Ciencias tcnicas y aplicadas

Artculo de investigacin

 

 

Modelacin y Simulacin de la Microrred Elctrica de la Universidad Tcnica de Manab

 

Modeling and Simulation of the Electric Microgrid of the Universidad Tcnica de Manab

 

Modelagem e Simulao da Microrrede Eltrica da Universidad Tcnica de Manab

 

Guillermo Antonio Loor-Castillo I

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-4986-7524

 

Miguel Castro-Fernndez II

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-3983-469X

 

Jess Alberto Prez-Rodrguez III

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-1578-2565

 

 

Correspondencia: [email protected]

 

*Recibido: 20 de mayo del 2021 *Aceptado: 15 de junio del 2021 * Publicado: 01 de julio del 2021

       I.            Magister en Gerencia Educativa, Ingeniero Elctrico, Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.

    II.            Doctor en Ciencias Tcnicas, Ingeniero Electricista, Profesor de la Universidad Tecnolgica de la Habana, La Habana, Cuba.

III.            Doctor en Ciencias Mencin Instrumentacin, Ingeniero Electricista, Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.

Resumen

El propsito de esta investigacin es modelar y simular la Microrred elctrica de la Universidad Tcnica de Manab, que alberga edificios administrativos y acadmicos. Se plantea una metodologa descriptiva, de campo; recolectando datos mediante observacin directa, recorriendo el sistema elctrico y registrando las cargas conectadas representadas por edificios, realizando mediciones de parmetros elctricos, utilizando un analizador de redes, permitiendo establecer cargas criticas de alto consumo. A partir de esta caracterizacin, se realizaron modelos matemticos basados en flujos de potencia, los cuales son la base para realizar simulaciones de la microrred empleando el software ETAP, y se procedi a estudiar diferentes escenarios de operacin. El anlisis comparativo para validar el modelo obtenido, arrojo pequeas diferencias entre los valores medidos y los simulados. Una vez determinado el modelo de la red elctrica de la universidad, facilita el estudio de diferentes escenarios de operacin de esta microrred, con el propsito de valorar mejor el impacto de la generacin en la red, as como, la ubicacin recomendable para la penetracin de las fuentes renovables de energa entre las cuales destaca las instalaciones fotovoltaicas y la generacin elica.

Palabras Claves: Flujos de potencia; microrred elctrica; software ETAP.

Abstract

The purpose of this research is to model and simulate the electrical microgrid of the Technical University of Manab, which houses administrative and academic buildings. A descriptive, field methodology is proposed; collecting data through direct observation, touring the electrical system and recording the connected loads represented by buildings, making measurements of electrical parameters, using a network analyzer, allowing to establish critical loads of high consumption. From this characterization, mathematical models based on power flows were made, which are the basis for simulating the microgrid using the ETAP software, and different operating scenarios were studied. The comparative analysis to validate the obtained model, yielded small differences between the measured and simulated values. Once the model of the university's electrical network has been determined, it facilitates the study of different operating scenarios of this microgrid, in order to better assess the impact of generation on the network, as well as the recommended location for the penetration of renewable sources of energy, among which photovoltaic installations and wind generation stand out.

Keywords: Power flows; electrical microgrid; ETAP software.

 

Resumo

O objetivo desta pesquisa modelar e simular a microrrede eltrica da Universidade Tcnica de Manab, que abriga edifcios administrativos e acadmicos. proposta uma metodologia de campo descritiva; recolher dados atravs da observao directa, percorrer o sistema elctrico e registar as cargas ligadas representadas pelos edifcios, fazer medies dos parmetros elctricos, atravs de um analisador de rede, permitindo estabelecer cargas crticas de elevado consumo. A partir dessa caracterizao, foram feitos modelos matemticos baseados em fluxos de potncia, que servem de base para a simulao da microrrede no software ETAP, e estudados diferentes cenrios de operao. A anlise comparativa para validar o modelo obtido, rendeu pequenas diferenas entre os valores medidos e simulados. Uma vez determinado o modelo da rede eltrica da universidade, ele facilita o estudo de diferentes cenrios de operao desta microrrede, de forma a melhor avaliar o impacto da gerao na rede, bem como a localizao recomendada para a penetrao de fontes renovveis de. energia, entre as quais se destacam as instalaes fotovoltaicas e a gerao elica.

Palavras-chave: Fluxos de potencia; microrrede eltrica; software ETAP.

 

Introduccin

La energa es uno de los principales vectores de la evolucin humana [1]. Sin embargo, en la actualidad segn datos de las Naciones Unidas, en torno a 1.600 millones de personas en el mundo an no tienen acceso a la electricidad [2]. En ese sentido es de suma importancia el papel del sistema energtico en el desarrollo de los pueblos, as como, la aplicacin de un modelo de desarrollo sostenible [3]; adems en el contexto actual, es previsible una crisis del sistema energtico mundial, principalmente aquellos que se sustentan en fuentes de origen fsil, que han promovido conflictos geopolticos y de debate social [4].

El aumento progresivo en el uso de electricidad est implcito en la vida diaria del ser humano en sus mltiples labores, por la necesidad de incrementar las horas de luz del da, entre otras aplicaciones [5]. El consumo excesivo de energa sustentado en combustibles fsiles, ha trado como consecuencia la emisin de gases de efecto invernadero (GEI), principalmente CO2, entre otros contaminantes, por ende, daos al sistema climtico y agotamiento del petrleo [6].

El cambio de la matriz productiva energtica en Ecuador, se desarrolla en el marco de un debate complejo, en la cual se busca un aumento de capacidad productiva, promover una cultura del uso consciente de la energa en los ecuatorianos [7, 8] y el aporte colaborativo de todos los sectores productivos [9]. En este sentido, se promueve como objetivo estratgico, una matriz de cambio energtico, lo cual representa una tarea enorme que involucra a todos los sectores, principalmente a las Universidades, que tienen que dedicarse a estudiar, debatir y difundir los contenidos y propsitos de este cambio [6].

En este orden de ideas, el Ministerio de Electricidad y Energa Renovable (MEER), lidera un proyecto denominado Polticas y Estrategias para el cambio de la Matriz Energtica del Ecuador [10], el cual tiene como objetivo principal la planeacin del sector energtico del pas [10]. La planificacin integral del sector energtico es considerada un factor clave para convertir al Ecuador en un pas autosuficiente, sustentable y soberano en materia energtica, orientada hacia una economa post petrolera [11].

El sector universitario, tiene que jugar un papel primordial en el cambio de la matriz energtica del pas, en este sentido, la Universidad Tcnica de Manab (UTM), busca promover que sus sistemas de redes elctricas, incluyan Fuentes Renovables de Energa (FRE), para lo cual es necesario conocer el comportamiento actual de los mismos; con el fin de definir el perfil de consumo de energa elctrica de sus instalaciones; es por ello que, antes de iniciar cualquier medida de ahorro y eficiencia energtica, es imprescindible, tener datos estadsticos precisos del consumo energtico por centros y edificios [12].

Una microrred es un sistema autnomo que opera conectado o bien desconectado de las redes elctricas, esta particularidad permite que sean una alternativa viable y sustentable [13], de la definicin de generacin distribuida surge el concepto de microrredes que son un conjunto de cargas, generadores y sistemas de almacenamiento de energa, aislados o conectados a la red convencional elctrica, que pueden ser gestionados de manera coordinada para suministrar electricidad de forma fiable [14]. Sin duda, las microrredes se pueden aplicar a diferentes sectores, como son el sector domstico y sector econmico; este ltimo se aplica en cuatro niveles sector primario, secundario, terciario y cuaternario. Siendo el sector terciario el que ofrece servicios a la sociedad tanto el campo comercial, turstico, sanitario y educativo [15].

Actualmente, se pueden integrar diferentes tecnologas de generacin elctrica, uniendo las tradicionales con las FRE, en un esquema llamado Microrred, entendida como un caso particular, de uno ms general conocido como Red Inteligente (en ingls Smart Grid). Una microrred se puede definir como una agregacin de elementos elctricos en baja tensin de generacin, almacenamiento y cargas (usuarios), los cuales se encuentran agrupados en una cierta rea geogrfica acotada [16]. Las microrredes son ms resilientes que los sistemas elctricos convencionales, basados en energas renovables. Por lo tanto pueden aumentar su flexibilidad y adaptabilidad ante eventos exgenos y endgenos perturbadores, lo que incide directamente en la sustentabilidad, aumento de la confiabilidad local, reduccin de las prdidas por transporte, soporte local de tensin, entre otros [17].

La UTM posee una RED elctrica de media tensin en 13,8 KV, que suministra energa elctrica a toda la ciudad universitaria; esta red de distribucin de energa se puede considerar dentro de las microrredes, en virtud a que es un sistema pequeo, que la cual se pueden combinar tecnologas de energas convencionales y energas renovables, obteniendo as, una alta fiabilidad, eficiencia y un costo econmico competitivo [15].

Para poder evaluar la perspectiva y el nivel de penetracin de las FRE en la microrred de la UTM, es necesario determinar el perfil de consumo energtico de la misma. Es por esto, que es necesario, realizar estudio de un modelo matemtico para estimar el comportamiento de la misma. En este sentido, un modelo matemtico es la representacin simplificada de la realidad, mediante el uso de funciones que describen su comportamiento, o de ecuaciones que representan sus relaciones [18].

Por ello, es necesario disponer de indicadores fiables, tanto para la situacin de partida, antes de iniciar cualquier medida de cambio de la red elctrica, como durante el funcionamiento de las instalaciones [19]. Estos indicadores pueden ser de varios tipos, aunque lo recomendable es realizar un modelo o circuito equivalente que permita realizar corridas de flujos de potencia y as determinar de manera eficiente el punto ms adecuado de la penetracin de las FRE [20].

Un paradigma que ha cambiado los mtodos de estudios de las redes elctricas es la utilizacin de software de simulacin [21, 22] para el anlisis de flujos de cargas, mediante una metodologa basada en un enfoque paso a paso cuyos conceptos fundamentales son enseados con la ayuda de software de simulacin [23]- [24]. Las universidades deben estar en la vanguardia de los procesos de ahorro y eficiencia energtica, buscando estar al mismo nivel, y preferiblemente superior al resto de la sociedad [25].

El objetivo de esta investigacin es modelar y simular la Microrred elctrica de la UTM. Una vez identificado el modelo de la red elctrica, se podrn estudiar diferentes escenarios de operacin de esta microrred, con el propsito de valorar mejor el impacto de la generacin, as como, la ubicacin ms adecuada para la penetracin de las fuentes renovables de energa entre las cuales destaca las instalaciones fotovoltaicas y la generacin elica.

 

Metodologa

La investigacin plantea una metodologa de modelado y simulacin de una Microrred, por medio del levantamiento de la informacin, utilizando un analizador de RED Modelo FLUKE 434 que permite evaluar la calidad de la energa, adems se estudio la ciudad universitaria de la UTM, verificando planos elctricos y a su vez se registraron los tipos y calibres de conductores, transformadores, y la demanda estimada de cada edificio, para elaborar un modelo matemtico terico a partir de la observacin directa; todas las anotaciones y mediciones registradas se contrastan con simulaciones realizadas con el software ETAP.

En la figura 1, se presenta un diagrama con pasos a seguidos en el desarrollo de esta investigacin, los cuales tienen un nivel descriptivo y analtico, en virtud que la bsqueda de informacin, se realiz de forma directa mediante observaciones de campo en la UTM, registrando los elementos conectadas a la red elctrica de media tensin, para verificar las caractersticas tcnicas de los conductores instalados en la red elctrica, as como las distancias existentes entre las diferentes edificaciones de la UTM, elaborando una ficha tcnica de los transformadores para los parmetros elctricos de niveles de tensin e impedancias equivalentes, indagando la demanda de potencia estimada de cada edificio, adems de a partir de la informacin recopilada se efectu un modelo matemtico terico-prctico, que fue posible a partir del uso de empleo del software ETAP, valorando los flujos de potencia para estudiar diferentes escenarios de operacin, en los cuales debe medirse los impactos al combinar tecnologas de energas convencionales y energas renovables. Finalmente, mediante mediciones elctricas, con el analizador de redes (Modelo FLUKE 434), se contrastaron los valores obtenidos en el modelo propuesto con dichas mediciones, lo que permiti validar el modelo.

 


Figura 1: Metodologa de de modelado y simulacin de Microrred elctricas.

Fuente: Elaboracin propia

 

En los sistemas elctricos de distribucin de energa, el alimentador principal, los conductores y las cargas tienen caractersticas intrnsecas [26]. Con las caractersticas elctricas, es posible adaptar un modelo equivalente particular que sea adecuado para representar el comportamiento de la red elctrica estudiada [27]. Con el modelo alcanzado es posible realizar diferentes anlisis, como: cadas de tensin y encontrar puntos crticos de mnima tensin [28].

 

Anlisis y Discusin de Resultados

Se realizo un recorrido por la ciudad universitaria de la UTM, en el cual se registraron los elementos conectados a la red de media tensin, el alimentador principal, se caracteriz como una RED externa, para lo cual se solicito a la empresa prestadora del servicio elctrico (Corporacin Nacional de Electricidad CNEL EP), las potencias de cortocircuito asociadas en dicho punto de entrada, y a partir de estos valores se determinaron los valores de impedancia, en secuencia positiva, negativa y cero.

 

 

 

Tabla 1: Caractersticas tcnicas del alimentador RED Externa

Potencia de Cortocircuito

(Pcc)

Impedancia

R

X

Pcc

3P

61

MVA

Z1

0,4534

3,0784

Pcc

2P

53

MVA

Z2

0,4534

3,0784

Pcc

1P

55

MVA

Z0

0,6004

4,1652

Fuente: Elaboracin propia a partir de datos de CNEL.EP-Manab (2021)

 

Se instal el equipo de medicin analizador de redes (marca FLUKE modelo 434), que permiti evaluar la Calidad de Energa y se determin los parmetros necesarios a travs de las tendencias del consumo de energa elctrica de forma tcnica, en los edificios correspondientes a: Rectorado, ICB, Docente y Financiero.

Los modelos matemticos equivalentes, utilizados para simular la Microrred, son: de impedancia constante, de corriente constante y potencia constante; el modelo de potencia constante es el ms utilizado para el anlisis de flujo de carga y el modelo de impedancia constante es ms comn en los estudios de cortocircuitos o fallas elctricas [29].

En esta investigacin se combinaron modelos de impedancia con los de flujo de carga. Las ecuaciones para describir el comportamiento de diferentes componentes del sistema elctrico, son modelos ideales o aproximados, teniendo en cuenta que algunos elementos tienen sus parmetros distribuidos longitudinalmente a travs de ellos, en este sentido los modelos de impedancia para las lneas de transmisin de energa se obtienen mediante un anlisis longitudinal.

Se tomaron mediciones de distancias fsicas, siguiendo el recorrido de la lnea de transmisin de energa de media tensin instalada en la UTM, como se aprecia en la figura 2, se anotaron distancia de ubicacin de las cargas, alimentador principal, derivaciones, calibre y tipo de conductor mediante fichas tcnicas, lo que permiti sistematizar la informacin de campo, para su posterior clculo de valores de impedancia RL, una vez levantado toda esta informacin correspondiente al plano del circuito elctrico de la Microrred, se procedi a determinar la impedancia equivalente en cada tramo de lnea.

 

 

 


Figura 2: Recorrido de la microrred de media tensin de la UTM

Fuente: Elaboracin propia

 

En los sistemas de distribucin de energa de media tensin, por lo general se utilizan conductores de aluminio desnudo, tal como se muestra en la tabla 2, o cables o tripolares aislado en polietileno de cadena cruzada XLPE, la impedancia de estos conductores son de parmetros distribuidos a lo largo de ellos, por esta razn hay cadas de tensin en la lnea, provocando puntos de mnima tensin dentro de la red elctrica, adems en los conductores hay prdida de energa por unidad de carga que se convierte en calor; con fines prcticos se introducen simplificaciones en el clculo de los parmetros, simplificaciones que dependen de la longitud de la lnea. Para lneas cortas se puede definir un modelo RL a partir de caractersticas tcnicas proporcionadas por los fabricantes.

Los conductores de aluminio desnudo tipo ASC o AAC son cableados concntricamente, y son construidos con alambres de aleacin 1350-H19, como se muestra en la figura 3. Estos conductores son de aluminio desnudo del tipo ASC (Aluminum Strand Conductor) AAC (All Aluminum Conductor) trenzados clases AA y A son utilizados para lneas de transmisin y distribucin de energa elctrica [30].


Figura 3: A) Conductor desnudo de aleacin de aluminio, B) Conductor XLPE.

Fuente: [30]

 

La distribucin de energa subterrnea se realiza mediante conductores de media tensin con chaqueta aislante, unos de los conductores utilizados es el cable XLPE, con chaqueta aislante de polietileno reticulado o XLPE. La reticulacin confiere buena estabilidad frente a los cambios de temperatura, y no varan sus propiedades mecnicas ante el calor, as como una mayor flexibilidad y resistencia al impacto respecto al polietileno.

 

Tabla 2: Caractersticas Tcnicas de Conductores de Aluminio ARVIDAL en 13,8 KV. Fuente: [31]

Caracterstica

AWG

4

2

1/0

2/0

3/0

4/0

rea

mm2

21,2

33,6

53,5

67,4

85,0

107,3

Dimetro

mm

5,9

7,4

9,4

10,5

11,8

13,3

Resistencia

Ω/Km

1,570

0,987

0,620

0,492

0,390

0,310

Reactancia

Ω/Km

0,3851

0,3564

0,3375

0,3302

0,3215

0,3127

Tensin de ruptura

KG

675

1073

1715

2070

2610

3295

Peso

Kg/Km

57,7

91,8

148,1

184

232

293

Capacidad de Corriente

A

134

180

242

282

327

380

Conductor ARVIDAL a 75 C, velocidad de viento de 2,254 Kmh, con una temperatura de aire 25 C

 

Se levantaron Ficha tcnica para el registro de impedancias de conductores, mostrados en la tabla 3, de Impedancias Equivalentes de la red elctrica de la UTM, se tiene un Identificador el cual se us para ubicar el tramo de lnea dentro del software de simulacin, adems se tiene informacin sobre el tipo de conductor, la distancia del mismo, la resistencia y la reactancia inductiva respectiva, en las fichas de registro de los transformadores, tal como se describe en la tabla 4, si el equipo es monofsico o trifsico con los parmetros elctricos requeridos para su anlisis, as como potencia, tensin, corriente y sus impedancias porcentual y en ohm.

 

Tabla 3: Ficha Tcnica para el registro de impedancias de conductores. Fuente: Elaboracin propia

N

Identificador

Tipo

Tipo de

Conductor

Distancia

(m)

R (Ω)

X (Ω)

Ro (Ω)

Xo (Ω)

1

L1#2/0_ASC

Cable

ASC # 2/0

130

0,06396

0,042926

0,0658788

0,0442138

2

L1 #4/0_ASC

Cable

ASC # 4/0

40

0,0124

0,012508

0,012772

0,0128832

 

El estudio del comportamiento de la Microrred de la UTM, se realiz con el apoyo del software de simulacin ETAP, que permite evaluar el comportamiento de fuentes de energa renovables teniendo en cuenta la variabilidad que estos recursos tienen a lo largo del da [32]. Esta herramienta computacional para el clculo y simulacin de flujo de potencia, permitiendo planificar acciones de incorporacin de nuevos circuitos de generacin, que dan lugar a modificacin de las condiciones de operacin de la red elctrica, as como, establecer puntos de compensacin reactiva para que el sistema opere en ptimas condiciones [33].

 

Tabla 4: Ficha Tcnica para el registro de transformadores

N

Tipo Transf

Ubic.

Pot.

KVA

Tensin

Corriente

TTR

 

Z (%)

 

Z (Ω) BT

 

Req (Ω) BT

 

Xeq (Ω) BT

 

X/R

Primario (KV)

Sec..

(V)

Pri. (A)

Secundario (A)

T1

Monof.

LAB. Suelos

50

13,2

7620

120

 

6,5

416,6

635

218

0,0062

0,0017

0,0060

3,48

T2

Trif.

ICB

100

13,8

 

220

127

4,1

262,4

627357

239

0,0115

0,002

0,0113

5,12

 

La simulacin computacional permite evaluar de forma rpida y simple mltiples escenarios de funcionamientos, por lo cual se tienen resultados de corridas del flujo de carga para diferentes consumos horarios, u horas pico de consumo energtico; adems permite evaluar el comportamiento del circuito completo o su equivalente reducido. Los modelos reducidos basados en flujos de potencia se pueden llevar a cabo en una lnea corta de transmisin de energa la cual se utiliza para llevar el flujo de potencia desde el alimentador principal hasta una carga inductiva conectada al extremo de la lnea.

Donde:

(1)

Sustituyendo

(2)

Tomando en cuenta que X>>R

(3)

Adems

(4)

(5)

Una vez recopilados los datos tcnicos de la Microrred en las fichas de registro, se procedi a calcular los parmetros de impedancia equivalente de las lneas de distribucin de energa, as como los parmetros elctricos de los transformadores y estimar los consumos energticos de los edificios que conforman la Microrred de la UTM. Con la informacin recopilada se elaboro un modelo terico prctico, relativamente complejo con las cargas, transformadores, lneas distribucin de energa con una troncal principal y muchas derivaciones. Dicho modelo posibilita la determinacin puntos de mnima tensin y flujos de potencia, mediante la herramienta de anlisis computacional ETAP. Las simulaciones realizadas arrojan informacin tcnica de flujos de potencia, as como de la tensin nominal en barra y su valor porcentual estimado en funcionamiento, lo que permite deducir algunos puntos crticos dentro de la red elctrica, en la tabla 5, se tienen los resultados parciales de la corrida de flujo de carga de la Microrred elctrica de la UTM.

 

Tabla 5: Estimacin porcentual de tensin en Barra y Flujo de Carga de la Microrred elctrica de la UTM simulada con ETAP.

N

Bus ID

Nominal kV

Voltage

MW Loading

N

Bus ID

Nominal kV

Voltage

MW Loading

1

Bus_01

13,8

99,98

2,039

25

Bus_Frente_Mtto

13,8

99,98

0,02

2

Bus_09

13,8

99,83

0,283

26

Bus_HIDRAULIC

0,22

98,31

0,065

3

Bus_ADMINISTRACIN

0,22

98,5

0,086

27

Bus_HIDRAULICA

13,8

99,75

0,066

4

Bus_ANFITEATRO

13,8

99,8

0,019

28

Bus_HUMANISTICA

13,8

99,75

0,055

5

Bus_ANFITEATRO2

13,8

99,8

0,02

29

Bus_HUMANISTICA_B

13,8

99,75

0,083

6

Bus_AUDITORIA

0,22

97,2

0,17

30

Bus_ICB

0,22

97,42

0,121

7

Bus_BIBLIOTECA

0,22

98,89

0,11

31

Bus_IDIOMA

13,8

99,74

0,055

8

Bus_BIENESTAR SOCIAL EST.

13,8

99,79

0,03

32

Bus_IDIOMAS

0,22

98,5

0,055

9

Bus_BOMBA DE AGUA

13,8

99,98

0,017

33

Bus_INFORMTICA

0,22

98,78

0,076

10

Bus_BOM_ AGUA_BT

0,22

98,43

0,017

34

Bus_INFORMTICA-AULAS

13,8

99,79

0,046

11

Bus_C.COMPUTO

13,8

99,79

0,027

35

Bus_ING.INDUSTRIA

13,8

99,74

0,02

12

Bus_CLNICA DE SIMULACIN

0,22

99,51

0,014

36

Bus_INST_INVEST

0,22

98,39

0,065

13

Bus_DOCENTES I

0,22

97,49

0,061

37

Bus_LAB. ICB

0,22

96,39

0,06

14

Bus_DOCENTES II

0,22

99,25

0,044

38

Bus_LAB.IND

13,8

99,74

0,041

15

Bus_DOCENTES II B

13,8

99,88

0,045

39

Bus_LAB.IND BT

0,22

96,76

0,04

16

Bus_DOCENTES III

0,22

98,38

0,051

40

Bus_LAB.SUELOS

13,8

99,76

0,031

17

Bus_DOCENTES III A

13,8

99,88

0,051

41

Bus_MATEMTICAS

0,22

99,01

0,035

18

Bus_ENFERMERIA

0,22

98,59

0,077

42

Bus_MATEMTICAS II

0,22

99,17

0,028

19

Bus_FAC.HUMANISTICA

0,22

99,67

0,003

43

Bus_MEDICINA

0,22

97,87

0,168

20

Bus_FEUE

13,8

99,87

0,018

44

Bus_PARALINFO

0,22

98,39

0,037

21

Bus_FF

13,8

99,8

0,029

45

Bus_PARQUEADERO

13,8

99,73

0,005

22

Bus_FILOSOFA

0,22

99,56

0,009

46

Bus_Rect

13,8

99,78

0,035

23

Bus_FINANCIERO

0,22

97,21

0,081

47

Bus_RECTORADO

0,22

98,34

0,083

24

Bus_FINANZA

13,8

99,8

0,009

48

Bus_VETERINARIA

13,8

99,73

0,018

Fuente: Elaboracin propia

 

Para tomar las medidas de consumo de energa elctrica de forma tcnica, se seleccionaron los edificios: Rectorado, ICB, Docente y Financiero. Dicho criterio de seleccin se baso en juicio de experto, procurando evaluar edificaciones de flujo continuo de consumo. Estos espacios fsicos representan los mayores puntos crticos porque los mismos de acuerdo a sus funciones y servicios que prestan a la comunidad universitaria atienden gran nmero de usuarios diariamente. Se instalo el equipo analizador de red FLUKE 434, Desde 6/7/2017 5:25:24 PM Hasta 6/8/2017 5:13:24 PM, para registrar el consumo energtico, tensin, corriente y potencia por cada fase, as como la potencia total. En la figura 4 se muestra una serie de curvas de potencia, tensin y corriente medidas con el analizador de red FLUKE 434 para el edificio de Rectorado.

La Microrred elctrica estudiada es relativamente grande, se procedi a realizar un modelo reducido para el anlisis comparativo del comportamiento, en este sentido se crearon subsistemas internos, que descritos elctricamente, son cargas estticas que representan el consumo de potencia activa y reactiva (P/Q) en un nodo o barra.


Figura 4: Curvas de Potencia, tensin y corriente medidas con el analizador de red Fluke 434 para el edificio de Rectorado.

Fuente: Elaboracin propia

 

En cuatro puntos de carga representativos, se tomaron mediciones elctricas con un analizador de redes FLUKE 434, como se observa en la figura 5, la potencia total activa y la corriente en cada uno de los edificios donde se conect el analizador de red, donde el mayor consumo energtico correspondi al edificio del ICB, adicionalmente el periodo de mayor consumo, o horario pico, se desarrolla en el intervalo correspondiente entre las 6 am y las 8 pm, teniendo una disminucin significativa de consumo de energa en horas de medio da.

 


Figura 5: Curvas de Potencia Total y Corriente de Lnea en cada edificio UTM.

Fuente: Elaboracin propia

 

Modelo Elctrico Simplificado

Las barras donde se realizaron las mediciones elctricas, se conservaron de forma original, mientras que el resto fue remplazado por cargas estticas que representan el flujo de potencia en la lnea, para ello se seleccionaron puntos crticos y se estudiaron los flujos de potencia a travs de ellos, como se muestra en figura 6, en la cual un subsistema elctrico complejo fue remplazado por uno mucho ms simple. Este mtodo de reduccin de redes, por medio del estudio del comportamiento del flujo de carga, se considera muy efectivo en virtud de que no provoca diferencias significativas con respecto al sistema original en cuanto a los resultados de simulacin; adicionalmente el uso de modelos simplificados implica menores esfuerzos que el anlisis de la red compleja, con resultados aproximados.

 

 

 

Figura 6: Modelos complejos a Modelos reducidos.


Fuente: Elaboracin propia

 

En la tabla 6 estn los resultados de una corrida de flujo de potencia del modelo reducido de la red elctrica destacando las barras seleccionadas en donde se realizaron mediciones por medio del equipo FLUKE 434.

 

Tabla 6: Flujo de Carga de la Microrred elctrica de la UTM con Modelo Reducido.

N

Bus ID

Nominal kV

Amp Rating

Type

Voltage

MW Loading

N

Bus ID

Nominal kV

Amp Rating

Type

Voltage

MW Loading

1

B19

13,8

0

Load

99,82

0,654

17

Bus_DOC III

0,22

0

Load

98,73

0,039

2

B60

13,8

0

Load

99,89

0,814

18

Bus_DOC III A

13,8

0

Load

99,89

0,04

3

B62

13,8

0

Load

99,89

0,04

19

Bus_Eq_2A

13,8

0

Load

99,77

0,446

4

B66

13,8

0

Load

99,81

0,178

20

Bus_Eq_4

13,8

0

Load

99,77

0,147

5

B67

13,8

0

Load

99,8

0,096

21

Bus_Eq_6

13,8

0

Load

99,82

0,077

6

B72

13,8

0

Load

99,8

0,069

22

Bus_Eq_9

13,8

0

Load

99,84

1,003

7

Bus_01

13,8

0

Load

99,98

1,919

23

Bus_Eq_11

13,8

0

Load

99,84

0,349

8

Bus_2

13,8

0

Load

99,8

0,069

24

Bus_Eq_13

13,8

0

Load

99,81

0,132

9

Bus_02

13,8

0

Load

99,89

1,881

25

Bus_Eq_17

13,8

0

Load

99,88

1,021

10

Bus_4

13,8

0

Load

99,8

0,035

26

Bus_Eq_19

13,8

0

Load

99,89

1,067

11

Bus_05

13,8

0

Load

99,81

0,082

27

Bus_Eq_20

13,8

0

Load

99,82

0,774

12

Bus_6

13,8

0

Load

99,8

0,027

28

Bus_FINANCIERO

0,22

0

Load

97,22

0,081

13

Bus_06

13,8

0

Load

99,8

0,034

29

Bus_ICB

0,22

0

Load

98,56

0,064

14

Bus_20

13,8

0

Load

99,81

0,578

30

Bus_RECTORADO

0,22

0

Load

99,21

0,034

15

Bus_23

13,8

0

Load

99,81

0,082

31

Bus_RED Ext

13,8

0

SWNG

100

1,92

16

Bus44

13,8

0

Load

99,8

0,034

 

 

 

 

 

 

 

Fuente: Elaboracin propia

 

En la figura 7 se muestra el modelo reducido de la Microrred utilizada para el anlisis comparativo y simulacin correspondiente. Para validar el modelo se procedi a realizar una simulacin de flujo de carga para los periodos horarios de: 6am, 8am, 10am, 12pm, 2pm, 4pm, 6pm; para realizar un contraste de los valores obtenidos por medio de las mediciones registradas, con respecto a los valores obtenidos por el software de anlisis.

 


Figura 7: Circuito elctrico simplificado Microrred de la UTM.

Fuente: Elaboracin propia

 

La figura 8 y 9 muestra una curva comparativa entre los valores de tensin medidos con el analizador de red FLUKE 434 y simulados con el software ETAP en los edificios de : Docente, Rectorado, ICB y Financiero de la Microrred de la UTM; se estudio el Circuito elctrico simplificado de la Microrred, en ciclos durante el da y se obtuvieron pequeas diferencias entre los valores medidos y los simulados. A las 10:00 a. m. los edificios Docente, Rectorado, ICB y Financiero, registraron mediciones de tensin de: 210,97 V, 218,56 V, 208,72 V y 216,51 V respectivamente, los valores simulados mediante el modelo desarrollado son: 211,6V, 217V, 208,8V y 216,7 respectivamente, lo que evidencia la correspondencia del modelo con el comportamiento real.


Figura 8. Curvas comparativas entre los valores medidos y simulados en los edificios Docente y Rectorado Microrred de la UTM.

Fuente: Elaboracin propia

 

Para validar el modelo, se procedi a analizar el comportamiento en otros horarios de carga, como el caso de las 4:00 p. m. donde se registraron las siguientes mediciones en cada uno de los edificios bajo estudio: 211,83V, 218,56V, 208,72V y 216,51V en comparacin con valores simulados mediante el modelo, mediante el cual se obtuvieron nuevamente, mediciones muy cercanas a las reales, las cuales fueron: 211,8V, 217,6V, 208,9V y 216,4V respectivamente.


Figura 9: Curvas comparativas entre los valores medidos y simulados en los edificios ICB y Financiero Microrred de la UTM.

Fuente: Elaboracin propia

 

Conclusiones

La metodologa de modelacin para sistemas de distribucin de energa, tambin puede aplicada en sistemas transmisin que trabajen conectados a la red elctrica o aislada de ella. Al combinar modelos basados en impedancia y flujos de potencia se obtiene un circuito equivalente que proporciona informacin muy cercana a la realidad. El modelo elctrico reducido de la microrred de la UTM es de gran utilidad, en virtud que permite realizar simulaciones de flujos de potencia con el software ETAP, para evaluar el comportamiento de diferentes escenarios de operacin en donde se integren generacin elctrica convencional, as como, las de energas renovables.

La modelacin y simulacin de la microrred de la Universidad Tcnica de Manab, es una herramienta necesaria para la realizacin de estudios de optimizacin e incorporacin de FRE, todo lo anterior de manera cnsona con los proyectos y lneas nacionales para la ampliacin de la matriz energtica del ecuador, la metodologa desarrollada en este trabajo puede servir de gua para la modelacin y simulacin de estructuras y organizaciones similares, tambin se abren las posibilidades de elaborar proyectos y estudios con fines didcticos, donde los estudiantes puedan evaluar casos de estudios y situaciones tcnicas de operacin.

 

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