Simulación digital en sistemas eléctricos de potencia

• Investigadores de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), Unidad Zacatenco, emplean algoritmos para proteger cualquier elemento de sistemas eléctricos de potencia: transformadores y líneas de transmisión, entre otros

Con el propósito de evitar supresiones de energía eléctrica y apagones por fallas en el sistema eléctrico, científicos de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), Unidad Zacatenco, del Instituto Politécnico Nacional (IPN), emplean equipo de vanguardia para simular la dinámica de sistemas eléctricos de potencia y sus elementos (transformadores, líneas de transmisión y generadores), sin necesidad de manipular el sistema real.

Se trata de un proyecto de investigación que lleva a cabo el doctor Germán Rosas Ortíz, quien explicó que para hacer las simulaciones correspondientes emplea algoritmos y, con el apoyo de equipo sofisticado, se modela el comportamiento de sistemas eléctricos, simulan distintas pruebas, fallas y diversas condiciones de operación para garantizar el adecuado funcionamiento de los dispositivos de protección existentes y en investigación.

Indicó que en México sólo existen tres equipos de este tipo. Uno de ellos se encuentra en la Universidad de Guadalajara y otro en el Laboratorio de Pruebas de Equipos y Mediciones (LAPEM) de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Ambos equipos, comparados con el de la ESIME, tienen una capacidad limitada.

Simulación Digital

“Con este equipo podemos desarrollar modelos de generadores, barras, líneas de transmisión, se pueden incluir cargas y simular todo tipo de fallas en cualquier punto de la red, así como tomar mediciones de voltajes y corrientes en tiempo real”, indicó.

Rosas Ortíz resaltó que el simulador digital en tiempo real permite recrear con alto grado de precisión el comportamiento transitorio de los sistemas eléctricos de potencia que pueden ocurrir en la realidad.

“Hay ocasiones que las protecciones no funcionan adecuadamente o presentan algún problema y en el momento en que existe una falla se va todo el sistema, tal y como sucedió recientemente en el Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México (AICM), que por una falla en el transformador se fue la energía, tanto en el sistema principal de alimentación como en el secundario, cuando lo correcto era que uno de los sistemas se mantuviera en servicio”, puntualizó.

El catedrático señaló que para proteger al sistema contra las fallas se usan algoritmos de protección como el de sobre corriente, que permiten detectar cortos circuitos, los cuales se caracterizan por la elevación de la energía a niveles muy grandes. “La idea es aislar al elemento fallado del sistema para que la falta de energía sea local y no general”, dijo.

Refirió que las simulaciones que llevan a cabo en la ESIME Zacatenco permiten diseñar un muy buen esquema de protección para que el sistema opere correctamente, y en caso de que exista una falla, únicamente se desconecte el dispositivo que ha operado incorrectamente y el resto del sistema continúe operando. “Esto finalmente es para optimizar el servicio de energía al usuario final a cualquier nivel de voltaje”, agregó.

El especialista del IPN apuntó que los sistemas eléctricos de potencia no son fijos, sino que sufren modificaciones continuamente y las condiciones de operación se modifican, por ello es necesario adaptar los dispositivos de protección para evitar fallas en los mismos y precisamente el equipo con el que cuentan les permite hacer estas simulaciones.

Comentó que en el proyecto colaboran el ingeniero Evaristo Velázquez Chazares y los estudiantes de maestría Miguel Antonio Álvarez Juárez y Ricardo Santiago Gutiérrez, y de licenciatura Fernando Vargas Villeda, quienes realizan importantes aportaciones en el área de protecciones mediante el desarrollo de sus trabajos de tesis.

Álvarez Juárez evalúa el desempeño de la protección del generador, para lo cual desarrolló un modelo matemático que se ejecuta en el simulador y que se comporta de igual manera que el modelo de un generador pequeño real con el que cuentan en el laboratorio, lo cual indica que el simulador ofrece resultados confiables de los sistemas eléctricos para la prueba de los dispositivos de protección o relevadores.

Santiago Gutiérrez ha enfocado sus aportaciones al desarrollo de hardware para protección y monitoreo, la evaluación de relevadores de protección comerciales y al desarrollo de los modelos de relevadores en software. En tanto que Vargas Villeda trabaja en la simulación de la protección diferencial de barras, lo cual es muy importante, debido a que una barra es un punto de unión en una subestación donde convergen varios alimentadores o circuitos eléctricos, y es un punto crítico, porque si falla, todos los circuitos que están conectados a esa barra se van.

El doctor Rosas Ortíz refirió que gracias a este simulador se derivarán muchos proyectos y paulatinamente se irán incorporando más estudiantes. “La ventaja de este tipo de simuladores es que no sólo se puede utilizar para protecciones; aquí tenemos muchas áreas de investigación como el análisis de máquinas eléctricas, control de sistemas, electrónica de potencia y todos los investigadores de nuestro departamento pueden y van a hacer uso de este simulador”, afirmó.

Agregó que con el simulador se puede modelar una gran parte de la red eléctrica de la República Mexicana, y considerar el efecto de la inserción de nuevas fuentes de generación, por ejemplo eólica o solar, y observar cómo se comportan los esquemas de control y de protección del sistema de potencia para saber si realmente va a operar de forma correcta o presenta problemas de desbalances u oscilaciones.

“Tenemos interés de crear tecnología en el país, porque generalmente las compañías que se dedican a producir relevadores de protección son extranjeras y los costos son muy elevados. Por ello decidimos desarrollar estos equipos en el IPN, tanto la parte de hardware, como todos los dispositivos físicos y después desarrollar e incluso mejorar la parte de algoritmos que representan los principios de protección más comunes”, comentó.

Evaristo Vázquez Chazares, explicó que el Laboratorio de Protecciones de Sistemas de Potencia cuenta con los relevadores más modernos, los cuales permiten, de manera conjunta con el simulador digital en tiempo real, formar recursos humanos con alto grado de especialización, debido a que los alumnos tienen la oportunidad de conocer en la escuela los equipos más recientes que existen en las empresas y su preparación les permitirá hacer aportaciones importantes en el campo laboral.

Fuente: Comunicación Social, IPN