Análisis de Sistemas de Potencia Empleando Digsilent Powerfactory

ANÁLISIS DE SISTEMAS DE POTENCIA EMPLEANDO DIGSILENT POWERFACTORY

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Tabla de contenido 1. Introducción .................................................................................................................... 3 2. Descripción ...................................................................................................................... 3 3. Manejo de power factory................................................................................................. 5 3.1.Inicio de sesión y Ventana de registro ...................................................................... 5 3.2. Ventana de licencia .................................................................................................. 7 3.3.Entorno de Power Factory.......................................................................................... 7 3.4.Administrador de la base de datos ............................................................................ 8 4. Elementos de la base de datos......................................................................................... 9 5. Guía para la administración de base de datos ............................................................... 11 5.1.Creación de proyectos ............................................................................................. 12 5.2. Administrador de datos. .......................................................................................... 14 5.3. Activar o desactivar proyectos ................................................................................ 16 5.4. Importar Proyectos y Bibliotecas ............................................................................ 16 6.

Sistema interconectado nacional .................................................................................. 17

7.

Bibliografía ..................................................................................................................... 19

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1. Introducción La complejidad de los sistemas de potencia ha crecido significativamente en los últimos tiempos, especialmente debido a la integración de energía renovable. En tal sentido, el análisis de los grandes sistemas de potencia modernos se ha transformado en un problema de complejidad creciente. Sin embargo, el acelerado desarrollo tecnológico ha permitido en tiempo reciente el desarrollo de programas de computación altamente eficientes para acometer los estudios de análisis de grandes sistemas de potencia. DIgSILENT PowerFactory, DIgSILENT PowerFactory es una muy poderosa herramienta de diseño asistido por computadora (CAD) en el análisis de sistemas eléctricos de potencia. Este programa permite al análisis de sistemas eléctricos de diversas aplicaciones: generación, transmisión, distribución e industrial. Este programa posee una característica de integración de funciones de cálculo y base de datos, que agiliza los cálculos, y combina capacidad de modelado flexible y altamente confiable con algoritmos de solución altamente eficientes. Uno de los más comunes procedimientos computacionales usados en el análisis de sistemas de potencia es el cálculo del flujo de potencia o flujo de cargas. La planificación, diseño y operación de los sistemas de potencia requieren de tales cálculos para analizar el desempeño en régimen estacionario (steady-state) del sistema de potencia bajo variadas condiciones de operación y estudiar los efectos del cambio en configuraciones y equipos.

2. Descripción Este curso teórico-práctico está enfocado al análisis de contingencias y del flujo óptimo de potencia en DIgSILENT PowerFactory. La primera parte del curso se enfoca en el análisis de fallas (n-1), (n-2), etc., la evaluación de los resultados y el análisis de la efectividad para la determinación de posibles medidas correctivas. La segunda parte se enfoca en el flujo óptimo de potencia y presenta las diferentes opciones de restricción, funciones objeto a minimizar, inicialización y evaluación de los resultados. Los estudios de flujo de potencia, es una herramienta muy importante de planificación, en forma muy simple, este determina el estado del sistema en condiciones de régimen estacionario. Sin embargo, en los sistemas de potencia reales, la solución del flujo de potencia en ocasiones requiere considerar una serie de restricciones para cumplir con una función objetivo, dando origen al denominado flujo de potencia óptimo (optimal power flow OPF). El OPF nace con el problema del despacho económico. Este problema empezó a ser discutido a partir de 1920, o quizá un poco antes, cuando se debió repartir la carga total del sistema entre el número de unidades de generación disponibles. Hoy por hoy, el problema de OPF es más complejo que nunca pues requiere de una gran cantidad de restricciones y posibles objetivos sumamente complicados. Algunas restricciones

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aplicadas pueden ser: (a) técnicas (por ejemplo pérdidas, límites de potencia reactiva, límites de potencia activa, etc.) (b) económicas (por ejemplo costo de generación, costo de combustible, etc.) o incluso (c) ambientales (emisiones de CO2). DIgSILENT PowerFactory incluye una función de cálculo de flujo de potencia óptimo (ComOpf), que es sumamente falible tanto en métodos de análisis como en restricciones. Este incluye tres métodos de optimización: Punto interior, Programación linear (LP) y programación lineal considerando restricciones de contingencia. De igual modo, permite considerar el control sobre una gran cantidad de dispositivos como despacho de generadores (potencia activa y reactiva), posición del cambiador de tomas, etc. DIgSILENT PowerFactory es versátil en cuanto al tipo de restricciones a considerar e incluye límite de flujo de potencia en ramas por ejemplo, que puede ser usado para limitar intercambios entre área. Algunos de los aspectos a considerar incluyen: • • • • • • • • • • • • • • •

Introducción al problema de flujo de potencia optimo Solución del flujo de potencia óptimo. Análisis de sensibilidad lineal. Métodos de programación lineal Flujo óptimo de potencia considerando restricciones de seguridad. Algoritmo de punto interior Costos incrementales de barra Función de Calculo de Flujo Optimo de Potencia (ComOpf) Configuración de la función de cálculo para flujo optimo. Optimización AC (método del punto interior) y DC (programación lineal) Variables de control y restricciones. Funciones objeto: minimización de costos, de pérdidas, de rechazo de carga Análisis de resultados. Precio marginal (marginal price) y sombra (shadow price) Configuración de la función de cálculo para Flujo Óptimo de Potencia con Restricción por Contingencia Optimización DC (programación lineal) con restricción por contingencias

Por otra parte, uno de los estudios más importante de la seguridad de sistemas es el análisis de contingencias. De este estudio puede hacer parte el sistema de generación y transmisión y eventualmente el sistema de distribución. Un sistema de potencia debe tener la habilidad de continuar operando bajo condiciones de falla. Esto sin embargo es dificil de lograr por los costos asociados. En lugar de esto, se considera que un sistema debe operar normalmente ante condiciones de contingencia simple, esto es, ante la aparición de un evento simple (n-1), o lo que es lo mismo, ante la salida de una línea de transmisión o cable, un transformador, un generador o una carga. Después de la salida de un elemento del sistema, este debe regresar a un estado de estabilidad en un nuevo punto de operación, dentro de los límites de voltaje y capacidad de los elementos permitidos. ANÁLISIS DE SISTEMAS DE POTENCIA EMPLEANDO DIGSILENT POWERFACTORY

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El DigSILENT PowerFactory es usado muy extensivamente alrededor del mundo para análisis de contingencias por muchas razones, pero entre ellas incluye poderosos algoritmos de solución para el flujo de potencia en condiciones normales y anormales que permiten acometer el análisis de contingencia en muy corto tiempo. PowerFactory permite considerar: (a) Single Time Phase Contingency Analysis y (b) Multiple Time Phase Contingency Analysis, y en ambos casos permite considerar una evaluación nonprobabilística (determinística). Además PowerFactory es muy poderoso en cuanto al tipo de contingencias a analizar, y además permite seleccionar condiciones posteriores a la contingencia como: Load shedding, re despacho de unidades de generación, operaciones de suicheo (apertura o cierre), cambio de tomas, etc. Algunos de los aspectos a considerar incluyen: • • • • • • • • • • • • •

Introducción a la seguridad de sistemas eléctricos de potencia. Estados de operación de los sistemas de potencia. Factores que afectan la seguridad de sistemas de potencia. Vista general al análisis de seguridad Factores de sensibilidad lineal (linear sensitivity factors) Flujo de potencia AC, métodos, consideraciones. Selección de contigencias Relajación concéntrica Bounding. Uso de la función de calculo de contingencias (ComSimoutage) en PowerFactory. Definición de casos (n-1), (n-2) etc. Análisis y presentación de los resultados: Reportes tipo texto, reporte tabulares Reproducción de los escenarios de contingencia Análisis de efectividad de generadores y QBs

3. Manejo de power factory En esta guía introductoria al software Power Factory 13.1, se indica en forma resumida los primeros pasos que debe dar el usuario para empezar a utilizar el programa. La instalación del software no presenta mayores complicaciones, al colocarse el CD se obtiene una guía que le asesora en todo el proceso, cabe recalcar que el usuario final del software debe escoger la opción denominada “Instalación completa”.

3.1. Inicio de sesión y Ventana de registro Power factory asegura la información en base a la creación de usuarios, los cuales pueden compartir la información a través del usuario denominado Administrador. Al Iniciar el programa con el ícono aparece una ventana de identificación:

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Los datos que se proporcionen en esta ventana dependerán del tipo de usuario según se indica a continuación: Nombre: Administrador Contraseña Predefinida: Administrador Características: El administrador no puede realizar ningún cálculo pero permite tener ingreso a la información de todos los usuarios, así como también permite crear y estructurar los sistemas y bases de datos.

Nombre: Demo Contraseña Predefinida: (no existe contaseña) Características: El demo únicamente permite observar algunos casos de ejemplo que vienen junto al software.

Nombre: Usuario ( persona que desee utilizar) Contraseña: Definida por el Usuario Características: Permite crear Base de datos, efectuar cálculos, realizar simulaciones. Para crear un usuario nuevo únicamente escriba un nombre de cuenta en la casilla nombre, y una contraseña, en la casilla correspondiente, al presionar OK el programa pregunta si desea crear un nuevo usuario, realice clic en Si. Cada vez que desee trabajar en un proyecto de su autoría tendrá que identificarse.

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3.2. Ventana de licencia Mediante esta ventana se indica al programa en donde buscar la llave física o la licencia según sea el caso, se debe tomar en cuenta las siguientes consideraciones:  Seleccionar “en el puerto local” si se tiene la llave física individual lista para colocarse en el computador.  Seleccionar “en la red (comunicación a través de archivos)” si la licencia está en un servidor. En ésta opción se debe indicar la dirección en donde se encuentra la licencia en la sección Directorio de Trabajo.  Seleccionar “en la red (comunicación a través de protocolos)” si la licencia esta en un servidor de red; si se selecciona esta opción se debe indicar la dirección IP del servidor.

3.3. Entorno de Power Factory Al hacer clic en OK en la ventana de registro, se ha iniciado la sesión y se observa la siguiente ventana:

En donde: 1. Barra de título 2. Barra de menús ANÁLISIS DE SISTEMAS DE POTENCIA EMPLEANDO DIGSILENT POWERFACTORY

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3. Barra de herramientas 4. Área de trabajo 5. Área de resultados 6. Barra de estado 7. Herramientas del área de resultados Todos las barras provistas por Power Factory 13.1 tienen la misma función que en cualquier programa básico de computación, por esta razón se menciona el uso del área de trabajo y área de resultados.1 Área de trabajo.- Muestra las hojas de trabajo en las cuales se esta implementando el proyecto, también hojas con resultados gráficos u hojas con diagrama de control. Área de resultado.- Muestra los resultados de la simulación efectuada, o errores en caso de existir.

3.4. Administrador de la base de datos La función de la base de datos es organizar la información existente en proyectos, casos de estudio, bibliotecas, archivos de resultados, etc. además permite abrir, guardar, compartir, copiar, cortar, editar archivos de información. La base de datos es la parte más importante de este programa, ya que cuando se crea un nuevo usuario éste pasa a ser parte de un árbol jerárquico en la que el usuario viene hacer la raíz de todos los archivos que se vayan creando. Todos los usuarios tienen el mismo nivel jerárquico, así como las bibliotecas y archivos comunes para todos los usuarios. Es posible ingresar a la base de datos, siguiendo la ruta: Archivo\Abrir un nuevo Administrador de base de Datos. Otra forma directa de ingresar es haciendo clic en el primer ícono de la barra de herramientas. Como se muestra en la figura 4.

Las carpetas y bibliotecas son la parte esencial del software Power Factory, con una base de datos bien estructurada, el proceso de creación y análisis de proyectos se vuelve fácil.

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4. Elementos de la base de datos Antes de mencionar los elementos de la base de datos, es conveniente mencionar que existen los siguientes tipos de carpetas: Representa la carpeta del usuario: bajo ésta se pueden organizar proyectos, casos de estudios y bibliotecas. Representa una carpeta de biblioteca: dentro de ésta se encuentran los elementos y equipamiento necesario para crear un sistema eléctrico como generadores, líneas, torres, etc. Representa una carpeta normal dentro de la cual se puede almacenar un conjunto de proyectos, o un conjunto de bibliotecas. Representa una carpeta de resultados; en la cual los datos solicitados se encuentran tabulados y accesibles para ser tratados en cualquier otro software.

Es posible visualizar en el Administrador de base de datos las siguientes herramientas:

En donde: 1. Íconos de desplazamiento.- Permiten desplazarse a niveles superiores, e inferiores dentro del árbol jerárquico. Los íconos están descritos de izquierda a derecha. 2. Íconos de edición.- Permiten crear, eliminar, cortar, copiar y pegar los elementos seleccionados en el árbol jerárquico. 3. Herramientas de usuario: Permite editar los archivos seleccionados, si selecciona una carpeta, permite cambiar su nombre, el tipo de carpeta o colocar una palabra clave para ser localizado rápidamente; si selecciona un proyecto, permite cambiar unidades, colocar una pequeña descripción, etc.

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Actualiza los elementos de la base de datos, colocando en primera prioridad los más utilizados. Amplia la ventana de subcarpetas, permite observar más datos acerca del objeto seleccionado, por ejemplo se ha seleccionado el archivo DFIGExample del usuario Demo, y se ha presionado el botón :

Han aparecido dos pestañas: Datos Flexibles, y Datos Básicos. La primera datos flexibles permite observar el archivo de variables con el cual se está trabajando; la segunda datos básicos únicamente permite observar aspectos generales de la carpeta seleccionada, como por ejemplo frecuencia del sistema.

Filtra los elementos que se encuentran dentro de una carpeta, por ejemplo si selecciona un proyecto y presiona este botón, se mostrará el ícono que permiten filtrar elementos específicos colocados en el proyecto, como generadores, barras, cacondensadores, etc Permite seleccionar el Archivo de variables o resultados con el cual se desea trabajar y de acuerdo al análisis que se necesite, desplegar flujo de carga, cortocircuitos u otro. Actualiza la base de datos.

Permite buscar un elemento determinado a través de filtros. También permite crear un nuevo filtro. Permite cambiar las fuentes con las que se muestran los datos en las ventanas. Permite mostrar una barra para introducir comandos de Power Factory.

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Permite importar un proyecto, bibliotecas, o archivos de DIgSILENT. Permite exportar un proyecto o una carpeta de datos. El proyecto debe estar desactivado para que se exporte de forma correcta

4. Área designada para el árbol jerárquico. 5. Área designada para mostrar subcarpetas de la carpeta seleccionada en el árbol jerárquico. 6. Área designada para introducir comandos.

5. Guía para la administración de base de datos Una vez concluida estos pasos es posible observar la base de datos del SNI al 2006 junto al diagrama unifilar en el software Power Factory, ésta base de datos incluye: 

   

Datos detallados de generadores que incluyen: impedancias, contantes de tiempo, constantes de inercia, sistema de regulación de voltaje, velocidad, y PSS con sus respectivas configuraciones. Impedancias y longitud de las líneas de transmisión del Sistema Nacional Interconectado. Datos de conductores utilizados en líneas de 138 kV y 230 kV Datos detallados de transformadores como: Reactancias de secuencia, taps configuración. Datos de compensación reactiva como: Posición y potencia.

Cuando se ingresa a Power Factory ya se ha creado una primera carpeta que tiene el nombre del usuario. Esta carpeta encabezará a los archivos y proyectos que se vayan a crear. Dentro de la carpeta del usuario se procede a crear una nueva carpeta para almacenar datos de generadores, líneas o cargas, es decir una biblioteca de usuario. Esto se logra únicamente haciendo clic derecho en el nombre de usuario luego clic en Nuevo y por último clic en Carpeta.

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La siguiente ventana que aparece permite crear carpetas de biblioteca o carpeta generales, una vez llenos los campos solicitados se da clic en OK.

5.1. Creación de proyectos

Para empezar a trabajar en PowerFactory se creará un nuevo proyecto. En la barra de herramientas File _ New apareciendo la ventana de la Figura 11. En lo que sigue, será el botón de edición y será el botón de opciones. En el botón de opciones se elige el directorio donde se quiere tener el nuevo proyecto (ya se ha dicho que en este estudio será FAG). En el botón de opciones se pueden agregar datos al directorio.

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Se observará que esta ventana es usada para crear otros tantos nuevos elementos. Para crear un nuevo proyecto debe seleccionarse Project como opción. Como nombre del nuevo proyecto puede elegirse el que se quiera. Presionando Execute, un nuevo proyecto será creado. Un proyecto debería contener al menos una red y al menos un caso de estudio. Una segunda ventana aparece para permitir al usuario especificar el nombre y la frecuencia nominal de la nueva red creada automáticamente. Tras presionar OK aparece la ventana de trabajo de PowerFactory

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5.2. Administrador de datos. El administrador de datos provee al usuario con todas las características para gestionar y mantener todos los proyectos y los datos de todas las etapas del sistema. Da tanto una vista completa del sistema como base de datos tanto como información detallada sobre los parámetros de los elementos del sistema de potencia y otros elementos. Pueden definirse nuevos casos de estudio, pueden añadirse nuevos elementos, nuevas etapas del sistema pueden ser creadas, activadas o eliminadas, los parámetros pueden cambiarse, copiarse, etc. Todas estas acciones pueden ser controladas a través del administrador de datos. Este administrador de datos usa una representación en forma de árbol de toda la base de datos al completo, en combinación con un versátil navegador de datos [6]. Si se presiona el primer icono de la barra de herramientas, , llamado New Data Manager aparece dicho árbol donde irán colgando todas las redes creadas del directorio creado para esto, en este caso FAG. La ventana del administrador de datos tiene las siguientes partes: 

La barra de título, que muestra el nombre y la ruta de la carpeta que actualmente está seleccionada en la base de datos

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La barra de herramientas local.

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En la parte superior izquierda de la ventana, se muestra una representación simbólica de árbol de la base de datos al completo



La parte inferior izquierda de la ventana puede ser usada por usuarios con experiencia para introducir comandos directamente en lugar de usar los comandos interactivos de botones y cuadros de diálogo. Por defecto esta parte de la ventana no se muestra. Para más información ver apartado 6.8 del manual de PowerFactory.

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Entre el árbol y la línea de entrada se muestra el listado histórico que puede ser usado para realizar cálculos en bloque.

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La ventana de entrada de comandos y el listado histórico son abiertos y cerrados por el icono.

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En la parte derecha se muestran los contenidos de la carpeta actual seleccionada.

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Por debajo del navegador de la base de datos o árbol y de la ventana de entrada se encuentra la barra de salida de mensajes que muestra el estado actual del administrador de datos.

Hay ciertas características especiales del administrador de datos a las que se puede acceder en cualquier momento cuando el contenido de una carpeta se está mostrando: 

Globo de texto: no sólo está disponible para los botones de la barra de herramientas y las partes activas de la barra de mensajes o del navegador, también para los campos de datos [a].

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Los cuadros de nombre en cada columna; hacer clic sobre cualquier nombre para ordenar el tipo en la columna; con el primer clic los tipos se ordenan en orden ascendente y con el segundo clic se ordenan en orden descendiente [b].

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Los botones de objeto muestran en la primera columna el icono estándar del elemento en el navegador de la base de datos: cada objeto está representado por un botón. Con un clic se selecciona el objeto y con dobleclic aparece la ventana de características o de edición del objeto en sí [c].

PowerFactory asigna muchas funciones al botón derecho del ratón. Cada objeto o carpeta puede ser seleccionado con el botón derecho para hacer aparecer un menú. Para el mismo objeto el menú presentará diferencias dependiendo de si el objeto seleccionado se encuentra en el lado derecho o izquierdo del administrador de datos, es lo que en el manual se le llama “context sensitive menus”. Generalmente, el lado izquierdo del administrador mostrará carpetas de objetos sólo; es decir, objetos que contienen otros objetos dentro. El lado derecho del administrador mostrará carpetas de objetos tanto como objetos individuales. 5.3. Activar o desactivar proyectos Para poder trabajar en un proyecto, éste debe estar activo, los siguientes pasos permiten activar o desactivar un proyecto: clic derecho en el nombre del proyecto y luego activar o desactivar según sea el caso. Al realizar este proceso se activa el proyecto junto a un Caso de Estudio, si se desea trabajar con otro caso de estudio se debe activarlo realizando clic derecho en el caso de estudio y presionando Activar. Únicamente se activará un proyecto por usuario o un solo caso de estudio por proyecto. Los proyectos y casos activos se identifican debido a que su ícono se torna rojo como se muestra para un caso de estudio:

Caso de estudio activo Caso de estudio inactivo o desactivado

5.4. Importar Proyectos y Bibliotecas Para este ejemplo se ha previsto la base de datos del SNI la cual se encuentra en el medio magnético del anexo 2. Para poder observarla es necesario que se desactive todos los proyectos. Como primer paso es necesario ubicarse en el nombre de usuario de la base de datos y presionar el ícono para proceder a buscar el archivo Biblioteca Ecuador.dz. Luego presionando el mismo ícono abrir el archivo ANÁLISIS DE SISTEMAS DE POTENCIA EMPLEANDO DIGSILENT POWERFACTORY

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Unifilar Zonas-SNI.dz, por último activar el archivo Ecuador Agosto 16 0 MW.dz . En el archivo abierto es posible observar todo el SNI en varias hojas. Mediante el ícono se puede obtener un filtro para verificar todas las características de los elementos del sistema.

6. Sistema interconectado nacional El diagrama del sistema interconectado nacional descargado de www. Coes.org.pe Base Datos del SEIN DigSILENT 2014-2018_Dic2013 se encuentra en el Cd adjunto del informe.

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7. Bibliografía      

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http://dspace.ucuenca.edu.ec/bitstream/123456789/4325/1/TESIS.pdf http://www.digsilent.de/bottoms/DemoVersion/V141/Whats_New_V14.1.pdf http://www.slideshare.net/pesfieeunac3/gua-bsica-de-digsilent-power-factory http://jlmatosmeza.blogspot.com/p/digsilent-14.html http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/877/1/CD-1742(2008-10-14-1034-14).pdf http://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/16829/TFG_VICTOR_RODRIGUEZ_FER RERO.pdf?sequence=1 http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/708/1/CD-1655(2008-08-05-1004-56).pdf http://www.asep.gob.pa/electric/Anexos/ANEXO_31_expa.pdf

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