.14. Además, cuando sea necesario conocer la tensión, corriente o energía asociadas a un determinado elemento, pueden definirse como variables de salida seleccionando la opción correspondiente en el menú desplegable Output, que aparece en la ventana de diálogo de dicho elemento (Figura 6.28). I!J

Componen! Rlc3 sup

8ttributes

J

DATA

VALUE

R_1

00625

L_1

194

C_1

o

A_2

00625

L_2

1 94

C_2

o

R_3

00625

L_3

1 94

O•de•:

-~

~u

..:.J

lo

Cr.mmert; llmpedancws interna de la fuente 1 r- Outpul - -

-----.....,...-3

~1~-C~UI!,e!nt····~,..--:==~~-==--.,=~J r - - - ; 2 · Vol(age ~

3 · CU11ent! Saturable 3

phase), que se corresponde con un tran sform ador trifásico de tres arrollamientos con saturación. El devanado primario (P) se conecta a la impedancia Z 1, el devanado secundario, (S) al nudo A, y el devanado terciario, (T) a tierra, a través de la reactancia trifásica de compensación . Los parámetros a definir para este transformador se calculan a partir de los datos de la Tabla 3.16 y son los que se muestran en la ventana de la Figura 6.29. El valor de las resistencias se debe introducir en ohmios y el de los coeficientes de autoinducción en mH, ya que el parámetro Xopt se igualará a cero al efectuar los ajustes del proceso de simulación. Por otro lado, con objeto de simplificar la aplicación, no se ha definido la saturación del transformador.

Simulación e

..... ~-

.

~

"-

..

,..,.••_,,_J.! ~~--- ·

Con•rwnt•nt

... . . ... .

, ~-------..

.. .... ... .. . .

•• : ·•• ·' .;• ....... ••• :.: ••• ••• •••

-

':', .:~t 1• ~tlo

·.::~

·· ~-

~ ~ .··

.... :.:· ::.:·:· ·

.. ..

.

t up

~·t~l

Figura 6.29

Parámetros del transformador

• Reactancia trifásica de compensación. Para modelizar esta reactancia se utiliza u na carga trifásica en estrella conectada a la salida del terciario. Esta carga se encuentra en Branch Linear => RLC-Y 3ph y los parámetros a definir se muestran en la ventana de la Figura 6.30. A continuación, se procede a conectar a tierra tanto el neutro de la estrella de la reactancia de compensación, como el de los dos bobinados en estrella E)

Componen! RlcYJ sup

8ttributes

1

=-=-"""

DATA

VAL.UE

R_l

o

l_1

1270

C_l R_2

o o

L_2

1270

C_2 R_3

o o

1......3

1270

Order.IO

Figura 6.30

Parámetros de la reactancia trifásica de compensación

[ -

o~ ~0· N-o---------~-.

1

-="'--"-'-----'= u

~ -u

NODE IN

OUT

~

NAME

ABC

Program) del transformador. Para ello, se hace clic con el botón derecho del ratón sobre el borne correspondiente al nudo que se desea conectar a tierra. En la ventana que aparece, se selecciona la opción Ground y se valida la conexión mediante el botón OK. • Línea aérea trifásica. El modelo utilizado para la simular la línea de transporte es el modelo de línea de Clarke, de parámetros distribuidos, transpuesta y trifásica (Unes/Cables:::) Distributed:::) Transposed Lines (Clarke) :::) 3 phase). Con el fin de poder simular una falta en un punto de la línea, se divide la misma en dos tramos cuyas longitudes se pueden modificar sin más que cambiar el valor del parámetro correspondiente (1). En la Figura 6.31 se observan los valores característicos de la línea utilizada en este ejemplo. Dichos parámetros, a excepción de la longitud, son iguales en ambos tramos, al tratarse de la misma línea que se ha subdividido artificialmente a efectos de cálculo para la simulación de la falta. Se ha previsto que la falta objeto del análisis realizado en este ejemplo, se en cuentre localizada a una distancia de 100 y SO kilómetros desde los respectivos extremos. Una vez situados los dos tramos de la línea (Ll y L2), se procede a unirlos para conformar la línea completa. Del m ismo modo, se conectan los dos extremos de la línea a sus respectivos nudos (A y B). Ei

Componen! lonezl_ 3 sup

8ttributes

1

;-_;

DATA

VALUE

Al!+ A/Kl

o 01273 03864

A+ A!J

09337 4.1264

B+

0.01274 o.oons1

BO

.cl

-:U

NODE INl OUT1

o

= r=J

Ooder.IO

Commert

ro-

1

t..bel.

lu ~

lunea de uansporte. Ttamo 1

-----

lo · No

!]

F= r

1

1

,NAME

ABC ABC

100

1 IUNE

_

PHASE

_svruge.1

Figura 6.31 Parámetros de la linea de transporte

• Impedancia equivalente. Para tener en cuenta el efecto del resto de la red eléc-

trica, se coloca una impedancia equivalente entre los nudos A y B. Es decir, en paralelo con la línea de transporte. Se trata de una impedancia trifásica

-

que, tal y como se indicó anteriormente, aparece modelizada en Branch Linear ~ RLC 3ph. Aunque como ya se ha utilizado, también se puede copiar alguna de las impedancias del circuito y modificar sus parámetros, o se puede introducir una impedancia nueva pulsando en el icono que ha aparecido sobre la barra de herramientas (Figura 6.32). Asimismo, en la Figura 6.33 se muestra la ventana donde se definen los valores característicos de dicha impedancia equivalente.

Figura 6.32 Uso de la barra de herramientas

•

ÍMOOE· EDil

RLC3

EJ

Componen! fllc3 '"P

811nbutes 1 DATA

VAWE

R_l

2!IXl

L.J

200XXXl

C_l

o

R_2 L_2

2!IXl

C_2 A_3

o

l.3

200XXXl

·.J

-..J

oun

200XXXl 2ml

Order

.:.1

ID

~·IIMPEOANOA EQUIVALENTE DE RED

Figura 6.33 Parámetros de la impedancia equivalente

NODE IN1

PHASE ASC ASC

NAME

1

1

• Falta bifásica a tierra. Para modelizar una falta bifásica en la línea de trans-

porte, en cada una de las fases implicadas se coloca un interruptor, con apertura y cierre controlados por tiempo. Así como una resistencia conectada a tierra, cuyo valor se puede modificar para simular el efecto de faltas más o menos resistivas. Asimismo, y con objeto de poder simular la falta entre dos fases y tierra, se utiliza un splitter o elemento que transforma un nudo trifásico en tres nudos monofásicos. Este componente se halla en Probes & 3-phase => Splitter. Los interruptores de cierre y apertura controlados por tiempo se seleccionan en Switches => Switch time controlled y se configuran para provocar y despejar la falta en los tiempos que se definen en la ventan a correspondiente a la Figura 6.34. Para insertar la resistencia de falta, se selecciona Branch Linear => Resistor. Inicialmente, la falta bifásica se ha considerado con una resistencia de falta prácticamente nula (0,01 m!l). EJ

Componen!. Swotchtc sup

8ttributes

J

DATA

jVALUE

NODE

T·el

¡o.1

T·op

J 02

SI/IIF SWT

lmer

jo

~roup Na

lo

Comment

l lnteuupiOI para control de la f41ta a tiefoa (F4$e A)

E

NAME

O~ApUt

lo No

Figura 6.34 Parámetros de los interruptores .QK

li 1

• Elementos de medida. Para analizar los resultados que se obtienen tras el pro-

ceso de simulación, se colocan distintos voltímetros y amperímetros en el sistema eléctrico. Este tipo de elementos se obtiene dentro del submenú Probes & 3-phase. En este ejemplo se han utilizado dos voltímetros (Probe Volt) y un amperímetro (Probe Curr). A la hora de posicionar y conectar estos elementos de medida, se empieza por los amperímetros. Seguidamente se hacen las conexiones eléctricas que

~

Simu

. .. ... •••••

1

1!

'

:

...

•

- - - -- --- ---

...!.-.! •• •• : •• :: ···:.::..:.:·!:·

____..,...~

--U.

.·.··· .. :::-:· ·:.. _: :·.::.:·~·

faltan y, por último, se ubican los voltímetros de modo que su toma se halle sobre el punto donde se desea realizar la medida. Una vez que se han introducido en el circuito, hay que definir para cada caso si se trata de elementos monofásicos o trifásicos. En este último caso, hay que especificar también la fase o las fases cuya medida se quiera registrar (Figura 6.35). Figura 6.35 Definidón de los aparatos de medida

Open Probe

~

Las magnitudes definidas como salidas son aquellas que, al ejecutar el programa ATP, se guardan en el fichero .pl4. Este fichero es el que se utiliza posteriormente para representar gráficamente los resultados con el programa PCPlot. Aunque en este ejemplo no se ha empleado, la propia ventana de diálogo de muchos componentes permite definir como salidas del sistema magnitudes tales como la tensión, la corriente o la energía asociada a ese determinado elemento. 8.1.2

Definición de nudos

A continuación, es necesario identificar todos y cada uno de los nudos del circuito. Para ello, se hace doble die sobre cada nudo (o clic con el botón derecho del ratón) y, en la ventana que aparece, se introduce el nombre con el que se identificarán en adelante (Figura 6.36). En el ejemplo, solo se ha dado un nombre concreto a los nudos A y B (N-A y N-B respectivamente) y a aquellos nudos cuyas magnitudes se van a visualizar (Tl: primario del transformador. y PF: punto de falta). Si se desea que los nombres sean visibles en el circuito, se debe marcar la opción Display. Node d~la

[:':

Figura 6.36 Definidón de los nudos del sistema

A con tinuación, y con objeto de evitar tener que repetir el proceso anterior para todos aquellos nudos del circuito que por diversos motivos no interesa identificar, se procede a utilizar la opción ATP ~ Make Names. La función de este comando es doble. Por un lado, etiqueta todos los nudos del sistema que previamente no hayan sido identificados, asignándoles un nombre que, aunque para el usuario no tenga utilidad, resulta imprescindible para el correcto funcionamiento del programa. Y por otro, identifica todos los nudos del circuito que, dadas las conexiones realizadas, conforman un único nudo eléctrico y procede a asignarles el mismo nombre .

•

....

·:;.;:. ;:.:··

f-&1- ~--------

...:·

::. Maths => x-y) para obtener la variable VR2 a partir de la señal de control (VR) y la señal VE, resultado del lazo de realimentación de la excitatriz. • Para finalizar la cadena directa, se incluye un bloque integrador (TACS ~ Transfer functions ~ Integral). El único parámetro de este bloque es la ganancia K, que se utiliza para introducir la constante de tiempo de la excitatriz (K= l/TE= 1/ 0,95 = 1,0526). • A continuación, para representar el lazo de realimentación de la excitatriz, se utilizan tres elementos TACS: - Un bloque proporcional (TACS ~ Fortran statements ~ Maths ~ x*K), cuya ganancia representa la ganancia de la excitatriz (K = KE= - 0,170). - Un bloque no lineal (TACS ~ Devices ~ User def nonlin), mediante el que se tiene en cuenta la función de saturación de la excitatriz. Se trata de un bloque que proporciona una salida variable, según una función no lineal: salida = f(Gain · Ientradas) La ventana de diálogo de este elemento contiene dos pestañas. La primera pestaña es similar a las ventanas de los bloques anteriores (en este caso con ganancia igual a 1), mientras que en la segunda pestaña (Figura 6.56) se debe especificar la característica no lineal mediante un máximo de 17 puntos, entre los que el programa realiza una interpolación lineal. - Un sumador (TACS ~ Fortran statements => Maths ~ x+y), mediante el que se suman las salidas de los dos bloques anteriores. • En cuanto al lazo correspondiente a la retroalimentación derivativa, se incluye una segunda función de transferencia genérica, cuya ventana de diálogo se muestra en la Figura 6.57. En este caso no se define límite alguno. Por otro lado, hay que indicar que la orientación con la que se colocan los bloques en la representación gráfica no condiciona la secuencia de las operaciones a realizar. Con objeto de facilitar el seguimiento del diagrama de bloques, en este ejemplo se ha optado por representar los bloques al derecho, de modo que sus entradas se sitúen siempre a la izquierda y su salida a la

~

Simu

..a:;.·:· .

1

l~)tl

í4·r

------- -

----....-..-.,., _..... -:--.: :·.~:.:· · ·

.!.:. •• •• : •• :: ···:.:: ..:.:·::· •••••• .. ::::·

·....

1:1

TACS DI VI! 1 ~,1;

---

A!:..,buta• 01............ 1. r- SIIUilian

--,-

In

~~

o

o

1

0.(1)73

3V

0.22

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Figura 6.56 Definición de la característica no lineal

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VF

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eoa-nt l.

Figura 6.57 Datos del bloque de VF

G(a)"' 111

1

1

EFD

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1 lXI

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N1

N IN3 IN4 N INiiiM"L

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...

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derecha. No obstante, el resultado hubiera sido el mismo si se hubiese seguido miméticamente la disposición del esquema original, con los bloques correspondientes a lazos de realimentación en sentido de derecha a izquierda.

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• Una vez introducidos todos los bloques funcionales, se incluyen las salidas (Probes & 3-phase::::} Probe Tacs). Con estos elementos TACS se indica cuáles son las variables que se desea definir como variables de salida. No obstante, para la utilización de cualquiera de estas variables en el circuito eléctrico se pueden definir como salidas de bloques Fortran e introducir su valor mediante fuentes TACS (Sources ::::} TACS Source). • Finalmente, para que el regulador de tensión funcione correctamente, se le deben indicar unas condiciones iniciales mediante los bloques de iniciación (TACS ::::} lnitial cond.), es decir, el valor de las variables al comienzo de la simulación. Estos valores aparecen al final del fichero .atp, precedidos por el número «77». Para calcular estos valores iniciales, se asigna a EFD = 1 p. u. y se retrocede hacia atrás, teniendo en cuenta que al ser valores iniciales el valor de s = O. • Una vez diseñado el circuito, se completan las conexiones, se definen los nudos del circuito, se guarda y se genera el fichero .atp compilable. Al editar este fichero se obtiene el siguiente código: BEGIN NEW DATA CASE

e ------------------------e Generated b y ATPDRAW feb rero , mar t es 8 , 2005 e A Bo nnevi ll e Power Ad min ist r a t ion p rogram e Programmed by H. K. H0ida l e n at SEfAS - NORWAY 1 994 -2001

e e dT >< Tmax >< Xopt > < Copt > l.E - 6

. 00 1

5 00

1

1

1

o

1

o

o

1

TAeS HYBRID / TAeS =GENE - R * GENE- R

98VSQ- R 90GENE-R

l.

90GENE - S

l.

90GENE- T

l. =GENE - S * GENE- S

98VSQ - S

=GENE- T * GENE- T

98 VSQ- T 98VMS 98Vc

=VSQ - R + VSQ- S + VSQ - T =SQRT(VMS)

98Vre f

/ 1 800 0

=0.9997 4 3

l VR

+Ver r

- VF

40 0 . -3 .4

l. l .

.

98 Verr 98VE lVF

05

Vre f =

VE2

+EFD l.

- Ve + VEl . 02

3 .4

l.

.33

98VR2

VR

lEFD

+VR2

- VE

1.0526

l. l.

98VE1

-0.17 * EFD 56+ EFD

98VE2

o

l.

o

1

0.0673

3.27

0.22

4.36

0 .95

9999 . 33VMS 33Vc 33Verr

33Vref 33VR 33VF

33EFD 77VMS

337089600 .

77Vc

l.

77Vref

.999743

77VR2

- 0.17

7 7VE1

-0.17

77VE2

. 0673

77EFD

l.

77VR

-0 .1 027

77VF 7 7Verr e

- 2.5675E - 4

1

2

3

4

5

6

7

8

e 3456789012 3456 7 8901234567890123456789012345678901234567890123456789012 34567890 /BRANeH e < n 1>< n 2>< R >< L >< e > e < n 1>< n 2>< R >< A >< B >< Leng >O /SWITCH

e

< n 1>< n 2 >< Tclose >< /SOUReE

e < n 1>< Ampl. >< Freq . >< /INITIAL /OUTPUT BLANK TACS BLANK BRANCH

Ie

>< type > Al

>
< TSTART >< TSTOP >

BLANK SWITCH BLANK SOURCE BLANK INITIAL BLANK OUTPUT BLANK PLOT BEGIN NEW DATA CASE BLANK

8.5

Ejemplo 5. Maniobras en el sistema eléctrico En este ejemplo se analiza el efecto que producen determinadas maniobras en las tensiones e intensidades de un sistema eléctrico. En concreto se va a trabajar con el sistema eléctrico de la Figura 6.58 y se van a simular las siguientes maniobras: • Energización de la línea de transporte. • Conexión del banco de condensadores conectado a la barra de la subestación SE3 a través de un tran sformador. SEI

SEJ

SE 2

Figura 6.58 Diagrama unifilar del sistema. Et ttella

I T

El sistema eléctrico a nalizado representa el punto de interconexió n entre dos subsistemas eléctricos. En determinadas circunstancias dichos subsistemas pueden quedar aislados al operar con la interconexión abierta. En estas condiciones, la parte del sistem a representada en la Figura 6.58 opera de forma radial y las ca rgas de las subestaciones SE 2 y SE 3 se alimentan a través de una única línea de transporte. A fin de inyectar la potencia reactiva suficiente para mantener la tensión de la red dentro de los márgenes adecuados para su explotación, durante la o pe ración en estas circunstancias, se utiliza una batería de condensadores de 14,4 MVAr a 45 kV, conectada al sistema de 132 kV a través de un transformado r. En este ejemplo, todas las simulaciones se han realizado con el interruptor de interconexión abierto.

Simulación 8.5.1

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Datos de partida

A continuación se indican los datos correspondientes a los distintos co mponentes del sistema eléctrico, a partir de los cuales se va a construir el modelo. • Sistem a de generación. En el nudo SE 1 se conecta un generador equivalente, que tien e en cuenta la influencia de las centrales generadoras de su entorno. Sus características nominales son las reflejadas en la Tabla 6.9. Tabla 6.9. Datos del generador equivalente Tensión equivalente Potencia equivalente Frecuencia Conexión

132 kV

680 MVA 50 Hz estrella

• Línea. Se trata de una línea de 60,49 km de longitud, no transpuesta, de tensión nominal 132 kV, dividida en dos tramos de diferentes características (Tabla 6.10). Tabla 6.10. Datos de la línea

Longitud (km): Resistividad del terreno (f!m): Conductor de fase: Diámetro exterior (mm): Diámetro interior (mm): Secdón (mm1) : N° de conductores por fase: Resistenda en c.c. a 20°C (0 /km): Flec:ha (m): Cable de tierra: Diámetro (mm): Resistenda en c.c. a 20°C (0 /km): Flecha (m):

Tramo 1 (SE 1 a SE 2)

Tramo 2 (SE 2 a SE 3)

28,894 100

31,591 100 lA-180 aluminio-acero 17,5 7,5 181,5 1

0,1962 4,5 no tiene

4,3 de acero, macizo 9,5 5,4363 3,2

En cuanto a la disposición de los conductores de la línea sobre las torres, dent ro de cada tramo de línea existen distintos tipos de torres. Con el fin de simplificar el proceso, sin alterar significativamente los resultados de la sim ulació n, se utiliza una configuración equivalente para cada tramo. Esta configuració n se ha obtenida aplicando una media ponderada al conjunto de apoyos de la línea y se muestra en la Figura 6.59, donde las dimensiones se expresan en metros.

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• Transformador. El transformador utilizado viene definido por sus características asignadas (Tablas 6.11 y 6.12) y por los datos que el fabricante proporciona sobre los diferentes ensayos realizados (Tablas 6.13 a 6.15). Tramol

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1

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1

23,3958

2

3

15,2

19,45

__ .........._.....___.,. _.

Figura 6.59 Disposición de los conductores

14,45

1

X

_.,. X

Tabla 6.11. Características asignadas

f= 50 Hz

Tensión (V)

Intensidad (A)

Potencia (MVA)

Conexión

Primario Secundario Terciario

138000 46000 13800

263,5 790,7 878,6

63 63 21

estrella estrella triángulo

Tabla 6.12. Grupo de conexión Devanados

Grupo de conexión

Primario-secundario Primario-terciario

YNynO YNdll

Tabla 6.13. Ensayos de vacío Bobinado de alimentación

Tensión (V)

Intensidad (A)

Potencia (W)

Terciario Terciario Terciario

13800 14490 15180

4,4 5,93 8,1

32480 37340 42670

Tabla 6.14. Medida de resistencias (valores por fase) Devanado

Material

Coefic. material

Temperatura (OC)

Resistencias

Primario Secundario Terciario

cobre cobre cobre

234,5 234,5 234,5

28 28 28

0,7066 0,0626367 0,017926

(fi)

Tabla 6.15. Ensayos de cortocircuito Devanado Alim.

Cort.

Intensidad (A)

Prim. Prim. Sec.

Se c. Terc. Terc.

209,2 66,93 200,8

(MVA)

Tensión (V)

Potencia (W)

Temperatura (OC)

50 16 16

16638 10118 1383

197390

28 28 28

sbos~

30n6 20830

A partir de los datos de las Tablas 6.11 a 6.1 S se obtiene el valor de las pérdidas de cortocircu ito a 75° (Tabla 6.16). Tabla 6.16. Pérdidas de cortocircuito Ensayo Primario-secundario Primario-terciario Secundario-terciario

P.lrt

(W)

1

166772 21545 19626

pD28"C (W)

p:.s•c (W)

30618 9231 1204

222551 33227 24155

• Batería de condensadores. Se utiliza una batería de condensadores que está compuesta por un total de 96 condensadores monofásicos de las características indicadas en la Tabla 6.17. Estos condensadores están dispuestos en conexión trifásica formando una estrella con neutro aislado. Cada fase de la estrella está formada por 16 ramas en paralelo y cada rama por dos condensadores unidos en serie. Tabla 6.17. Características de los condensadores Tensión: Intensidad: Potencia: Capacidad:

13750 V 10,91 A 150 kVAr 2,531JF

• Cargas. Las cargas alimentadas desde cada una de las subestaciones se representan mediante cargas equivalentes en estrella. Las características de estos consumos vienen reflejadas en la Tabla 6.18.

Tabla 6.18. Consumos de las cargas Carga

P(MW)

Q (MVAr)

V(kV)

SE 1 SE 2 SE 3

5,3 6,7 20,8

2,2 5,6 7,9

134,6 132,3 130,5

8.5.2 Modelización de los elementos del sistema

Una vez definidos los datos de todos los componentes del sistema eléctrico, el siguiente paso es representar dicho sistema mediante los diferentes modelos que ATPDraw proporciona para cada uno de los componentes reseñados (Figura 6.60). V

SE1

Figura 6.60 Modelización del sistema

TTT Algunos de estos elementos ya se han utilizado en los ejemplos precedentes, por lo que en este ejemplo únicamente se hace referencia a los aspectos no tratados con anterioridad. • Sistema de generación . Dadas las características del estudio a realizar, se ha

considerado como una conexión a una red de potencia infinita. Por ello, se ha utilizado una fuente senoidal de tensión para modelizar la barra de potencia infinita (Sources::::) AC-3ph. type 14). • Los valores a introducir en la correspondiente ventana de diálogo (ver Figura 6.26) son: 107 778 V de amplitud (valor de pico, de la tensión fase-neutro), SO Hz de frecuencia y oo de fase. • Línea. Los dos tramos de línea considerados se modelizan siguiendo los pasos explicados en el ejemplo 3 de este capítulo. Los parámetros introducidos para cada tramo se reflejan en las ventanas de diálogo de las Figuras 6.61 y 6.62.

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r ,,.,.....,

~

r ,...N*e

Figura 6.61 Parámetros del tramo 1

...

.... ........ ¡;;o , ... ....,...,, r;;-:

n

,....,....,..

.... -,_ ,. ........_

.....

-!!>) en dichos campos. Además, en el caso de los nudos se debe especificar su posición en el icono que representa al grupo. El nombre de los parámetros seleccionados (datos y nudos) se puede editar haciendo doble clic sobre ellos en el campo Added to group. En este ejem plo, se seleccionan como atributos del grupo los parámetros curr y flux de todas las inductancias y el parámetro res de las tres resisten cias. En

Simulación de Sistemas elédrlcos EJ ,

Compress Group

,.. Ob,ects

.1

NUND931l_SAT_B NLIND93/L_SAT_C RESISTOR 1 Al _A RESISTOR 1 Rl_B RESISTOR 1 Rl_C SPLITTER

Data Avllllallle

FLUX/

~

Added to !JOUIY

ii~

1

00

rGJ

l:.w:el

FLUX CURA FLUX CURA

l

FLUX RES RES RES

1

1

1

p Add nonlínear

=e

P'

Ncrine111¡y

'=

Node•

1

Added to group.

AvaWlle

Figura 6.65 Definición de los atributos de un grupo

To

21 ~

lN

fOlltlon

[113

o

' ' 2

L

·-

1

J

·-·

cuanto a los nudos externos del grupo, se seleccionan el neutro de la estrella formada con las inductancias (From) y el nudo trifásico del splitter (IN). El primero de ellos se edita en el campo Added to group y se renombra como LN. Asimismo, mediante el menú desplegable (Position) situado en la parte inferior derecha de la ventana, se especifica la ubicación de estos nudos en el icono del grupo (posiciones S y 11 respectivamente). Además, al agrupar elementos no lineales, es posible asignar externamente una misma característica no lineal a un máximo de tres elementos. Así, en este ejemplo, al seleccionar las inductancias no lineales utilizadas, se marcan las opciones Nonlinearity y Add nonlinear. Una vez definido y validado el grupo, el conjunto de elementos agrupados aparece representado por un único icono que se puede utilizar como un componente más de ATPDraw. Al abrir su ventana de diálogo, aparecen los parámetros y nudos definidos como externos, con los nombres que se les haya asignado y con los valores por defecto definidos en las ventanas de diálogo de sus respectivos elementos, antes de ser agrupados. Para poder modificar el valor de los datos que no se hayan definido como atributos del grupo, es necesario editar el grupo (Edit ~ Edit Group) y abrir la ventana de diálogo del propio elemento. Una vez realizados los ajustes y modificaciones necesarias, se vuelve al circuito del nivel superior, mediante la opción Edit ~ Edit Circuit. Finalmente, indicar que para modificar los atributos del grupo, este se debe desagrupar (Edit ~ Extract) y, posteriormente, se debe volver a crear un nuevo grupo con las modificaciones deseadas. En este ejemplo, es necesario definir el valor de la resistencia R1 y la característica intensidad-flujo de las inductancias no lineales. La resistencia del devanado primario a la temperatura de 75°C es la siguiente: 234 5 309 5 ' + ?S = 0 7066 · R715"C = R28 "C · ' = 0 83311S(D.) 1 234,5 + 28 , 262,5 ,

Para el cálculo de las inductancias saturables, que representan la· curva de saturación del transformador, se emplean los botones View + y Copy + de la ventana de la Figura 6.63 (a). Seleccionando la opción Lm-rms del recuadro View /Copy que aparece en la pestaña Open circuit, y pulsando el botón View + , se muestra la curva tensión-intensidad de magnetización, en valores eficaces (Figura 6.66). Al repetir la operación anterior, con la opción Lm-flux seleccionada, se obtiene la correspondiente curva flujo-intensidad, en valores de pico (Figura 6.67).

~. Vrew Nonhnearrty

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x·a 87.6

l!'!'l! ~VJ _

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1

1

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1

r log acale P11§l..wr

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334.5

5114

604.3

E~l!!i!k~~ rvt~·Il

1

tensión-intensidad

~1

__________________ -

'

' '

697.2

Figura 6.66 Característica

'

'

'

¡o.59181B75

385.6

376.6

1358.660528 '

max: 367.6

--------

'

1

1

1

1334.526581

'

1

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~ogsca~e

P'~

1 1

.6

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1

11

1.4

Copy wml

1

1.7 1 --=---.........!--=:;---=

Figura 6.67 Característica

flujo-intensidad

La curva de la Figura 6.67 es necesaria para definir la característica no lineal de las inductancias saturables. Por ello, en la ventana de la Figura 6.63 (a), se selecciona la opción Lm-flux del recuadro View/Copy y se pulsa el botón Copy +.A continuación, tras cerrar esta ventana, se accede a la pestaña Characteristic de la ventana de diálogo del grupo antes creado y se pulsa el botón Paste. Automáticamente, los valores de la curva flujo-intensidad correspondientes al transformador aparecen reflejados en la característica de saturación de dicho grupo. En definitiva, los parámetros que caracterizan al grupo creado para simular la saturación del transformador son los que se indican en la Figura 6.68. Asimismo, para modificar la representación gráfica del nuevo grupo, se hace clic sobre el icono que aparece en la parte inferior izquierda de la ventana de diálogo.

__

~

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'

MTA CUI'If'

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01131"

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Figura 6.68 Parámetros del grupo

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(a)

a-

1

r.--

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(b)

Finalmente, es importante indicar que si se selecciona la opción Auto-add nonlinearities, que aparece en el recuadro Structure de la Figura 6.63 (a) cuando está activa la opción External Lm, el programa ATPDraw incorpora automáticamente inductancias saturables del tipo 98 al generar el fichero fuente .atp. Por lo que no sería necesario introducirlas manualmente, tal y como se ha hecho en este ejemplo. Sin embargo, esta opción no permite tener el control sobre el estado inicial de las inductancias, ni incluir resistencias en serie con las mismas. Por otro lado, cuando se desea tener en cuenta el ciclo de hitéresis en la magnetización del núcleo, es necesario utilizar o tro tipo de inductancias. Por lo que tampoco en este caso se puede apli car la opción Auto-add nonlinearities. • Batería de condensadores. En este ejemplo, la batería de condensadores es considerada de forma conjunta como una unidad, es decir, no se ha previsto la operación con escalones de capacidad. Así, cada fase de la batería se modeliza mediante un único condensador monofásico (Branch Linear => Capacitar) de capacidad equivalente a la del conjunto de la fase (20,24 ~F) . Por otro lado, los condensadores se consideran como capacidades puras sin resistencia adicional. Por ello, en la ventana de diálogo de los condensadores es necesario anular el factor de resistencia serie (Ks).

• Cargas. Las cargas del sistema se modelizan mediante cargas trifásicas genéricas, conectadas en estrella (Branch Linear~ RLC-Y 3-ph), cuyos valores de R, L y C se calculan a partir de Jos datos disponibles (P, Q y U), suponiendo nula su componente capacitiva. De este modo, aplicando las expresiones siguientes, se obtienen los resultados de la Tabla 6.19. R = Zcoscp tgcp = QJP S = y p z + Qz X = Zsencp Z = V2/S L = XI27Tf Tabla 6.19. Parámetros RL de las cargas

Carga

R(fi)

L (mH)

SE 1 SE 2

2916

3853

1538

4092

SE3

715,54

865

Los valores calculados se introducen en las ventanas de diálogo correspondientes a las cargas de cada una de las subestaciones, tal y como se ha explicado en el ejemplo 1 de este mismo capítulo (ver Figura 6.33). • Otros elementos. A fin de facilitar la realización de diferentes simulaciones con el mismo circuito, se utilizan interruptores trifásicos de apertura y cierre controlados por tiempo (Switches ~ Switches time 3-ph). De esta manera, es posible aislar o conectar los diferentes componentes del circuito de acuerdo a las necesidades de cada simulación, definiendo los tiempos de operación de cada interruptor en sus respectivas ventanas de diálogo (Figura 6.69). f3

Componen!: Swrt_3xt sup

8ttributes

J

DATA T-cll T-op_l

j VALUE

NODE INl OUT1

002

Jt

T-cL2 T-op_2 T.cJ_3 T-op_3

IPHASE

IABC IABC

~NAME 1

JI

- ) 0.02

1 002 1

o

!mar

j¡roup No

lo

LaQel

1.

Co¡nment ISE1 lnteuuptor de línea o~

lt ·Cuuent

~

1~H~

3 QK

tancfll

tlelp

Figura 6.69 Parámetros de un interruptor trifásico controlado

. .......... ..........'····· . .. . ......'"t·,··· . ... , .... ...... .~ ............ .... .............. ........... .......... ... ·--~:? --~-~..........,..; ----....

Por último, se efectúan las conexiones necesarias para completar el circuito estudiado, se definen los nombres que identifiquen los nudos del sistema y se especifican aquellas magnitudes cuyos resultados se desee obtener como salidas de la simulación. Para llevar a cabo este último cometido, se hace uso tanto de elementos de medida como de las opciones recogidas en las propias ventanas de diálogo de cada componente. En concreto, se utilizan sendos voltímetros del tipo Probes & 3-phase => Probe Volt para registrar la evolución de las tensiones fase-tierra en la barra de SE 3 y en el secundario del transformador. Por su parte, para medir la tensión soportada por cada fase de la batería de condensadores, se opta por seleccionar la opción 2 - Voltage existente en el menú desplegable Output que aparece en la parte inferior de las ventanas de diálogo de los condensadores equivalentes. Por último, para medir las intensidades que circulan por el circuito, se selecciona la opción 1 - Current existente en el menú desplegable Output de las ventanas de diálogo de los interruptores correspondientes a cada caso. En este ejemplo, se registran las corrientes de entrada a la línea en SE 1 (Figura 6.69) y en SE 3, las absorbidas por el primario del transformador y las absorbidas por la batería de condensadores. Automáticamente, junto a cada uno de estos elementos aparece una señal recordatoria, indicando las magnitudes relativas al mismo que se están registrando. 8.5.1 Simulación y resultados

Una vez construido el modelo del sistema, se está en condiciones de simular su comportamiento en las distintas circunstancias que se pudieran presen tar. En este eje mplo se simulan dos situaciones distintas y en ambos casos se sigue el mismo procedimiento. • En primer lugar, se definen los tiempos de actuación de los diferentes interruptores, seleccionando la topología particular del sistema y las maniobras efectuadas sobre él. • A continuación, se configuran los parámetros del proceso de simulación (ATP => Settings) y se genera el correspondiente fichero fuente con extensión .atp (ATP => Make File As). • Posteriormente, dicho fichero se compila con ATP. • Finalmente, los resultados registrados en el fichero .pl4 se visualizan mediante el programa de visualización gráfica PCPlot, según se ha explicado en el ejemplo 1 de este mismo capítulo. Energización de la línea de transporte La energización de la línea de transporte se va a realizar en vacío. Esto es, durante la simulación se mantienen abiertos todos los interruptores, a excepción de Jos interruptores ubicados en los extremos de la línea y el interruptor de red en la subestación SE l. Los tiempos de operación de los interruptores se definen como se indica a continuación:

• Interruptor de red ubicado en SE 1 y de final de línea en SE 3: cerrados en todo momento (por ejemplo, con los parámetros: T-cl = - 1 s y T-op = 1 s). • Interruptor de línea en SE 1: se cierra a los 0,02 s (T-cl = 0,02 s y T-op = 1 s). • Resto de interruptores: abiertos en todo momento (por ejemplo: T-cl = T-op = 1 s) . En cuanto al propio proceso de simulación, la parametrización a efectuar depende en gran medida de la precisión deseada. Lógicamente, se debe tener en cuenta que, a mayor precisión, el intervalo de tiempo para la integración numérica (delta T) será menor y, por lo tanto, el tiempo necesario para completar el proceso de simulación se verá incrementado en la misma medida. En este ejemplo no se utilizan unos ajustes excesivamente exigentes. Pero se propone al lector la repetición de estas simulaciones utilizando tiempos y ajustes más restrictivos, de modo que pueda observar la influencia de estos parámetros sobre aspectos de gran importancia práctica, como son los tiempos de ejecución de la simulación, la precisión en los resultados y la mayor o menor discretización de las señales en los resultados gráficos. En concreto, en el ejemplo se mantienen los valores que aparecen por defecto en ATP ==> Settings, excepto: • Tiempo de integración numérica: delta T = 1 E-S s. • Duración de la simulación: Tmax = 0,1 s. • Frecuencia de salida gráfica: Plot freq = S. Efectuada la simulación, los resultados obtenidos se analizan gráficamente. A modo de ejemplo, en la Figura 6. 70 se presentan las curvas correspondientes a las tensiones en el extremo receptor de la línea, en SE 3. En ella se puede observar cómo, al cerrar el interruptor en el momento en que la fase R pasa por un máximo, las mayores sobretensiones se producen en esa misma fase y se llega a duplicar el valor que la tensión en dicho punto del sistema alcanza finalmente para el régimen permanente (valor de pico de la tensión fase-tierra igual a 108 kV).

Figura 6.70 Tensiones en el extremo receptor de la línea (SE 3)

Del mismo modo, en la Figura 6.71 se muestra el transitorio que presentan las intensidades de entrada a la línea, en SE 1, para esas mismas condiciones.

Figura 6.71 Intensidades de entrada a la línea, en SE 1

En este punto, el lector puede observar la influencia que tiene el instante en que se inicia la energización de la línea sobre estas variables. Para ello, basta con modificar el instante de cierre del interruptor de línea ubicado en la subestación SE l. También se propone al lector que compruebe el efecto de llevar a cabo la energización de la línea con una o varias cargas conectadas. Conexión del banco de condensadores En este caso se parte de una situación en la que el sistema trabaja en régimen permanente, con la totalidad de las cargas conectadas. Ante la caída de tensión en barras de la subestación SE 3, se conecta la batería de condensadores. Para ello se establece la siguiente secuencia de tiempos: • Interruptor de la batería de condensadores: se cierra cuando la fase R pasa por un máximo de tensión (T-cl = 0,04 s y T-op = 1 s). • Resto de interruptores: cerrados en todo momento (T-cl = - 1 s y T-op = 1 s). En lo que se refiere a los ajustes del proceso de simulación, se aumenta su duración hasta los 0,16 s y se mantiene el valor del resto de los parámetros. Así, se comprueba que la tensión en las barras de la subestación SE 3 ha caído desde una tensión eficaz entre fases de 132,27 kV en vacío (valor de pico fase-tierra, 108 kV) hasta los 127,9 kV (104,43 kV) cuando todas las cargas del sistema están conectadas. Del mismo modo, en la Figura 6.72 se puede apreciar que, al conectarse la batería de condensadores, la tensión en barras se recupera en parte y alcanza el valor de 130,62 kV (106,65 kV) en el régimen permanente. Es decir, la conexión de la batería de condensadores proporciona un incremento del 2,06 por cien sobre la tensión nominal de 132 kV.

[kV]

[6

[4

100

50

-50

Figura 6.72 Tensiones en el extremo receptor de la línea (SE 3)

-100

Si se analiza la evolución de las tensiones soportadas por la batería de condensadores a lo largo del transitorio de conexión (Figura 6.73), se observa que la fase R es la que sufre la mayor sobretensión y alcanza unos valores de pico de 63 010 V y - 60.625 V de tensión si mple por fase, lo cual supone una sobretensión del 1,7 p.u. [kV] 60

[3

IT

[3

40 20

o -20

Figura 6.73 Tensiones en la batería de condensadores

-40 -60

t[ms] :: CFB -CN

-CN

Por último, como ampliación del estudio realizado, se propone al lector la simulación del transitorio correspondiente a las siguientes maniobras: • Conexión del transformador en vacío con la línea ya energizada. • Energización de la línea con el transformador conectado. • Conexión fallida de la batería de conden sadores. Para este caso, conectar a tierra el neutro de la batería de condensadores y observar la evolución de

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las tensiones en cada fase de la batería. Suponer una maniobra con la siguiente secuencia: se cierran las fases R y S (por ejemplo a los 10 ms y 15 ms respectivamente) mientras que fa lla el cierre de la fase T que permanece abierta; en vista de las anomalías detectadas en la conexión, se abre el interruptor de la batería a los 160 ms.

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