ATP-B1_Guia

CURSO ATP – GUIA BÁSICA

Asociación de Ingenieros Electricistas Universidad de Antioquia Ing Juan Fdo Piñeros Saldarriaga

TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 9 1.

2.

3.

4.

5.

6.

QUÉ ES EL ATP ............................................................................................... 10 1.1

Historia del ATP ................................................................................................. 10

1.2

Licencia ............................................................................................................ 10

ESTRUCTURA ................................................................................................. 10 2.1

Estructura Interna .............................................................................................. 11

2.2

Estructura Externa ............................................................................................. 12

CAPACIDADES ............................................................................................... 13 3.1

Componentes .................................................................................................... 13

3.2

Número de elementos ......................................................................................... 14

3.3

Aplicaciones ...................................................................................................... 14

FUENTES DE INFORMACIÓN........................................................................... 15 4.1

Manuales y documentación .................................................................................. 15

4.2

Recursos web .................................................................................................... 15

4.3

Referentes a nivel nacional .................................................................................. 15

INSTALACIÓN DEL ATP-ATPDRAW ................................................................. 16 5.1

Verificar existencia del atp y archivos de arranque ................................................... 16

5.2

Ajustar el archivo por lotes (.bat) que conecta el ATPDraw con el ATP ......................... 16

5.3

Configurar el ATPDraw ........................................................................................ 17

5.4

Actividades a realizar .......................................................................................... 19

FUNDAMENTOS DE MODELADO ...................................................................... 20 6.1

Qué es un modelo? ............................................................................................. 20

6.2

Qué es un escenario? .......................................................................................... 21

6.3

Modelos de los principales componentes de sistemas eléctricos .................................. 21

6.4

El proceso de la simulación .................................................................................. 22

6.4.1 Configuración de la simulación – Tipo de simulación ........................................................... 23 6.4.2 Configuración de la simulación – delta t ........................................................................... 24

7.

DESCRIPCIÓN BÁSICA DEL ATPDRAW ........................................................... 25 7.1

Menú File .......................................................................................................... 25

7.2

Menú Edit ......................................................................................................... 25

7.3

Menú ATP ......................................................................................................... 26

7.3.1 Settings ..................................................................................................................... 27

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8.

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7.4

Otros menús ..................................................................................................... 28

7.5

Menú de componentes ........................................................................................ 28

7.6

Actividad .......................................................................................................... 29

DESCRIPCIÓN Y ASPECTOS CLAVE DE LOS ELEMENTOS MÁS UTILIZADOS EN ATP ................................................................................................................ 30 8.1

Medidores ......................................................................................................... 30

8.1.1 Aspectos clave medidores .............................................................................................. 30

8.2

Fuentes ............................................................................................................ 31

8.2.1 Aspectos clave fuentes .................................................................................................. 34

8.3

EL Splitter (ATPDraw) ......................................................................................... 34

8.4

Bobinas y Condensadores .................................................................................... 35

8.5

Elementos RLC .................................................................................................. 36

8.5.1 Aspectos clave ramas RLC ............................................................................................. 36

8.6

Interruptores ..................................................................................................... 37

8.7

Componentes de Líneas ...................................................................................... 38

8.7.1 Aspectos Clave Componentes de línea. ............................................................................ 41

8.8

LCC ................................................................................................................. 41

8.9

Transformadores – BCTRAN ................................................................................. 47

8.9.1 Aspectos clave BCTRAN................................................................................................. 48

9.

PRÁCTICAS Y MÉTODOS RECOMENDADOS ..................................................... 48 9.1

Uso de Parámetros y el Pocket Calculator ............................................................... 48

9.1.1 Pocket Calculator ......................................................................................................... 50

9.2

Nomenclatura .................................................................................................... 53

9.3

Agrupamiento .................................................................................................... 55

9.3.1 Procedimiento básico .................................................................................................... 56

9.4

Edición de Íconos ............................................................................................... 58

9.5

Manejo de Errores .............................................................................................. 61

9.5.1 Técnica para el descubrimiento del elemento con problemas. ............................................... 62 9.5.2 Errores más comunes ................................................................................................... 63

9.6

Graficación con TOP 2000 .................................................................................... 64

9.6.1 Carga de variables ....................................................................................................... 64 9.6.2 Selección de tipo de gráfica ........................................................................................... 64 9.6.3 Generación de Tablas ................................................................................................... 65 9.6.4 Funciones para curvas de simulación y referencia .............................................................. 65 9.6.5 Práctica ...................................................................................................................... 67

10.

EQUIVALENTES DE RED ................................................................................. 68 10.1 Qué es un equivalente de red? ............................................................................. 68 10.2 Qué aspectos se consideran en un equivalente de red? ............................................. 68 10.3 Práctica ............................................................................................................ 71

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10.3.1 Equivalentes de cortocircuito.......................................................................................... 71 10.3.2 Cálculo de impedancias de secuencia ............................................................................... 71 10.3.3 Actividades adicionales ................................................................................................. 73

11.

CASO DE ESTUDIO: CÁLCULO DE GPR EN DISTRIBUCIÓN .............................. 74 11.1 El concepto del GPR y la distribución de corrientes a tierra ........................................ 74 11.2 Distribución de corrientes a tierra ......................................................................... 75 11.3 Procedimiento básico .......................................................................................... 75 11.4 Valores de GPR .................................................................................................. 76 11.5 Práctica ............................................................................................................ 77 11.5.1 Actividades a realizar .................................................................................................... 80

REFERENCIAS ........................................................................................................ 82

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LISTA DE TABLAS Tabla 1 Documentación básica del ATP .................................................................................. 15 Tabla 2 Recursos web ......................................................................................................... 15 Tabla 3 Referentes a nivel Nacional ....................................................................................... 15 Tabla 4 Rangos de frecuencias para la modelación de equipos [5] .............................................. 22 Tabla 5 Recomendaciones de Nomenclatura............................................................................. 54 Tabla 6 Aspectos clave equivalentes de red ............................................................................ 68 Tabla 7 Valores de GPR ....................................................................................................... 76

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 Ejemplo de un archivo plano de entrada para el ATP .................................................... 11 Figura 2 Estructura Interna del ATP ....................................................................................... 12 Figura 3 Programas de apoyo y extensiones de archivo ............................................................ 13 Figura 4 Ejecutable ATP y archivos de arranque....................................................................... 16 Figura 5 Archivo de enlace ATPDraw - ATP ............................................................................. 16 Figura 6 Archivos ATPDraw .................................................................................................. 18 Figura 7 Configuración del ATPDraw - enlaces ......................................................................... 18 Figura 8 Configuración del ATPDraw - directorios ..................................................................... 19 Figura 9 Configuración del ATPDraw – comandos de graficación ................................................. 19 Figura 10 Estructura general de un modelo............................................................................. 20 Figura 11 Ejemplo de dos modelos para un mismo elemento ..................................................... 21 Figura 12 El proceso de la simulación [7] ............................................................................... 23 Figura 13 Menú File ............................................................................................................ 25 Figura 14 Menú Edit ........................................................................................................... 26 Figura 15 Menú ATP............................................................................................................ 27 Figura 16 ATP Settings ........................................................................................................ 28 Figura 17 Menú de componentes .......................................................................................... 29 Figura 18 Medidores ............................................................................................................ 30 Figura 19 Medidores ............................................................................................................ 31 Figura 20 Fuente AC Monofásica ............................................................................................ 32 Figura 21 Fuente AC Trifásica ................................................................................................ 32 Figura 22 Fuente AC Trifásica – Fases y codificación.................................................................. 33 Figura 23 Formas de onda Impulso más utilizadas .................................................................... 33 Figura 24 Parámetros Fuente Impulso Heidler .......................................................................... 34 Figura 25 Splitter ................................................................................................................ 34 Figura 26 Detalle Bobina y Capacitor ...................................................................................... 35 Figura 27 Ramas RLC disponibles ........................................................................................... 36 Figura 28 Interruptor controlado por tiempo ............................................................................ 37 Figura 29 Interruptor trifásico con operación monopolar ............................................................ 38 Figura 30 Línea Trifásica Simétrica Acoplada ............................................................................ 39 Figura 31 Línea Trifásica Modelo PI ........................................................................................ 40 Figura 32 Línea trifásica parámetros distribuidos ...................................................................... 41 Figura 33 Ventana principal del componente LCC ...................................................................... 42 Figura 34 Segmented ground (Explicación-TheoryBook)............................................................. 43 Figura 35 Ingreso de datos línea aérea sin haz ......................................................................... 43 Figura 36 Variables Autobunding ........................................................................................... 44

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Figura 37 LCC vista principal para cables monopolares .............................................................. 44 Figura 38 Componentes típicos de un cable de media tensión ..................................................... 45 Figura 39 Entrada de datos de cables ..................................................................................... 45 Figura 40 LCC vista principal Tubería - Envolvente .................................................................... 46 Figura 41 LCC vista ventana BCTRAN ..................................................................................... 47 Figura 42 Definición de un parámetro ..................................................................................... 49 Figura 43 Operadores FORTRAN ............................................................................................ 49 Figura 44 Configuración de la variación de parámetros .............................................................. 50 Figura 45 Salida de archivos gráficos simulación paramétrica...................................................... 52 Figura 46 Ejemplo de Nomenclatura ....................................................................................... 53 Figura 47 Ejemplo de congestión del área de trabajo por vanos de líneas ..................................... 55 Figura 48 Ejemplo para ilustrar el agrupamiento....................................................................... 56 Figura 49 Ventana configuración de grupo ............................................................................... 57 Figura 50 Resultado de la agrupación ..................................................................................... 57 Figura 51 Edición de definiciones ........................................................................................... 58 Figura 52 Ventana de configuración definiciones ....................................................................... 59 Figura 53 Ventana del editor Vector ....................................................................................... 59 Figura 54 Ventana del editor bitmap ....................................................................................... 60 Figura 55 Error típico vista consola ........................................................................................ 61 Figura 56 Error de entrada de datos ....................................................................................... 62 Figura 57 Algoritmo básico solución de errores ......................................................................... 62 Figura 58 Carga de variables en TOP 2000 .............................................................................. 64 Figura 59 Opciones para hacer una gráfica .............................................................................. 65 Figura 60 Opciones para generación de tablas de información..................................................... 65 Figura 61 Ventana de operaciones sobre gráficas. ..................................................................... 66 Figura 62 Ventana generación funciones de referencia ............................................................... 66 Figura 63 Gráficas de ejemplo Programa TOP 2000 ................................................................... 67 Figura 64 Diagrama de la red propuesta para la práctica ............................................................ 67 Figura 65 Concepto de equivalente de red .............................................................................. 68 Figura 66 Equivalente de red con red para emular respuesta frecuencia de resonancia. .................. 69 Figura 67 Equivalente de red dinámico................................................................................... 70 Figura 68 Resultados de impedancias para el primer equivalente ................................................ 72 Figura 69 Componente LINESY_3 - Symmetric RL coupled line ................................................... 73 Figura 70 Ejemplo del primer equivalente de red ..................................................................... 73 Figura 71 Concepto de tierra remota ...................................................................................... 74 Figura 72 Distribución de corrientes en falla monofásica para un sistema de distribución multiaterrizado - esquema. .............................................................................................................. 75 Figura 73 Distribución de corrientes en falla monofásica para un sistema de distribución multiaterrizado - circuito. ................................................................................................................ 75 Figura 74 Datos de la subestación .......................................................................................... 77 Figura 75 Datos de los tramos del circuito ............................................................................... 77

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Figura 76 Datos de la configuración de la red aérea .................................................................. 78 Figura 77 Datos de corrientes de cortocircuito en el punto de conexión dadas por el OR .................. 78 Figura 78 Datos de los cables de la red aérea .......................................................................... 79 Figura 79 Datos del cable enterrado ....................................................................................... 79 Figura 80 Construcción cable neutro concéntrico 15 kV .............................................................. 80

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INTRODUCCIÓN

La simulación de sistemas eléctricos es y será una parte vital de la Ingeniería Eléctrica principalmente porque facilita la comprensión de los diferentes fenómenos de los sistemas eléctricos. Esta guía es un compendio de varias charlas dadas de un curso básico sobre el programa de simulación ATP (Alternative Transients Program) al interior de la empresa Ingeniería Especializada S.A. a quien agradezco el permitir compartir este material. La guía viene acompañada de videotutoriales que facilitan el aprendizaje de los interesados. La primera parte describe la historia, las capacidades, la estructura del programa, la instalación y las principales fuentes de información. En el capítulo 6 se da una breve documentación sobre el modelado de elementos de los sistemas eléctricos el cual constituye un pilar en el proceso de simulación. A partir del capítulo 7 se presenta la compilación de los aspectos más importantes para la realización de simulaciones a nivel básico. La metodología del curso es aprender haciendo, esta guía constituye una referencia base en la cual se han propuesto algunas actividades y prácticas. Durante el curso se harán prácticas adicionales de acuerdo con el perfil de los participantes. Finalmente agradezco en primer lugar a la Asociación de Ingenieros Electricistas de la Universidad de Antioquia por brindar el espacio para dar este curso. En segundo lugar agradezco cualquier retroalimentación, esta es la primera versión de este documento el cual evolucionará con el aporte de los participantes y demás personas interesadas en el aprendizaje del ATP. Pueden escribirme a [email protected].

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1.

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QUÉ ES EL ATP

El ATP (Alternative Transients Program) es un programa para simulación de sistemas eléctricos enfocado a la simulación de transitorios electromagnéticos y electromecánicos en sistemas polifásicos. Fue desarrollado a partir del EMTP.

1.1

Historia del ATP

El EMTP (ElectroMagnetic Transient Program) fue desarrollado en su versión inicial por el Dr Hermann Dommel durante la década del 60 en Alemania, los principios operativos del programa pueden ser consultados en el artículo “DIGITAL COMPUTER SOLUTION OF ELECTROMAGNETIC TRANSIENTS IN SINGLE AND MULTIPHASE NETWORKS” publicado en 1969 [1]. En resumen el programa usa la matriz de admitancias, el método de las características de Bergeron para los elementos distribuidos y la solución de ecuaciones se realiza mediante la integración trapezoidal [9]. A partir de 1973 Scott Meyer asumió la coordinación del desarrollo del programa y en la década del 80 debido a diferencias ocasionadas por la intención de comercialización del EMTP por parte de la EPRI se crea el ATP. A lo largo de toda la historia muchas personas han contribuido tanto a nivel de su estructura interna como a nivel externo desarrollando programas para facilitar su utilización, uno de los más importantes es la interfaz gráfica ATPDraw que comenzó su desarrollo a finales de los 80. La interfaz gráfica facilitó el trabajo con el ATP dado que esta se encarga de generar el archivo plano en el formato rígido que contiene la descripción de la red y la configuración de la simulación. En Colombia de acuerdo al prólogo de la referencia [13] el ATP se introdujo en el año 1985 por el ingeniero Luis Fernando Blandón (Q.E.P.D.) de la oficina de Planeación de ISA luego de un viaje de capacitación a Brasil.

1.2

Licencia

El ATP no es de dominio público, sin embargo, está disponible para cualquier persona que acepte voluntariamente no participar en la comercialización. En general se prefieren los licenciamientos para organizaciones. El procedimiento e información adicional sobre el licenciamiento puede ser consultado en la página oficial del ATP http://www.emtp.org/

2.

ESTRUCTURA

El ATP es un programa ejecutable escrito en FORTRAN que lee archivos planos que contienen la configuración de la simulación, la descripción del sistema a simular y la descripción de variables a registrar. Es posible escribir los archivos planos manualmente teniendo en cuenta una serie de reglas descritas en el RuleBook, sin embargo no es algo práctico y para redes complejas se vuelve una labor tediosa. Para hacer las cosas más fáciles y prácticas el ATP se apoya en varios programas externos e internos que facilitan el trabajo. La Figura 1 muestra un ejemplo del archivo plano para un circuito monofásico de AC con dos resistencias.

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Figura 1 Ejemplo de un archivo plano de entrada para el ATP

2.1

Estructura Interna

El ATP es un programa que se compone de un núcleo y subrutinas de apoyo, la Figura 2 muestra la estructura interna del ATP. El núcleo es el programa que se encarga de realizar la solución de las ecuaciones en el dominio del tiempo o la frecuencia para la red bajo simulación. El núcleo interactúa con elementos de control TACS y elementos descritos a través del lenguaje de simulación MODELS, estos elementos junto con el núcleo conforman el bloque de simulación del ATP. Los programas de soporte tienen las siguientes funciones: •

Calculo de parámetros de líneas y cables (LCC)

•

Generación de modelos de línea especiales (JMarti, Semlyen, Noda)

•

Cálculo de parámetros de modelos de transformadores (BCTRAN, XFORMER)

•

Conversión de curvas de saturación e histéresis (Satura, Hysdat)

•

Generación de Módulos

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Figura 2 Estructura Interna del ATP

2.2

Estructura Externa

Los programas externos facilitan el trabajo con el ATP, hay dos aspectos clave, la entrada de datos y la visualización de resultados, en estos aspectos se utilizan programas externos, para la generación del archivo plano y la gestión de las subrutinas internas se utiliza el programa ATPDraw, para la visualización se utilizan programas como el PLOTXY o el TOP2000. La Figura 3 describe la estructura externa (programas de apoyo) y las extensiones de los archivos relacionados.

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Figura 3 Programas de apoyo y extensiones de archivo El ATPDraw es en esencia una Interfaz gráfica que interpreta los gráficos correspondientes a modelos y conexiones y a partir de éstos codifica el archivo plano que lee el ATP. El programa ATPDraw además de generar el archivo plano se encarga de cargar el ATP y hacer que procese el archivo plano correspondiente a la simulación, toda esta labor requiere que también se encargue de la gestión de archivos y por ello necesita una configuración de directorios además de la configuración para cargar el ATP.

3.

CAPACIDADES

Todo lo descrito en este numeral es tomado del sitio web oficial.

3.1

Componentes

El programa cuenta con los siguientes componentes •

Ramas lineales RLC acopladas y desacopladas

•

Líneas de transmisión y cables con parámetros distribuidos y parámetros distribuidos variables con la frecuencia

•

Resistencias, inductancias no lineales

•

Componentes con no linealidades – Transformadores con saturación e histéresis, descargadores de sobretensiones.

•

Interruptores estadísticos

sencillos,

dependientes

13

del

tiempo

y

el

voltaje,

interruptores

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•

Diodos, tiristores, triacs

•

Fuentes AC, impulso, rampa, exponencial, definidas por el usuario.

•

Máquinas de inducción y máquinas sincrónicas.

•

Componentes definidos por el usuario mediante MODELS

3.2

Número de elementos

El ATP soporta gran cantidad de elementos generalmente suficientes para cualquier tipo de red. •

Buses

•

Ramas

•

Interruptores

•

Fuentes

•

Elementos no lineales

2250

•

Maquinas Sincrónicas

90

3.3

6000 10000 1200 900

Aplicaciones

A continuación se listan las aplicaciones del ATP •

Estudios de sobrevoltajes por rayo

•

Transitorios de maniobra y fallas

•

Estudios de sobretensiones estadísticos y determinísticos

•

Transitorios de alta frecuencia en GIS

•

Modelado de máquinas

•

Estabilidad transitoria, arranque de motores

•

Oscilaciones torsionales

•

Maniobra de transformadores, reactores y bancos de compensación

•

Ferroresonancia

•

Aplicaciones de electrónica de potencia

•

Arco eléctrico en interruptores, chopeado de corriente

•

Dispositivos FACTS, STATCOM, SVC, UPFC, TCSC

•

Análisis armónico y resonancia de red

•

Pruebas de relés de protección

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4.

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FUENTES DE INFORMACIÓN

En este capítulo se darán las principales referencias alrededor del ATP y los programas asociados.

4.1

Manuales y documentación

Los libros fundamentales del ATP tratan los temas de operación y reglas de conformación de archivo de entrada y la teoría sobre los modelos implementados. La Tabla 1 lista la principal documentación. Tabla 1 Documentación básica del ATP Nombre

Descripción

RuleBook

Libro de reglas para la utilización del programa.

TheoryBook

Libro con la teoría de los modelos implementados.

Users guide to MODELS in ATP

Guía de usuario del lenguaje MODELS

ATPDraw User Manual 3.5

Manual del ATPDraw

ATPDraw Updates 5.3

Complemento al Manual del ATPDraw con las últimas mejoras

ATPDraw presentation

Presentación del ATPDraw

The plotting programs PlotXY and PlotXWin

Manual del programa PlotXY

TOP User Guide

Manual usuario del programa TOP

4.2

Disponible en:

Solicitud a grupos de usuarios del ATP

http://www.elkraft.ntnu.no/atpdraw/

Solicitud a grupos de usuarios del ATP http://www.pqsoft.com/top/

Recursos web Tabla 2 Recursos web Dirección

4.3

Descripción

http://www.emtp.org/ http://www.elkraft.ntnu.no/atpdraw/

Sitio oficial - Canadian/American EMTP User Group Sitio oficial ATPDraw

http://www.eeug.org

European EMTP-ATP Users Group

Referentes a nivel nacional Tabla 3 Referentes a nivel Nacional Nombre

Jaime A. Blandón

Institución

Correo

Ingeniería Especializada S.A.

[email protected]

Jorge H. Gutierrez

HMV Ingenieros

[email protected]

Guillermo Vinasco

Interconexión Eléctrica S.A. (coordinador de ATP Colombia)

[email protected]

Leonardo Cardona

Empresas Públicas de Medellín

[email protected]

Ferley Castro

Universidad del Valle (coordinador de ATP Colombia)

[email protected]

Javier Herrera

Universidad Nacional de Colombia

Eduardo Cano

Universidad Nacional de Colombia Manizales (coordinador de ATP Colombia)

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[email protected] sede [email protected]

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5.

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INSTALACIÓN DEL ATP-ATPDRAW

Es importante anotar que el ATP no se instala, básicamente el proceso de instalación consiste en configurar el ATPDraw para que pueda llamar al ATP y hacer que procese el archivo plano correspondiente a la simulación deseada. A continuación se explica brevemente el proceso de instalación.

5.1

Verificar existencia del atp y archivos de arranque

La versión del ATP que se usará es GNU-Mingw32 (TPBIG.exe), este ejecutable debe tener en la carpeta que se encuentre los dos archivos de arranque, el startup y el listsize.dat

Figura 4 Ejecutable ATP y archivos de arranque Se debe identificar la ruta donde se encuentran estos archivos. Por ejemplo estos archivos están en la ruta: C:\atp\atpdraw\Watdir

5.2

Ajustar el archivo por lotes (.bat) que conecta el ATPDraw con el ATP

EL ATP (archivo tpbig.exe) se ejecuta por DOS, es decir que es una aplicación de tipo consola, por ello hay que llamarla y dar los parámetros para que procese el archivo deseado. Este proceso de llamar el tpbig.exe incluye también la carga de los archivos de arranque y la configuración del directorio de trabajo para la ejecución del programa. Para esta labor se usa un archivo por lotes también llamado de comandos que tiene extensión .bat La Figura 5 muestra el archivo que se utilizará.

Figura 5 Archivo de enlace ATPDraw - ATP El contenido de este archivo es el siguiente:

path c:\atp\atpdraw\watdir;C:\windows\command set atpdir=c:\atp\atpdraw\watdir copy c:\atp\atpdraw\watdir\startup copy c:\atp\atpdraw\watdir\listsize.dat c:\atp\atpdraw\watdir\TPBIG.EXE both %1 * -R Pause

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El texto en negrita corresponde a las rutas que deben ser congruentes con la ubicación de los archivos tpbig.exe, startup y listsize.dat, por eso constituye un paso de la instalación ajustar estas rutas de acuerdo a la ubicación de los archivos del ATP. La palabra Pause realiza una pausa al terminar el proceso de ejecución, esto permite ver si hay errores directamente en la consola, sin embargo si se quiere hacer que la ventana de la consola se cierre automáticamente se puede eliminar Pause o agregar la palabra rem antes de pause con lo cual la orden sería ignorada.

5.3

Configurar el ATPDraw

El ATPDraw se baja de la página siguiente: http://www.elkraft.ntnu.no/atpdraw/ Es importante anotar que el ATP no se suministra en esta página, solo se suministra el ATPDraw. En la página señalada se puede bajar la imagen con todos los archivos o un instalador que básicamente descomprime el paquete en la ruta indicada. La Figura 6 muestra los archivos una vez descomprimidos en una ruta seleccionada. La configuración del ATPDraw comprende dos aspectos, el primero el ajuste del enlace con el ATP, con el editor de texto y con el graficador, hay otras enlaces que no se explicarán en esta práctica. En primer lugar se accede al ATPDraw, en el menú Tools se da en options y se selecciona la pestaña Preferences, en esta pestaña se deben asignar las rutas de: el ejecutable del editor de texto, el archivo de enlace del atp y el ejecutable del programa graficador, al terminar se debe dar save, esto es importante y no debe olvidarse de lo contrario se tendrá que reconfigurar de nuevo el ATPDraw cuando se vuelva a utilizar. La Figura 7 muestra un ejemplo. En segundo lugar se verifican las rutas de los directorios, deben quedar para efectos de configuración inicial en el mismo directorio donde está el ejecutable del ATPDraw. La Figura 8 muestra un ejemplo.

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Figura 6 Archivos ATPDraw

Figura 7 Configuración del ATPDraw - enlaces

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Figura 8 Configuración del ATPDraw - directorios Finalmente se verifica que el comando de graficación esté correctamente asignado seleccionando del menú ATP la opción Edit Commands… para lo cual se verifica la ruta y si se desea se pueden añadir alternativas como el PLOT para graficar buscando la ruta donde se encuentra el ejecutable del graficador. No se debe olvidar presionar update una vez realizados los ajustes. La Figura 9 presenta un ejemplo.

Figura 9 Configuración del ATPDraw – comandos de graficación

5.4

Actividades a realizar

1. Identifique cada uno de los archivos mencionados. 2. Instale el ATP en una ruta asignada 3. Construya un circuito básico con una fuente DC y una resistencia (para sacar los elementos dar clic derecho y seleccionar la fuente DC en Sources y la resistencia en Branch linear), realice la simulación (con F3 se configura y con F2 se corre)e identifique los archivos generados (busque la carpeta ATP y observe los archivos genrados), busque el archivo plano y ábralo con el bloc de notas, comente su estructura. 19

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6.

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FUNDAMENTOS DE MODELADO

El correcto uso de cualquier software de simulación se enfoca en primer lugar a la correcta selección de modelos en cuanto al tipo de modelo y los datos de entrada del modelo y en segundo lugar en la correcta selección del escenario de simulación.

6.1

Qué es un modelo?

Un modelo es un esquema teórico generalmente en forma matemática utilizado para representar un elemento con el fin de estudiar su comportamiento. El esquema básico de un modelo se muestra en la Figura 10. El núcleo de un modelo es la formulación matemática, la cual de acuerdo al fenómeno de interés tendrá un campo o escenario de aplicación. La formulación está basada en ecuaciones matemáticas que incluyen variables de entrada, salida y parámetros. El escenario donde se usa un modelo tiene un inicio o punto de arranque, a su vez el modelo también tendrá que ser iniciado y para esto se usan las condiciones iniciales que son de gran importancia debido que afectan el comportamiento de las variables. Por lo general aunque es posible desarrollar modelos que abarquen todos los posibles escenarios, en la práctica no es usual tener un modelo para todo porque se tendría un modelo muy complejo y en la mayoría de casos no sería necesario. La Figura 11 ilustra el caso de dos modelos para el mismo elemento, cada modelo se aplica para un escenario distinto. La premisa fundamental en cuanto a modelos es: “el modelo siempre debe ajustarse a la realidad y nunca tratar de ajustar la realidad al modelo”.

Figura 10 Estructura general de un modelo

20

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Figura 11 Ejemplo de dos modelos para un mismo elemento

6.2

Qué es un escenario?

En el contexto de la simulación de sistemas eléctricos un escenario se refiere al conjunto de parámetros globales y circunstancias en las cuales se tiene un comportamiento específico de los elementos de un sistema. Un escenario comprende el tiempo inicial, final, parámetros globales comunes a los modelos de los elementos y circunstancias o estados En la simulación de sistemas eléctricos hay un parámetro global que establece los principales escenarios de simulación, el parámetro es la frecuencia, la cual modifica la formulación de los modelos. Hay dos grandes divisiones a la hora de hacer simulaciones y modelos, la simulación de estado estable y la simulación de fenómenos transitorios.

6.3

Modelos de los principales componentes de sistemas eléctricos

Los modelos de los componentes de los sistemas eléctricos dependen fundamentalmente de la frecuencia, esto se debe principalmente a que a bajas frecuencias, bajo la aproximación circuital las componentes inductivas son más significativas que las capacitivas, a medida que aumenta la frecuencia, se hacen importantes las componentes capacitivas y el fenómeno de la propagación y los diferentes modos cobra importancia. El parámetro de la resistencia es variable con la frecuencia debido al efecto piel y debe considerarse a altas frecuencias. Tener un modelo que abarque todas las frecuencias no es práctico, para efectos de modelación y simulación de fenómenos transitorios se hace una división considerando los tipos de eventos más importantes. La división se muestra en la Tabla 4 basada en lo que plantea la referencia [5].

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Tabla 4 Rangos de frecuencias para la modelación de equipos [5] Variable

Eventos

VENTANAS DE ANÁLISIS I Temporales

II Maniobras, frente lento

III

IV

Rayo, frente rápido

Voltajes de recuperación, Frente muy rápido

0.3 MHz < f1 Rango Frecuencia

10 Hz < f

2 kHz < f

25 kHz < f

< 100 MHz

< 500 Hz

< 10 kHz

< 5 MHz

30 kHz < f 2 < 300 kHz

Tiempos

0.03 s ≤ Tt ≤ 3600 s

20 µ s ≤ TP

0.1 µ s ≤ T1

≤ 5000 µ s

≤ 20 µ s

T2 ≤ 20 ms

T2 ≤ 300 µs

3 ns ≤ Tf ≤ 100 ns

Forma de onda

En el capítulo 3 de la referencia [14] se da una síntesis sobre los modelos de los componentes de los sistemas eléctricos.

6.4

El proceso de la simulación

De acuerdo con lo anterior el proceso de la simulación consiste en definir un problema y recopilar los datos necesarios que permitan identificar el escenario y los modelos adecuados para realizar la simulación. La Figura 12 presenta el esquema básico del proceso de simulación

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Figura 12 El proceso de la simulación [7]

6.4.1 Configuración de la simulación – Tipo de simulación En la simulación de sistemas eléctricos existen varios tipos de simulación en general se puede hablar de simulación en el dominio del tiempo (transitoria) y en el dominio de la frecuencia (barrido en frecuencia o flujo armónico). Es importante definir de acuerdo con el estudio a realizar cual es el tipo de simulación que se requiere. 23

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6.4.2 Configuración de la simulación – delta t Configurar la simulación es un paso de gran importancia en cualquier tipo de simulación, básicamente los programas tienen diferentes opciones para hacer la simulación éstas deben ser ajustadas de acuerdo a las necesidades. Un parámetro clave en simulaciones transitorias en el paso de simulación o ∆t En cualquier simulación realizada, el tiempo de paso para la solución numérica de las ecuaciones debe ser congruente con la velocidad máxima del escenario, es decir el tiempo de paso debe ser por lo menos una décima parte del periodo correspondiente a la máxima frecuencia observada en el escenario. El tiempo de paso debe ser siempre menor al tiempo de viaje de cualquier elemento de propagación en la simulación. Cuando se tengan dudas sobre el valor seleccionado se pueden comparar diferentes tiempos de paso y cuando los cambios no sean importantes indicará que se ha encontrado un tiempo de paso adecuado.

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7.

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DESCRIPCIÓN BÁSICA DEL ATPDRAW

A continuación se explican brevemente los aspectos básicos del ATPDraw.

7.1

Menú File

La Figura 13 presenta las opciones del menú File, el cual contiene las opciones generales para crear, abrir o guardar archivos, también se cuenta con la opción Import que extrae de un archivo seleccionado el contenido al área de trabajo del archivo actual. La opción save Metafile se usa para guardar la gráfica del modelo como Metafile.

Figura 13 Menú File

7.2

Menú Edit

La Figura 14 presenta las opciones del menú Edit en el cual se tienen las opciones generales de deshacer, rehacer, cortar, copiar y pegar elementos del área de trabajo, duplicar y eliminar. La opción seleccionar permite filtrar lo que se quiere seleccionar. La opción edit text permite modificar comentarios realizados en el modelo. Cualquier elemento puede ser rotado con las opciones Rotate R ó L copiarse en forma simétrica.

y también puede

La opción copy graphics se usa para copiar la ventana de trabajo como imagen para efectos de documentación. La opción Compress se usa para crear grupos, esto se estudiará más adelante, esta opción tiene asociado los comandos Extraer, editar grupo y editar circuito. La opción Comentario se usa para describir la simulación.

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Figura 14 Menú Edit

7.3

Menú ATP

La Figura 15 presenta las opciones del menú ATP en el cual se encuentra la opción configuraciones que permiten establecer el tipo de simulación y ajustar parámetros de acuerdo a la simulación. La opción run ATP ejecuta la simulación y la opción run plot abre el graficador y carga el archivo de resultados de la simulación actual. En la opción Sub procesos se encuentra opciones como generar el archivo atp y generar asignación de nombres de nodos. La opción Output manager activa el administrador de variables de salida en el cual se puede ver qué está configurado para visualización. La opción edit ATP file permite ver y editar el archivo plano .atp y la opción view lis file permite ver el reporte de la simulación actual. En ocasiones es importante localizar nodos, si no se han asignado por parte del usuario el ATPDraw da una asignación tipo XX001 y en ocasiones es importante hallar un nodo para resolver un problema para lo cual se usa la opción Find node.

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Figura 15 Menú ATP La opción Line Check realiza una verificación para modelos de líneas y cables en cuanto a conexiones e impedancia. La opción Edit Command se usa para añadir comandos para uso de otros programas auxiliares.

7.3.1 Settings La Figura 16 muestra la ventana de configuración Settings para la pestaña simulation en la cual se configura el tipo de simulación y los parámetros de configuración. En la simulación en el dominio del tiempo se debe especificar el paso de simulación y el tiempo de simulación. En la simulación de barrido de frecuencias se debe configurar la frecuencia inicial, final, el incremento o número de frecuencias por década. En el barrido de frecuencias armónicas se debe especificar la frecuencia del sistema. Los parámetros Xopt y Copt modifican la manera de entrar los datos correspondientes a inductancias y capacitancias, por ejemplo si se pone Xopt en 60 los datos de una inductancia se deben ingresar en Ohm si se deja en 0 se deben dar en mH. La pestaña de Output se utiliza para configurar los datos de salida del archivo de reporte, en esta opción se define la frecuencia de impresión, el requerimiento de conectividad de red, los datos de estado estable y los valores máximos. La pestaña de Switch/UM se utiliza en primer lugar para configurar interruptores estadísticos y determinísticos y en segundo lugar se utiliza para configurar datos de inicialización de los modelos de máquina universal. La pestaña format contiene opciones relacionadas con los archivos de entrada del ATP. La pestaña Variables permite configurar parámetros y usar el Pocket Calculator para el análisis de sensibilidad o paramétrico.

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Figura 16 ATP Settings

7.4

Otros menús

Las opciones del menú Library se usa para la creación de modelos definidos por el usuario. El menú tools presenta opciones de configuración vistas en la guía anterior y opciones para abrir editores gráficos para símbolos, texto o ayuda. En el menú Window hay una opción muy útil llamada Map Windows que activa una ventana para ver todo lo que hay en el área de trabajo, esta opción sirve cuando se tienen grandes redes. En el menú Windows aparecen los archivos que se están trabajando actualmente en el ATPDraw.

7.5

Menú de componentes

Se visualiza al dar clic derecho en el área de trabajo, la Figura 17 muestra la ventana principal de este menú. En orden se encuentran las siguientes opciones: • Elementos de medida y conexiones para circuitos trifásicos •

Elementos lineales

•

Elementos no lineales

•

Líneas y cables

•

Interruptores

•

Fuentes

•

Máquinas eléctricas

•

Transformadores

•

MODEL, opciones para uso del lenguaje

•

TACS, elementos para control y análisis 28

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•

Especificaciones del usuario

•

Componentes para análisis en frecuencia

•

Todos los componentes estándar.

Figura 17 Menú de componentes

7.6

Actividad

•

Construya el modelo para alimentar una carga monofásica de 120Vrms y 10A, fp=1 considere barraje infinito y asuma un cable de 10 metros #12 AWG THHN grafique la corriente, cuál es la regulación? Cuál es la regulación si el cable es de 100 metros?.

•

Construya un modelo trifásico del caso anterior, considere una conexión en Y del sistema y realice el ejercicio para 10 y 100 metros de cable, analice las corrientes y la regulación.

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8.

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DESCRIPCIÓN Y ASPECTOS CLAVE DE LOS ELEMENTOS MÁS UTILIZADOS EN ATP

8.1

Medidores

Hay tres tipos de medidores disponibles en ATPDraw los cuales se indican en la Figura 18 junto con sus ventanas de configuración. El primero corresponde a medición del voltaje nodal, el segundo medición de voltaje entre dos nodos y el tercero es el medidor de corriente.

Figura 18 Medidores

8.1.1 Aspectos clave medidores •

Se debe tener en cuenta que el medidor de voltaje de nodo mide respecto de la referencia, es común equivocarse por ejemplo cuando se mide voltaje fase neutro en una carga en Y no aterrizada y se usa este elemento.

•

Normalmente no se usa el medidor de voltaje entre nodos en su lugar se usan componentes RLC en Y o D (configurados solo con R) con opción de medición según la necesidad.

•

El medidor de corriente se comporta como un suiche cerrado con la medida de corriente habilitada

•

Se debe tener en cuenta la configuración del medidor, número de fases, fases a medir y si se desea la configuración para el cálculo de las variables en estado estable, la escala debe ajustarse para obtener valores rms.

•

Con el objetivo de no congestionar el esquema de la red es posible hacer que dos 30

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elementos estén conectados sin trazar una línea, para esto se asigna el mismo a los nodos correspondientes de los elementos, en la Figura 19 se ve el medidor de voltaje entre nodos aparentemente sin conexión. •

Con el objetivo de tener claro como implementa el ATP estos elementos se ilustra su codificación en la Figura 19 mediante un ejemplo.

Figura 19 Medidores

8.2

Fuentes

En cuanto a fuentes lo más utilizado son las fuentes monofásicas y trifásicas de AC y la fuente impulso. Las primeras se usan para simulaciones en estado estable, simulaciones de maniobra y la de impulso se usa para escenarios de rayo básicamente. La Figura 20 y la Figura 21 muestran el ícono y la ventana de configuración de las fuentes monofásica y trifásica de AC. La Figura 23 muestra el ícono y la ventana de configuración para la fuente impulso más utilizada.

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Figura 20 Fuente AC Monofásica Para el caso de la fuente AC trifásica es importante tener claro que ésta se forma con tres fuentes monofásicas en conexión Y como se indica en la Figura 22. Los parámetros de las fuentes AC son la amplitud (valor pico) frecuencia, ángulo en grados si A1=0 ó en radianes si A1=1 y finamente los tiempos de inicio y fin. Debe tenerse en cuenta que al poner -1 en el Tstart se indica que la fuente existe desde -∞.

Figura 21 Fuente AC Trifásica

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Figura 22 Fuente AC Trifásica – Fases y codificación

Hay varios tipos de fuente impulso, la más utilizada usualmente es la tipo Heidler, en ocasiones es suficiente representar el impulso con la función de doble rampa. La Figura 23 muestra los esquemas para estas dos formulaciones.

Figura 23 Formas de onda Impulso más utilizadas La Figura 24 muestra la ventana de configuración para la fuente tipo Heidler en la cual podemos ver, al parámetro amplitud, tiempo de frente, tao, n (asociado a la pendiente de subida) y los tiempos de inicio y fin.

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Figura 24 Parámetros Fuente Impulso Heidler

8.2.1 Aspectos clave fuentes •

Se debe dar la amplitud (valor pico) tener esto en cuenta, no obstante en versiones posteriores de ATPDraw (5.6) hay opción de dar el valor rms.

•

En sistemas trifásicos es importante la conexión de la fuente, un error frecuente es usar la fuente trifásica por ejemplo para representar una fuente en delta o en Y aislada, para estos casos es típico usar un transformador ideal para cambiar la conexión.

•

Para ajustes de flujo de carga es clave el ángulo por lo cual debe seleccionarse con detalle.

•

Tener en cuenta que el ícono de las fuentes es dinámico, cuando la fuente es de voltaje la figura es redonda y cuando es de corriente es un rombo. Un error frecuente al iniciar con ATP es no tener en cuenta el tipo de fuente que se quiere si es de corriente o si es de tensión.

•

Normalmente se usa la fuente de corriente para representar un rayo debido a las características del fenómeno.

8.3

EL Splitter (ATPDraw)

El Splitter es un elemento para derivar o integrar fases en los buses trifásicos, es de mucha utilidad en numerosas situaciones en las cuales se quieren editar elementos por fase pero que hacen parte de un sistema trifásico.

Figura 25 Splitter

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Para su uso es muy importante tener en cuenta el orden de las fases asignado porque esto puede originar cambios indeseados de fases por ejemplo de ABC a CBA en los terminales de acuerdo con la orientación. El orden en las Fases se puede ver haciendo clic derecho en el nodo luego de conformar el archivo .atp o de correr la simulación. Generalmente el ATP pone una letra al final del nombre del nodo para indicar la fase.

8.4

Bobinas y Condensadores

Cuando se selecciona la opción bobina o condensador del menú ramas lineales, note que estos aparecen en rojo y con un elemento adicional en el ícono, luego de dar los datos generales el ícono cambia generalmente. La Figura 26 ilustra el ingreso de los parámetros para estos elementos, hay que tener en cuenta las variables de configuración Xopt y Copt porque modifican la unidad de entrada del parámetro del elemento. Básicamente si Xopt tiene un valor éste se toma como la frecuencia y en la configuración del elemento aparece entrada en Ohm, si no se le da valor al parámetro se toma la entrada en mili Henrios. De igual forma para el condensador cuando se especifica algo en Copt se pide el ingreso en micro Siemens. Debido a los problemas asociados a las variables de continuidad (la corriente en la bobina y el voltaje en el condensador) las cuales generan oscilaciones numéricas, el ATP ofrece un amortiguamiento a este fenómeno instalando resistencias en serie para el capacitor y en paralelo para la bobina, los valores sugeridos se pueden consultar en el help local del elemento.

Figura 26 Detalle Bobina y Capacitor

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8.5

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Elementos RLC

Existen elementos que integran los elementos R, L y C con variedad de conexiones, el más sencillo es la rama monofásica RLC en el cual los elementos están en serie. También existen elementos trifásicos de la misma naturaleza con conexión serie trifásica (o como la llamo pasante), en Y y en D. La Figura 27 muestra el resumen de elemento y cómo se reemplazarían usando splitter y elementos monofásicos unitarios. Se debe tener en cuenta que los íconos de éstos elementos también son dinámicos y cambiarán de acuerdo con los valores que se asignen a los elemento en cuanto a dejarlos en cero o poner algún valor.

Figura 27 Ramas RLC disponibles

8.5.1 Aspectos clave ramas RLC •

Cuando no se requieran alguno de los elementos de la rama debe asignarse el valor de 0.

•

En los elementos trifásicos los números indican las fases a las cuales pertenecen los elementos.

•

Las unidades de ingreso de L y C dependerán de cómo estén configurados los parámetros Xopt y Copt.

•

En caso de requerir elementos de amortiguamiento no es posible usar las ramas RLC, se hace necesario armar las ramas con splitter con elementos individuales.

•

Para la medición de voltajes fase neutro en sistemas trifásico es usual utilizar la rama trifásica RLC en conexión Y ajustando las R a un valor alto (1E8), los otros parámetros en cero y activando la medición de tensión.

•

Para la medición de voltajes de línea se usa la rama trifásica RLC en conexión Delta considerando los mismos ajustes del aspecto anterior. 36

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8.6

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Interruptores

Hay varios tipos de interruptores en ATP, los de uso general y los especiales. Se hablará de los generales los cuales son 2. El primero un interruptor que tiene un comando de apertura y cierre general, posibilidad de ser monofásico o trifásico, se debe tener en cuenta que éste maniobra las fases al mismo tiempo según la orden. La Figura 28 muestra las ventanas de configuración y el help asociado a este elemento.

Figura 28 Interruptor controlado por tiempo Dentro de los parámetros de este interruptor hay que destacar la Imar (Corriente Marginal) lo cual indica que el interruptor corta la corriente si se cumple la condición t>T-op y |I| 0

means that normal output is about to be suppressed as

2nd shot begins.

At most,

extrema and parameters will be seen.

Value 2 will suppress parameters of next shot.

Value 3 also will

suppress extrema, leaving just the single line showing KNT, MAXKNT. ================================================================

Blank card terminating all plot cards.

Input data exhausted! Input card pointer

CIMAGE

|BLANK PLOT

will pass back innocuous blank card.

NUMDCD = 0.

Exit

"CIMAGE"

Begin next shot KNT of PCVP parameter variation. New parameter values follow:

1)

23.0769231

Times of maxima :

.1E-5

Variable minima :

0.0

Times of minima :

0.0

Input card pointer

CIMAGE

|BLANK PLOT

Exit

"CIMAGE"

Begin next shot KNT of PCVP parameter variation. 1)

28.5714286

Times of maxima :

.1E-5

Variable minima :

0.0

Times of minima :

0.0

Input card pointer

CIMAGE

5

|BLANK PLOT

Exit

"CIMAGE"

Begin next shot KNT of PCVP parameter variation. 1)

with blank card image. KNT, MAXKNT =

4

5

5.0

Extrema of output variables follow. step loop output. Variable maxima :

3

will pass back innocuous blank card.

NUMDCD = 0.

New parameter values follow:

KNT, MAXKNT =

Order and column positioning are the same as for the preceding time-

Blank card terminating all plot cards.

Input data exhausted!

with blank card image.

4.0

Extrema of output variables follow. step loop output. Variable maxima :

5

will pass back innocuous blank card.

NUMDCD = 0.

New parameter values follow:

2

Order and column positioning are the same as for the preceding time-

Blank card terminating all plot cards.

Input data exhausted!

KNT, MAXKNT =

3.0

Extrema of output variables follow. step loop output. Variable maxima :

with blank card image.

Order and column positioning are the same as for the preceding time-

33.3333333

51

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Times of maxima :

.1E-5

Variable minima :

0.0

Times of minima :

0.0

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Blank card terminating all plot cards.

Input data exhausted! Input card pointer

CIMAGE

|BLANK PLOT

will pass back innocuous blank card.

NUMDCD = 0.

Exit

"CIMAGE"

Begin next shot KNT of PCVP parameter variation. New parameter values follow:

1)

37.5

Times of maxima :

.1E-5

Variable minima :

0.0

Times of minima :

0.0

KNT, MAXKNT =

5

5

6.0

Extrema of output variables follow. step loop output. Variable maxima :

with blank card image.

Blank card terminating all plot cards.

Order and column positioning are the same as for the preceding time-

|BLANK PLOT

============================================================================== Extrema of extrema follow. printout. Variable maxima :

Order and column positioning are the same as for the preceding table of

37.5

Shot # of maxima:

5

Variable minima :

0.0

Shot # of minima:

1

==============================================================================

Cuando se ejecuta la simulación en la carpeta de trabajo que para el caso típico es Atp aparecen los archivos de salida gráficos (.pl4) para cada simulación realizada, siguiendo con el ejemplo la Figura 45 muestra la salida de archivos gráficos.

Figura 45 Salida de archivos gráficos simulación paramétrica.

52

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9.2

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Nomenclatura

Cuando se tienen muchos nodos en una red se vuelve complicado identificar las variables, esto es muy importante cuando se hacen estudios que requieren mucho manejo de datos. Una buena práctica consiste en emplear una adecuada nomenclatura con el fin de identificar no solo variables a registrar sino también tener claridad en todos los elementos de la red bajo estudio. La Figura 46 muestra un ejemplo de uso de la nomenclatura en el cual se ha habilitado la visualización de nombres de nodo.

Figura 46 Ejemplo de Nomenclatura A continuación se dan recomendaciones para el manejo de la nomenclatura de acuerdo a varias experiencias en los proyectos realizados en la empresa.

53

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Tabla 5 Recomendaciones de Nomenclatura Aspecto

Recomendaciones Es importante asignar un nombre a un área o subestación que involucra varios elementos, para esto se usa la opción

Áreas

Voltaje Fuentes

Nodos

Líneas

Transformadores

Cargas, Compensaciones, Reactores

de texto ubicado en el menú del ATPDraw . En la Figura 46 se aprecia el nombre asignado a varias subestaciones. Se recomienda usar parámetros cuyos nombres tengan un formato empezando con V para voltaje o I para corriente y luego la descripción sea por nivel de tensión o por nombre la subestación o área que representa por ejemplo VPIU está asociado al voltaje en el equivalente de la subestación Piura. Es importante nombrar los nodos de forma clara teniendo en cuenta los siguientes aspectos: • Usar mayúsculas • No dejar espacios, si es necesario separar usar el guión bajo _ o el guión normal • Usar abreviaturas de los nombres de áreas de máximo 3 letras para la parte inicial del nombre del nodo. La segunda parte puede ser referida al nivel de tensión. Por ejemplo en la Figura 46 BAY60 corresponde a la barra de 60kV de la subestación Bayovar. • Se recomienda usar texto en color para señalar los niveles de tensión, especialmente las barras de las subestaciones como se indica en la Figura 46, también se puede darle color a las barras como alternativa. En ocasiones las líneas tienen nomenclatura de acuerdo al tipo de red simulada por ejemplo LXXXX. Es recomendable activar la visualización de la distancia en LCC y asignar un label claro. Por lo general los transformadores tienen un identificador en los unifilares por ejemplo T1-21, ó TR-11 ext, es aconsejable poner esto en el label para su correcta identificación en el diagrama, además con el objetivo de medición de corriente a través de suiches es importante nombrar los nodos de los devanados de manera clara para que sea fácil la identificación como se muestra por ejemplo en la Figura 46 donde se tienen nombres como T1_60. A cada uno de estos elementos debe asignársele un label adecuado por ejemplo para un capacitor C1-20kVar. Para cada uno de estos elementos se recomienda usar parámetros y al nombrar estos parámetros debe tenerse en cuenta la claridad por ejemplo para el capacitor en la variable capacitancia podría indicarse C_C1 como parámetro.

54

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9.3

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Agrupamiento

En algunas situaciones es necesario repetir componentes de manera secuencial para obtener un nivel de detalle tal que se consideren algunos fenómenos o bien porque el modelo de algún equipo requiere de muchos elementos. En cualquier caso es deseable agrupar estos elementos para no congestionar el área de trabajo. La Figura 47 muestra este concepto.

Figura 47 Ejemplo de congestión del área de trabajo por vanos de líneas

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El ATPDraw soporta el agrupamiento de elementos para crear figuras que representan grupos de elementos los cuales se conectan a la red en el área de trabajo en nodos que se definen en la conformación del grupo. La Figura 48 muestra un ejemplo para ilustrar la agrupación, note que es posible tomar grupos y conformar uno nuevo a partir de estos.

Figura 48 Ejemplo para ilustrar el agrupamiento

9.3.1 Procedimiento básico Para crear un grupo lo primero es seleccionar todos los elementos involucrados en la creación del grupo y luego se da en la opción Compress que está en el menú Edit. Cuando se hace esto aparece la ventana para la configuración del grupo tal como lo muestra la Figura 49. La ventana muestra los objetos involurados junto con su label, los datos disponibles del objeto seleccionado (por ejemplo la R en las resistencias) los terminales asociados al elemento seleccionado actual (Nodes Available) y para los dos aspectos anteriores muestra cuales han sido añadidos al grupo. También se muestra el nombre del grupo que es obligatorio asignarlo y el selector de ubicación de nodos para cada terminal del grupo asignada. Se tendrá un ejemplo disponible para la creación de grupos, de manera resumida para el caso de la Figura 49 se seleccionan todos los elementos luego se tomó el primer LCC se indicó que los terminales de entrada serán parte de los terminales del grupo y lo miso se hizo para el LCC final pero con los terminales de salida.

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Figura 49 Ventana configuración de grupo Luego de crear el grupo hay que editar el icono porque el asignado por defecto no es bueno. El resultado para una agrupación típica de vanos de líneas se muestra a continuación en la Figura 50.

Figura 50 Resultado de la agrupación

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9.4

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Edición de Íconos

Para editar el icono de un elemento se da clic en Edit definitions como se indica en la Figura 51.

Figura 51 Edición de definiciones EL ATPDraw en sus inicios contaba con un editor muy simple llamado Bitmap, este permite la edición muy simple de los iconos basado en una matriz de puntos. En las versiones actuales se cuenta con el Vector que es un editor más poderoso que permite más área para el ícono y funcionalidades como ícono dinámicos que cambian de acuerdo con los parámetros dados. Cuando se da clic en Edit definitions aparece una ventana como se indica en la Figura 52 que corresponde a la configuración del elemento en cuanto a datos, conectividad e ícono. El ícono se puede modificar haciendo clic en el punto señalado por la Figura 52 previamente habiendo seleccionado qué editor de ícono se quiere utilizar.

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Figura 52 Ventana de configuración definiciones La Figura 53 muestra la ventana del editor Vector y la Figura 54 muestra la ventana del editor bitmap.

Figura 53 Ventana del editor Vector

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Figura 54 Ventana del editor bitmap

Se propone como actividad la modificación del ícono de una resistencia simple usando ambos editores.

60

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9.5

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Manejo de Errores

Una de las principales razones de abandono del ATP por parte de sus usuarios se debe a los errores que aparecen durante simulación, la mayoría de las veces la ventana que señala el error es cerrada sin el adecuado análisis y es por eso que en este numeral se dará un breve método para analizar errores. Hay una premisa que da la experiencia con ATP y es la siguiente “El ATP te exige saber modelado e Ingeniería Eléctrica” Cuando se dice saber Ingeniería Eléctrica se quiere indicar conocimiento de los fenómenos asociados a los diferentes elementos de un sistema de potencia. Generalmente los detalles asociados a los modelos son los que generan los errores en simulación, el éxito con el ATP radica en saber de modelos y por eso se ha dado en este curso un tema dedicado que aunque no logra abarcar todo pone a disposición herramientas para resolver los posibles problemas. La Figura 55 muestra la vista típica en la consola de un error de simulación.

Figura 55 Error típico vista consola Generalmente hay dos grupos de errores, el primero asociado a la mala formación del archivo .atp y el segundo a errores ocurridos durante la ejecución. Cuando hay un error de formación de archivo no aparecen las cadenas de error que se muestra en la Figura 55 y por el contrario aparece un mensaje que dice Temporary error stop in ENTRY STOPTP como se muestra en la Figura 56. Note que para este caso no se ejecuta la simulación porque falla la verificación de lectura del archivo .atp que hace el ATP.

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Figura 56 Error de entrada de datos

Figura 57 Algoritmo básico solución de errores

9.5.1 Técnica para el descubrimiento del elemento con problemas. En ocasiones no es sencillo identificar el elemento que tiene problemas, se recomienda ocultar toda la red y comenzar a simular secciones de manera que progresivamente se va activando cada sección hasta que se identifique el área donde puede estar el elemento que tiene problemas.

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9.5.2 Errores más comunes En la Tabla 5 se presenta el resumen de errores más comunes en ATP. No Error – palabra Descripción Solución clave ENTRY STOPTP Error de entrada Revisar parámetros en setup que todos los números tengan punto decimal 1 – Storaged Desbordamiento de tablas, Disminuir la distancia de los exceded for EMTP se presenta cuando se LCC largos dividiéndolos en VARDIM tienen LCC muy largos y la secciones de menor longitud. simulación tiene un paso muy pequeño 29- The distributed Error por deltat mayor al Hacer deltat menor a cualquier parameter branch menor tiempo de tiempo de propagación de los card, time-step size propagación de un elemento elementos LCC presentes. DELTAT LCC 44 - user apparently No se solicitaron variables Configurar al menos una forgot to request para registrar en la variable a registrar simulación 212A Newton Falla de convergencia del Cambiar de modelo no lineal, Solution, non linear modelo de un elemento no suavizar la curva no lineal, elements, lineal asignar más puntos a la curva. convergence Floating point Problemas en resolución de En ocasiones se debe a falla en subnetwork un segmento de red la congruencia de las asociado a deltas impedancias de transformadores tridevanados o ramas no lineales en conexión delta. El cualquier caso se deben revisar los modelos asociados a las conexiones en delta

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9.6

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Graficación con TOP 2000

Uno de los objetivos de usar el Pocket Calculator es hacer gráficas paramétricas las cuales no son posibles realizarlas con el graficador usual del ATP el PlotXY debido a que está limitado en número de carga de archivos y de curvas por gráficas. En muchos casos también es deseable realizar operaciones especiales a las gráficas con el fin de realizar algún análisis en particular. El graficador TOP2000 ofrece muchas herramientas que satisfacen las tareas mencionadas en el párrafo anterior. A continuación se dará una breve explicación de sus principales funcionalidades.

9.6.1 Carga de variables Al abrir el programa y dar clic en abrir aparece un cuadro como el indicado en la Figura 58 donde se diferencia por tipo de variables en tres grandes grupos, los voltajes, las potencias y las corrientes y finalmente la energía, variables de TACS Máquinas y MODELS. En esta ventana se selecciona lo que se quiere cargar para trabajar.

Figura 58 Carga de variables en TOP 2000 NOTA: Es posible cargar más curvas de otros archivos, por ejemplo cuando se tienen simulaciones paramétricas es posible cargar una curva correspondiente a cada archivo que se ha generado y esto permite hacer gráficas para análisis paramétrico. Para realizar esto simplemente en la misma sesión se da en abrir, se escoge el archivo y se cargan las curvas correspondientes.

9.6.2 Selección de tipo de gráfica Una vez cargadas las gráficas se puede dar clic en el ícono para hacer una gráfica las opciones de gráfica en orden (Multiple Graph Creation) se muestran a continuación: Superimpose – Superpuestas Stacked Graphs – Eje Y independiente Stacked Axes – Varios Ejes Y en línea a un solo lado

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Left-Right Y Axes – Doble ejes Y uno a cada lado La Figura 59 muestra las opciones descritas.

Figura 59 Opciones para hacer una gráfica

9.6.3 Generación de Tablas También

es

posible

generar

tablas

con

información

para

lo

cual

se

usa

el

ícono se tiene opciones como máximos y mínimo, sumario de curva, datos puntuales de tiempo, sumario de armónicos entre otras. La Figura 60 muestra la ventana con las opciones.

Figura 60 Opciones para generación de tablas de información

9.6.4 Funciones para curvas de simulación y referencia También es posible aplicar funciones especiales a las gráficas para ello se usa el ícono , la Figura 61 muestra la ventana de esta opción, a la derecha aparecen las operaciones que es posible realizar, una muy utilizada por ejemplo es la FFT (Transformada de Fourier).

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Figura 61 Ventana de operaciones sobre gráficas. En algunas situaciones es de ayuda graficar funciones de referencia para esto el programa ofrece en el ícono , la Figura 62 muestra las opciones de la ventana, básicamente se puede escribir cualquier función matemática y esta se crea como una curva que puede ser graficada en simultánea con otra gráfica de una simulación.

Figura 62 Ventana generación funciones de referencia Se deja como tarea explorar las capacidades del top con la información dada y con los ejemplos que se tendrán. La Figura 63 muestra una serie de gráficas que pueden ser generadas mediante este programa.

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Figura 63 Gráficas de ejemplo Programa TOP 2000

9.6.5 Práctica Construya un modelo de 2km de línea con la geometría horizontal tres fases y neutro separados entre si 700mm, altura promedio 10 m (use modelo Bergeron con frecuencia de 100kHz). El esquema debe considerar: 1km de línea construidos con vanos de 100m y dos grupos a cada lado de esta red que contengan 500metros de línea considerando de igual forma vanos de 100metros. En todos los casos la resistencia de puesta a tierra de cada poste debe ser un parámetro llamado RPT con un valor inicialmente de 20 Ohm. En los extremos se debe poner un componente RLC en Y solo con el valor de resistencias de 350 Ohm. La Figura 64 muestra el esquema sugerido en ATPDraw.

Figura 64 Diagrama de la red propuesta para la práctica 1.

Inyecte una corriente de rayo de 5kA en el Punto P1 en el cable de neutro, considere la fuente Heidler para una onda 8/50 us, la resistencia del canal es de 250 Ohm. La resistencia de puesta a tierra es de 20 Ohm para este caso. 1.1

En una misma gráfica muestre el voltaje en las fases y del neutro para el punto P1.

1.2

¿Qué fenómeno explica la aparición de voltajes en las fases?

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1.3

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¿Cuál es la fase que experimenta mayor voltaje y por qué?

2. Construya una gráfica paramétrica usando TOP2000 del voltaje en la fase que más se eleva del punto P1 variando la resistencia de puesta a tierra desde 1 hasta 50 en pasos de 5 para un impulso como el descrito en el numeral 1. Analice cómo afecta la variación de la resistencia de puesta a tierra al voltaje que se genera en las fases.

10.

EQUIVALENTES DE RED

Los equivalentes de red son utilizados constantemente para realizar diversos cálculos debido a que no es práctico modelar completamente una red para la mayoría de cálculos en Ingeniería Eléctrica. La selección y ajuste del tipo de equivalente son clave para realizar simulaciones congruentes.

10.1 Qué es un equivalente de red? Es una reducción de una red que por medio de elementos circuitales y de control busca emular el comportamiento de toda la red en un punto específico de un sistema. La Figura 65 presenta el concepto general de un equivalente de red.

Figura 65 Concepto de equivalente de red

10.2 Qué aspectos se consideran en un equivalente de red? Siempre lo primero en simulación es determinar cuál es la necesidad en cuanto a escenarios y modelos, un equivalente de red puede ser sencillo o muy complejo dependiendo de la necesidad. La Tabla 6 describe los aspectos clave a considerar cuando se habla de equivalentes de red. Tabla 6 Aspectos clave equivalentes de red

Aspecto

Descripción

Nivel de tensión

Debe tenerse en cuenta las tensiones adecuadas para utilizar los equivalentes de acuerdo con el estudio a realizar.

Conexión del sistema

Se refiere a la conexión de la fuente del sistema la cual puede ser Y, delta o variaciones de éstas. Este aspecto es de gran importancia sobre todo para eventos que 68

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Aspecto

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Descripción originan circulación de corrientes a tierra.

Impedancias de secuencia

Se refiere a la impedancia equivalente en estado estable que tiene la red a reducir vista desde al punto donde se reduce.

Z(ω)

El comportamiento de la impedancia a diferentes frecuencias es importante y constituye un aspecto clave para los equivalentes enfocados a estudios transitorios.

Dinámica

Los equivalentes pueden ser lineales o no lineales, la no linealidad la aportan los comportamientos de las máquinas, transformadores y los controles de los diferentes equipos, para estudios de estabilidad cobran mucha importancia y generalmente son despreciados para estudios de eventos de altas frecuencias.

Consideraciones

Se refiere a las premisas bajo las cuales se hace la reducción de la red en el punto deseado, es de gran importancia porque de esto dependen algunas variables del los equivalentes.

La Figura 66 muestra un ejemplo de equivalente de red simplificado para estudios de energización de líneas que incluye frecuencias de resonancia.

Figura 66 Equivalente de red con red para emular respuesta frecuencia de resonancia. La Figura 67 muestra un equivalente del tipo dinámico.

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Figura 67 Equivalente de red dinámico

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10.3 Práctica 10.3.1

Equivalentes de cortocircuito

Construya los siguientes equivalentes de red, con cada uno de ellos realice falla trifásica y falla monofásica. • Sistema trifásico 440 V en conexión Y aterrizada a través de resistencia de neutro de 53.12 Ω, corriente de cortocircuito trifásica 41 kA, monofásica 45 kA para aterrizamiento sólido • Sistema trifásico 44 kV en conexión Delta, corriente de cortocircuito trifásica 10 kA

10.3.2

Cálculo de impedancias de secuencia

Se utilizan las ecuaciones descritas a continuación para el cálculo de las impedancias de secuencia a partir de la información dada, se supone una relación X/R trifásica y monofásica de 0.2.

Las fórmulas anteriores pueden simplificarse cuando la relación X/R es alta, esto se da en redes de media y alta tensión debido a las bajas resistencias de los cables en comparación con la inductancia. A continuación se muestran las ecuaciones simplificadas.

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En la Figura 68 se presenta el resultado para las impedancias del primer equivalente

Figura 68 Resultados de impedancias para el primer equivalente Una vez obtenidas las impedancias se construye la fuente y por medio del elemento LINESY_3 - Symmetric RL coupled line se simulan las impedancias de secuencia, la Figura 69 muestra la ruta para agregar el elemento.

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Figura 69 Componente LINESY_3 - Symmetric RL coupled line Hay varias maneras de realizar un equivalente en el ATP una de ellas correspondiente al primer ejercicio se muestra en la Figura 70.

Figura 70 Ejemplo del primer equivalente de red

10.3.3

Actividades adicionales

1. Con los equivalentes propuestos • Calcule las fallas trifásica y monofásica en terminales. • Para el equivalente 1., considere un alimentador de 100 metros 4/0 AWG THHN sobre superficie que sale desde el punto del equivalente, calcule el cortocircuito trifásico y monofásico en el final del alimentador. 2. Consulte las relaciones X/R típicas de acuerdo al nivel de tensión.

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11.

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CASO DE ESTUDIO: CÁLCULO DE GPR EN DISTRIBUCIÓN

Una de las actividades en el diseño de mallas de tierra es el cálculo de GPR, el valor del GPR, los diseñadores deben comprender el fenómeno y saber qué se debe tener en cuenta para su cálculo con ATP teniendo en cuenta que esta variable impacta económicamente el diseño.

11.1 El concepto del GPR y la distribución de corrientes a tierra El GPR que por sus siglas en inglés significa Ground Potential Rise se refiere al voltaje máximo que puede adquirir un sistema de puesta a tierra respecto de tierra remota. La tierra remota se define como un lugar donde el movimiento de cargas es despreciable, la Figura 71 ilustra el concepto.

Figura 71 Concepto de tierra remota El máximo voltaje que puede aparecer en un sistema de puesta a tierra depende de dos aspectos principalmente, la distribución de corrientes a tierra y el valor de resistencia de puesta a tierra, la primera a su vez depende de la configuración del sistema en cuanto a esquema de conexión, el tipo de falla y el nivel de cortocircuito y la segunda depende de la resistividad y área disponible para el sistema de puesta a tierra. Debe tenerse claro que un GPR es la combinación de distribución de corriente a tierra y resistencia de puesta a tierra, no tiene sentido hablar de una dependencia solo por la corriente o solo por la resistencia de puesta a tierra. El problema del GPR radica en la generación de potenciales de toque y paso peligrosos para las personas y para los equipos en condiciones de fallas a tierra en la red.

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11.2 Distribución de corrientes a tierra La distribución de corrientes a tierra se refiere a cómo se distribuye la corriente de falla por los diferentes conductores que están relacionados con el circuito de la falla a tierra. Este aspecto es vital para un cálculo razonable de GPR puesto que impacta en la corriente final que circula propiamente en el sistema de puesta a tierra bajo estudio, se debe tener claro que la corriente que circula por la tierra y específicamente por el sistema de puesta a tierra bajo estudio hacia la tierra es la que genera el GPR, es un error asumir que toda la corriente de falla genera GPR debido a que de acuerdo con el tipo de sistema habrá retorno por el neutro o distribución de corriente si hay interconexiones con otros sistemas de puesta a tierra. La Figura 72 y la Figura 73 muestran el concepto.

Figura 72 Distribución de corrientes en falla monofásica para un sistema de distribución multiaterrizado - esquema.

Figura 73 Distribución de corrientes en falla monofásica para un sistema de distribución multiaterrizado - circuito.

11.3 Procedimiento básico A continuación se describe el procedimiento básico para el cálculo de GPR en sistemas de distribución. 1. Solicite la información de la subestación, el circuito y las corrientes de cortocircuito 75

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en el punto de conexión al Operador de Red (OR). posible crecimiento del nivel de cortocircuito.

Se debe tener en cuenta el

2. Construya el equivalente de red para la subestación teniendo en cuenta los niveles de cortocircuito y el tipo de conexión del sistema, realice la validación. 3. Construya los modelos para cables y líneas teniendo en cuenta un kilómetro más allá del punto de conexión, se debe indagar sobre cables de neutro o guarda que puedan tener los circuitos. Tener presente que cables cortos (menores al 10% del total del circuito) no son representativos. 4. Verifique que el nivel de cortocircuito obtenido sea congruente con la información suministrada por el OR. 5. Realice la simulación de fallas a tierras y determine el GPR en el punto de interés. El GPR obtenido debe multiplicarse por un factor de seguridad, se recomienda entre un 10% y 40% más de acuerdo al posible aumento del cortorcircuito del circuito.

11.4 Valores de GPR La Tabla 7 presenta los rangos de GPR. Tabla 7 Valores de GPR

Valor [V] 0-1000

Descripción Bajo riesgo, fácil de controlar, rango deseable

10002000

Riesgo medio, controlable en bajas resistividades, problemático en altas resistividades.

20004000

Alto riesgo para las personas y equipos, difícil de controlar, se debe tratar de disminuir, su control requiere de medidas especiales.

>4000

No se recomienda, se debe limitar la corriente o el acceso a las personas, los equipos por lo general no soportan más de 5000 V. GPR tipo “Salga corriendo” “camine en una sola pierna”

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11.5 Práctica Calcular el GPR para una instalación que se conectará en el circuito con los datos indicados de la Figura 74 a la Figura 79.

Figura 74 Datos de la subestación

Figura 75 Datos de los tramos del circuito

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Figura 76 Datos de la configuración de la red aérea

Figura 77 Datos de corrientes de cortocircuito en el punto de conexión dadas por el OR

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Figura 78 Datos de los cables de la red aérea

Figura 79 Datos del cable enterrado Para la construcción del modelo tenga en cuenta lo siguiente: • Utilice modelo PI para el tramo aéreo y supóngalo a 11 metros de altura, se debe configurar 4 fases para poder sacar la conexión del neutro el cual se asume como 1/0. Asuma vanos de 100 metros. • El tramo subterráneo supóngalo en un banco de ductos enterrado a 50cm del suelo y con separación de 20cm, se debe configurar 6 fases debido a que el neutro concéntrico debe ser conectado externamente, además es necesario activar la opción cable constants. • Construya un equivalente de red teniendo en cuenta lo aprendido en la práctica anterior tenga en cuenta el voltaje prefalla dado por el OR. • Para el modelo de cables tenga en cuenta que el neutro es concéntrico e interconectado, para efecto de simulación se configura una pantalla con la sección equivalente. • El detalle de construcción del cable subterráneo se muestra a continuación.

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Figura 80 Construcción cable neutro concéntrico 15 kV

11.5.1

Actividades a realizar

4. Construya el modelo completo y calcule el GPR para falla monofásica a tierra. 5. Haga un esquema con la distribución de corrientes para falla monofásica en el punto de conexión. 6. Cuál es el GPR en la subestación cuando hay falla monofásica en el punto de

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conexión? 7. Cuánto da el GPR para falla bifásica a tierra? 8. Cuál es el GPR en la subestación si el circuito falla en la salida de la subestación? 9. Es necesario simular todos los vanos de la red aérea? 10. Cuál es el GPR si ocurre falla monofásica en baja en el transformador que alimenta el usuario en el punto de conexión, suponga un transformador de 112.5kVA trifásico 13200/208 V y 4% de impedancia conexión Dy. 11. Cuál es la metodología de la IEEE 80 para estimar el GPR?

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