Concepción de un
simulador para el entrenamiento de operadores de centrales hidroeléctricas
y
desarrollo del arranque de un generador
Conception of a simulator for training operators of hydropower plants and development of the starting of a generator
Juan Carlos
García-Arredondo1,2, José Ramírez-Scarpetta 3
1 Universidad del Valle, Colombia.
Email: juangarcia1439@gmail.com
2Institución Universitaria Antonio
José Camacho, Colombia. Email: jcgarcia@admon.uniajc.edu.co
Universidad del Valle, Colombia. Email:
jose.ramirez@correounivalle.edu.co
RESUMEN
En el entrenamiento de operadores de
centrales hidroeléctricas, el operador aprendiz puede realizar una mala
maniobra, con salidas de operación o daños en los equipos, con los costos que
ello implica para la empresa. Un simulador permite el entrenamiento de
aprendices en condiciones de seguridad en la operación y además permite
entrenar a los operadores en situaciones inusuales con condiciones críticas de
operación o de falla. Este artículo presenta la concepción de un simulador de
entrenamiento para operadores de centrales hidroeléctricas. Inicialmente, se
definen los sistemas y equipos y las condiciones para la operación del generador.
Después, se presentan los requerimientos para el simulador y los casos de uso;
con ellos, se diseña la arquitectura software y hardware y las interfaces con
el usuario. Finalmente, se muestra el desarrollo y prueba de las interfaces
para el arranque del generador, mediante el uso del software de programación
LabVIEW®. En las pruebas se aprecia a las interfaces que se conectan con los
modelos matemáticos de los subsistemas. Esta conexión de los modelos con las
interfaces del simulador, puede ser vista por el cambio en el estado de las
variables que conforman las interfaces.
PALABRAS
CLAVE: Simulador de
entrenamiento, Centrales hidroeléctricas,
Modelos, Grupo de generación, LabVIEW®, Requerimientos,
Interfaz, Casos de uso, Operador.
ABSTRACT
In the training of operators of hydropower plants, the
apprentice operator could make a bad handling, which could stop the whole
operation of the plant or damage the equipment, generating unwanted costs to
the enterprise. A simulator allows training of apprentices in safe conditions
during the operation and allows the training of operators in unusual situations
with critical operating conditions or failure. This
paper presents the design of a training simulator for operators of hydropower
plants. Initially, systems and equipment are defined as well as the initial
conditions for the correct operation of the generator. Then, the requirements
for the simulator and use cases are presented and the software and hardware
architecture and user interfaces are designed. Finally, the development and
testing of interfaces for the starting of the generator are shown by using
LabVIEW® programming software. Tests show the interfaces that connect with
mathematical models of subsystems. This connection of models with the interfaces
of the simulator can be seen due to the change in the state of the variables
that are part of the interfaces.
KEYWORDS:
Training simulator, Hydropower, Models, Generation group, LabVIEW,
Requirements, Interface, Use Case, Operator.
INTRODUCCIÓN
Una mala maniobra o una respuesta lenta
ante una falla en el sistema de generación de energía eléctrica, perjudica a
los componentes eléctricos y mecánicos del control de generación, con problemas
para las empresas de energía, ya que implica no brindar a los usuarios la
confiabilidad que se espera del sistema. Una solución para ayudar a evitar
estas deficiencias, es el entrenamiento de operadores de la sala de control. No
es técnica ni económicamente viable entrenar al operador con el proceso físico,
por las limitaciones operativas y la calidad del servicio y por los costos que
implica tener condiciones operativas especiales. Por lo tanto, es importante
contar con simuladores para el entrenamiento y la capacitación del personal de
operación de las centrales.
El uso de simuladores para el entrenamiento
y la capacitación del personal de operación de las centrales. El uso de
simuladores para el entrenamiento de operadores que maniobran un sistema, ha
mostrado ser una de las mejores formas de capacitar al personal [1] y desarrollar procedimientos
operacionales. Además, se ha demostrado su
utilidad y una relación costo/beneficio muy importante, ya que contribuyen
fuerte y efectivamente a lograr ahorros considerables a las empresas eléctricas
en el contexto de “reducción de pérdidas técnicas”. Los ahorros se obtienen por
el buen desempeño de operadores entrenados en apoyar a aumentar la
disponibilidad de los grupos de generación, en alargar la vida útil de sus
equipos, en aumentar la eficiencia energética y en apoyar en la reducción del
impacto ambiental. Por otro lado, un estudio de EPRI establece que en promedio,
por contribuir en los rubros mencionados, se logran ahorros de hasta 3000
USD/MW instalado/año. Por estas razones, empresas internacionales proveedoras
de simuladores establecen que si el entrenamiento de operadores se lleva a cabo
sólo a nivel teórico, se logra cuando mucho un
aprovechamiento de 25% al 30%, si se utilizan simuladores genéricos un 50% a
55%, y si se utilizan simuladores réplica, hasta 80% a 100% [2].
Por todo lo anterior, Varios simuladores han sido desarrollados, por ejemplo en
el área eléctrica en [1] se desarrolló
un simulador de entrenamiento para el control de tensión y estabilidad del
sistema de transmisión de 735 kV, reproduce la conducta
del proceso, pero no reproduce la sala de control MFDS (Model Forward for
Design Simulators).
En la implementación del simulador se
obtiene ecuaciones de equilibrio más no son ecuaciones que representen el
comportamiento dinámico del sistema. En [3] se realiza un simulador
en tiempo real para certificar y entrenar operadores de centrales y
subestaciones eléctricas. Para la modelación y simulación, se utilizó el
Toolbox de MATLAB Simpower Systems que cuenta con los modelos para los
diferentes subsistemas. La interface gráfica no es del tipo SCADA que permita
enfrentar al operador con pantallas reales del proceso. En [4] se realiza un simulador de entrenamiento para
operadores de centrales de energía geotérmica. Los
modelos matemáticos están escritos en lenguaje Fortran y el modelo de sistema de control distribuido (DCS) fue
desarrollado utilizando un modelamiento gráfico escrito en lenguaje C. En
[5] se
desarrolló para XM, un simulador de
entrenamiento tipo MFDS que reproduce el comportamiento
del sistema interconectado nacional colombiano. El
simulador utiliza algoritmos matemáticos para el modelado de los subsistemas y utiliza una arquitectura del tipo SCADA. En [6] se desarrolló un
FSS (Full Scale Simulators) o simulador de alcance total para el
entrenamiento en la operación de centrales termoeléctricas de 800 MW de la Industria Eléctrica de Rusia. El simulador utiliza algoritmos
matemáticos para el modelado de los subsistemas y el
uso de un sistema de control distribuido (DCS); para centrales hidráulicas,
objeto de este trabajo, en [7] se presenta el desarrollo de un simulador para el
entrenamiento tipo FSS para la
enseñanza e investigación en la operación de una central hidroeléctrica. El
simulador es realizado para una central específica. Para el modelado se tiene
en cuenta el software de FORTRAN 77, que no es amigable
para el uso de interfaces; en [8] se desarrolló un
simulador tipo MFDS que sirve
como entrenador para operarios de la central. El modelado de los subsistemas de la central, son obtenidos con base
en leyes físicas y el sistema
de control es del tipo DCS.; en [9], se presenta un sistema de entrenamiento FSS estático para una pequeña central hidroeléctrica.
Por ser un sistema estático no tiene en cuenta la influencia de modelos
matemáticos de los diferentes subsistemas, pero utiliza una arquitectura del
tipo SCADA.
Respondiendo a estas necesidades de apoyo
al trabajo en las centrales hidroeléctricas, en este artículo se concibe un
simulador de entrenamiento, que brinde apoyo a la formación de operadores y
desarrollo del arranque de un grupo de generación.
PROCESO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN UNA CENTRAL
HIDROELÉCTRICA
En esta sección, se hace una breve
descripción del proceso de generación de energía, en una central hidroeléctrica
de gran potencia. En una central de se tiene almacenada una cantidad de agua en un
embalse con energía potencial que se convierte en cinética al circular desde
cierta altura por una tubería de conducción que al final se estrecha para
aumentar la presión del agua y de esta forma pasar por la válvula de entrada
hasta la turbina para ponerla en marcha y así convertir la energía hidráulica en
energía mecánica. Esta energía provoca un movimiento de rotación del generador
que transforma dicha energía en electricidad. El conjunto formado por estas dos
máquinas se conoce como grupo hidroeléctrico. Como la generación de energía se
realiza continuamente, el proceso es clasificado como continuo. En la Figura 1,
se ilustran los principales componentes.
Figura 1. Esquemático para el proceso de generación
de energía eléctrica. Fuente. [10].
Sistemas
y equipos del proceso
En este ítem, se describen los principales
sistemas y equipos que cumplen una función específica, para el funcionamiento y
la puesta en servicio del grupo hidroeléctrico. Ver la Figura 2. A continuación en las subsecciones, se realiza
esta descripción.
Sistema
hidráulico.
Es el conjunto de elementos que generan
fuerza hidráulica: volumen de aceite presurizado por aire comprimido en el
tanque acumulador, tanque de depósito de aceite, sistema de electroválvulas,
bombas eléctricas, instrumentación de control, tuberías de carga y descarga del
sistema, etc.; acciona los álabes del distribuidor, la válvula de entrada y la
válvula de desvío.
Sistema
neumático.
Es el conjunto de elementos que generan
fuerza neumática: tanque de aire comprimido, electroválvulas, compresores,
instrumentación de control, tuberías, etc.; principalmente soporta el sistema
hidráulico del gobernador, también otros subsistemas como la protección contra
incendios.
Sistema
de puesta a tierra.
Es una ligazón metálica sin fusibles ni
protección, entre elementos de la central (penstok, equipos, tuberías de agua,
etc.) y electrodos enterrados, para que no existan voltajes peligrosos y se
permita el paso a tierra de corrientes de falla.
Figura 2. Sistemas del proceso de generación.
Fuente. [11] .
1.1.1. Sistema de
servicios auxiliares de corriente alterna.
Este sistema alimentado de una fuente
externa o de los mismos grupos, provee la fuente de corriente alterna para el
suministro de energía a los motores y los transformadores de distribución para
el alumbrado de la casa de máquinas.
1.1.2. Sistema de
servicios auxiliares en corriente continua.
Se compone de cargadores de baterías, banco
de baterías, barraje colector de fuentes, interruptor general del sistema,
barraje de distribución, interruptores de circuitos y las cargas propiamente
dichas. Con este sistema se tiene la seguridad del suministro para la operación
de los controles, relés de protección, anuncio y señalización y la iluminación
de emergencia.
1.1.3. Sistema de
levante de carga.
Puente grúa para el montaje y desmontaje de
los equipos.
1.1.4. Sala de
control.
Es el lugar en la casa de máquinas donde se
centraliza la operación, control, protección, medición, comunicación, maniobra,
y todo acto que afecte el desempeño de todos los equipos, sistemas y
componentes que se encuentran en servicio o reserva.
1.1.5. Sistema de
alarmas.
Recoge las novedades que se presentan en
los sistemas durante el servicio; se señalizan en los tableros de sala de
control y en los tableros de los equipos, acompañados de sonido de sirena; el
sistema consta de paneles porta pilotos, relés auxiliares, sirena e
interruptores de comprobación.
1.1.6. Sistema de
protecciones.
Señalizado en la sala de control; saca de
servicio equipos o componentes, en caso de avería grave. Incluye los sistemas
de seguridad contra incendios.
1.1.7. Sistema
grupo.
La unión de la turbina y el generador forma
un grupo. Un generador eléctrico convierte energía mecánica en
energía eléctrica. Al generador, se hace girar el rotor por medio de una fuerza
externa, generalmente proporcionada por una turbina impulsada por un flujo ya
sea de agua, vapor o por la fuerza producida por un motor de combustión
interna.
1.1.8. Sistema
regulador de velocidad.
Regula la velocidad en el eje de la turbina y en consecuencia la frecuencia del sistema;
como la frecuencia es dependiente del balance de potencia en el sistema, los
gobernadores de velocidad también controlan la potencia del grupo. La
frecuencia y la potencia eléctrica cambian constantemente en un sistema de
potencia debido a las variaciones en la carga, disparo de plantas generadoras o
fallas inherentes en el sistema. También vela por la
seguridad de la turbina y tubería de presión y participa en las funciones de
mando como arranque, sincronización y parada.
1.1.9. Sistema de
excitación.
Proporciona la corriente continua al
devanado de campo del generador sincrónico, para mantener el voltaje en
terminales constante, controla el flujo de potencia reactiva;
complementariamente, aumenta la estabilidad del sistema de potencia y
proporciona funciones de protección y limitación al generador y al excitador.
A continuación, se hace una descripción de
los principales modelos del proceso de generación de energía.
2.MODELOS
MATEMÁTICOS DE LOS PRINCIPALES SISTEMAS DEL PROCESO
Para que el simulador de entrenamiento
diseñado en este trabajo, tenga un comportamiento en tiempo real similar al
proceso de generación de energía, se consideran los modelos matemáticos del
control de excitación y velocidad. Adicionalmente, el del generador.
3.1.
Modelo para el control de excitación y velocidad
En este caso, se utilizan los modelos del
control de excitación y el control de velocidad, obtenidos en
[12] [13]. Estos modelos han mostrado buenos
resultados para diferentes condiciones de operación al ser validados en estos
trabajos, para estudios dinámicos de una central de la región.
3.2.
Modelo del generador sincrónico
Para el generador, se utiliza el modelo
propuesto en el toolbox de sistemas de potencia del software simulink de Matlab
[14]. El modelo se denomina
Synchronous Machine pu Standard. Para el régimen en vacío, es indispensable que
a la salida del modelo se coloque una pequeña carga (10% de la potencia activa
nominal). Esto, porque el modelo está implementado como una fuente de
corriente.
OPERACIÓN DEL GRUPO
En esta parte, inicialmente se hace una
descripción de las condiciones que deben cumplirse para la operación de un
Grupo Generador. Se continúa con la secuencia de pasos que debe seguir el
operador de una Central Hidroeléctrica, para realizar el proceso de arranque,
sincronización y la parada. Finalmente, se hace un análisis funcional y
tecnológico del sistema de generación, con base en el enfoque de los proyectos
de automatización.
Para la operación de las centrales
hidroeléctricas se exige un riguroso conocimiento de las maniobras
involucradas. Las maniobras que todo operario debe conocer a cabalidad son: el
arranque, la sincronización y la parada, según [15].
Para realizar el arranque de un grupo
turbina-generador debe seguirse una secuencia lógica que permita que éste sea
adecuado. Después de efectuado el arranque se procede a la sincronización con
el sistema de potencia. Las maniobras de arranque y sincronización se hacen en
conjunto. Finalmente, la parada de un grupo puede producirse por: fallas
internas del grupo, por operación o mantenimiento. En este trabajo se describe
el arranque, para su posterior implementación.
3.
3.1.
Secuencia de arranque del grupo
En la Figura 3 se muestra un diagrama
lógico, con las condiciones preliminares que deben verificarse inicialmente con
sus correspondientes estados y valores para los equipos, antes de realizar el
arranque. Para la comprensión de los diagramas lógicos, en la Figura 4 se
muestran las convenciones que se usan. Después, en la Figura 5 se muestra en un
diagrama de bloques el procedimiento a seguirse para el arranque de un grupo.
Con base en estos diagramas, más adelante, se desarrolla la interface para el
arranque del grupo.
3.2.
Sincronización
Después de efectuado el arranque del grupo,
se procede a la sincronización de éste con el sistema de potencia. En este
trabajo no se hace la sincronización.
3.2.1. Condiciones
para la sincronización.
Las condiciones para conectar el grupo al
Sistema Interconectado Nacional (SIN) son las siguientes:
·
El voltaje del grupo a conectar, debe ser igual al
voltaje de la red.
·
Las frecuencias de los sistemas a acoplar no
deben ser mayor del 1%.
·
La secuencia de las fases debe ser igual.
·
El ángulo de fase del grupo a conectar debe ser
igual al de la red.
Las maniobras de arranque y sincronización
se hacen en conjunto.
Figura
3. Condiciones Preliminares. Fuente. [15].
3.3.
Secuencia de parada del grupo
El control en una central, permite que una
orden de parada se ejecute estando el grupo con carga activa o reactiva.
Inmediatamente la carga baja a cero y el interruptor principal se abre. Para
realizar la parada, el mando de arranque debe estar en el modo manual o
automático, la secuencia que se desencadena es la contraria a la de arranque.
En este trabajo no se hace la parada del grupo. Se realiza la descripción, para
que sirva de base para los desarrollos futuros del simulador.
Figura 4. Convenciones para los diagramas
lógicos.
Una vez se da la orden de parada, el
operador de la central hidroeléctrica debe verificar que se haga la siguiente
secuencia:
·
Abrir del interruptor principal.
·
Abrir del interruptor del campo.
·
Cerrar los alabes.
·
Activar la bomba del cojinete de empuje.
·
Cerrar la válvula de entrada.
·
Liberar los frenos.
·
Parar la bomba de cojinete de empuje.
·
Parar la bomba de refrigeración.
·
Parada realizada.
3.4Especificación
de operaciones
Con base en el análisis de la operación del
grupo, se condensan las secuencias en detalle, según la metodología para los
proyectos de automatización [16].
Las secuencias se organizan por etapas a
realizar en un orden específico. Estas etapas representan actividades que
resultan en un cambio del material.
Después, se definen las operaciones y sus
acciones correspondientes. Estas desarrollan unas acciones para llevar a cabo
la operación del proceso.
En la Tabla 1, se muestran las etapas más
importantes para los procesos de arranque y sincronización. En Tabla 2 se
ilustra las etapas de parada del generador.
Figura 5. Pasos para el arranque del grupo.
4.REQUERIMIENTOS
HARDWARE Y SOFTWARE DEL SIMULADOR
En esta parte se
utiliza la norma [16] para
establecer las características de los requerimientos del simulador. También, se
describe la estructura para el simulador de entrenamiento completo y cada una
de sus partes, lo mismo que las funcionalidades principales, mediante los
diagramas del lenguaje UML (Lenguaje Unificado de Modelado) [17].
Según la norma, los requerimientos se
pueden entender como una descripción del sistema a realizar, desde el punto de
vista de las necesidades y deseos que se pretende haga el simulador de
entrenamiento con respecto al entorno al cual estará asociado. Los requerimientos
se dividen en funcionales y no funcionales. Los funcionales son todas las
funcionalidades que debe satisfacer el simulador para cumplir con las
necesidades de los usuarios mientras que los no funcionales, son todas aquellas
características que debe tener el simulador para responder de manera adecuada a
todos los requerimientos funcionales.
A continuación, se muestra las principales
funciones para el simulador completo; por su parte se evidencia los
requerimientos no funcionales. El asterisco (*) en el requerimiento indica que
es objeto de alcance en este trabajo para la operación de arranque.
4.1.
Requerimientos funcionales para el simulador de entrenamiento
4.1.1. Variables y
subsistemas.
• Permitir la autenticación (usuario y contraseña).
• Permitir cambios en los principales equipos y variables del proceso,
para realizar pruebas e inducir fallas.
• Permitir al operador e instructor, la supervisión y control de las
principales variables que intervienen en las operaciones de arranque,
sincronización y parada del grupo de generación.
• Emular los principales subsistemas del proceso de generación.
• Incluir los mandos e indicadores, para las operaciones de arranque,
sincronización y parada, del grupo de generación.
• Presentar por medio de indicadores, el estado de los equipos y
variables, que intervienen en las operaciones de arranque, sincronización y
parada.
5.1.2. Operación del Proceso.
• Permitir al operador entrenarse en las operaciones de arranque,
sincronización y parada del grupo de generación.
• Incluir la secuencia de eventos para las operaciones de arranque,
sincronización y parada del grupo de generación.
• *Presentar que la secuencia de pasos realizada durante las
operaciones, es la correcta.
• *Utilizar estructuras de programación, de tal manera que los eventos,
se ejecuten siguiendo una secuencia preestablecida.
• Permitir el reporte del histórico de eventos, realizados durante las
operaciones.
4.1.2
4.1.3. Modelos
Matemáticos.
• Incluir los modelos matemáticos de los principales subsistemas, con
sus correspondientes variables y rangos de operación.
• Permitir la conexión de los modelos de los subsistemas, con el
software del simulador.
• Permitir la inclusión de nuevos modelos o la modificación de los
existentes.
4.1.4. Diseño del
simulador.
• Presentar por medio de indicadores, el estado de los equipos y
variables, que intervienen en las operaciones de arranque, sincronización y
parada.
• Proveer un ambiente SCADA tanto en apariencia como en funciones.
• Permitir al operador de una central hidroeléctrica, interactuar con
una réplica del proceso, sin tener que utilizar el proceso real.
4.1.5. Interfaces de
usuario.
• Disponer de Interfaces Hombre Máquina (HMI) para distintos niveles
de ingreso al simulador, por parte del operador e instructor.
• Disponer de Interfaces para las operaciones de arranque,
sincronización y parada.
• Disponer de Interfaces en la computadora del operador y en la
computadora del instructor.
• Permitir la comunicación entre la computadora del operador y la del
instructor.
4.1.6. Gestión de
estudiantes.
• Permitir al instructor evaluar al operario, después de interactuar
con el proceso.
• Permitir la conexión con el campus virtual, para el manejo de la
gestión de estudiantes.
4.2.
Requerimientos no funcionales para el simulador de entrenamiento
• Instalar en el computador del entrenador y del operario, un software
de programación que sea un SCADA comercial.
• Instalar en los computadores como mínimo el
sistema operativo Windows 7, 32-bit.
• Disponer de computadores
que tengan como mínimo: en disco duro 250GB,
procesador INTEL DUAL CORE 2 4GB, DDR2,
800MHZ, 2 DIMM VOS ypantalla13.3 WXGA LCD.
• Enviar la información a través de internet al campus virtual de
Univalle.
• Permitir futuras ampliaciones y actualizaciones.
4.3. Casos de uso
Luego de desarrollar los requerimientos, se
construyen los casos de uso. Los casos de uso describen la forma en que
interactúan el usuario y las interfaces, detallando todo lo que hace el
simulador en respuesta a cada una de las acciones del usuario.
4.3.1. Definición de
actores.
En esta sección de casos de uso, se
especifica el tipo de personas que de alguna manera interactúan en alguno de
los procesos del simulador.
4.3.1.1.
Listado de actores.
A continuación, se describen los actores
que interactúan con el simulador de entrenamiento.
• Administrador del simulador: Persona encargada de manejar las operaciones correspondientes a la
habilitación de usuarios e inserción de materiales de apoyo y evaluaciones para
el simulador de entrenamiento.
• Instructor: Usuario del simulador que
tiene como función más importante la de acompañar el desempeño del operador en
la actuación sobre el proceso.
• Operador: El operador puede hacer su
entrenamiento para manipular y controlar el proceso de generación de energía
con la ayuda de las simulaciones y evaluaciones que valoran su aprendizaje.
El diagrama de casos de uso “explica
gráficamente el conjunto de casos de uso del simulador de entrenamiento, los
actores y la relación entre estos y los casos de uso [17]. En la Figura 6 se
muestran los casos de uso para el simulador completo, con base en los
requerimientos.
Figura 6. Casos de uso para el simulador
completo.
5.CONCEPCIÓN DEL
SIMULADOR DE ENTRENAMIENTO
En esta sección se presentan las
arquitecturas hardware y software para el simulador y las interfaces de
interacción con el usuario. Finalmente, se presentan las interfaces realizadas
para el arranque de un grupo.
5.1.
Arquitectura hardware y software para el simulador de entrenamiento
El simulador de entrenamiento de operadores
para centrales hidroeléctricas, son todos los componentes hardware y software
que tienen como finalidad, permitir supervisar y controlar el proceso de
generación de energía. A continuación, se muestran los diagramas que presentan
los componentes hardware y software para el simulador.
Este diagrama está enfocado específicamente
al hardware para el simulador. En la Figura 7 se muestran los
componentes del hardware: un computador con aplicaciones que le permiten a un
operario ejercer contacto directo con el proceso a través de maniobras, para
así realizar el entrenamiento. Además, en otro computador, un instructor con
las mismas aplicaciones, realiza la supervisión del desempeño. También, en otro
computador el administrador hace la gestión para el simulador las
comunicaciones de los computadores se realizan por medio del protocolo TCP/IP.
Adicionalmente, la gestión de estudiantes se realiza desde un campus virtual.
Figura 7. Estructura hardware para el simulador.
5.1.2. Arquitectura
Software.
En la Figura 8 se muestran los elementos
software que se proponen para el simulador. Se escoge como base para el
simulador, el software conocido como LabVIEW [18], por tener el comportamiento
de un SCADA comercial, por su facilidad de programación, su entorno gráfico
para las interfaces Hombre Máquina (HMI) y su compatibilidad de enlace con el
programa Matlab; mediante una herramienta de LabVIEW conocida como Simulation
Interface Toolkit.
El Matlab [14] es un programa de análisis y
simulación de sistemas ampliamente utilizado en la academia con una base de
modelos en el toolbox de sistemas de potencia y que se denominan Synchronous
Machine pu Standard.
En trabajo previo [9] realizado en la
universidad del valle se acondicionaron los modelos del sistema de control de
velocidad y excitación mediante el programa Matlab y como LabVIEW no cuenta con
un toolbox de sistemas de potencia, se usaron en este trabajo. Esto, para que
las interfaces del simulador de entrenamiento desarrolladas en este trabajo,
tengan un comportamiento en tiempo real y similar al proceso de generación de
energía.
5.2.
Interfaces Hombre Máquina (HMI)
Como el simulador de entrenamiento debe
emular el proceso de generación de energía eléctrica de una central
hidroeléctrica, esta emulación debe ser un sistema SCADA. Para estructurar
un SCADA, se tiene en cuenta pantallas de Interfaces Hombre Máquina (HMI)
para distintos niveles de ingreso, que presentan información de los principales
sistemas y variables, por medio de imágenes y texto.
Figura 8. Estructura Software para el
simulador.
En la Figura 9 se presenta la
arquitectura para los niveles que se proponen en este trabajo de investigación
del simulador completo y para el arranque del grupo, que se hace en este
trabajo.
Figura 9. Niveles para el SCADA.
5.2.1. Pantallas
SCADA.
·
Pantalla tipo nivel 0
Se expone una pantalla con la imagen de la
central y en la parte inferior se cuenta con iconos de acceso al simulador y a
diferentes pantallas del proceso de generación de energía. En el documento
escrito, se presenta el ejemplo de cómo debe ser esta pantalla.
·
Pantalla tipo nivel 1
En ella se pueden apreciar las variables
principales que se deben supervisar y monitorear continuamente como: nivel del
embalse, abertura de compuertas, caudal vertido, caudal total, potencia
entregada, entre otros). En el documento escrito, se presenta el ejemplo de
cómo debe ser esta pantalla.
·
Pantalla tipo nivel 2
Para este nivel, se deben realizar
pantallas para los sistemas que se ilustran en la Tabla 3. En el documento
escrito, se presentan ejemplos de cómo deben ser las pantallas para estos
sistemas.
·
Pantalla tipo nivel 3
Se realiza en este trabajo para la
supervisión y monitoreo de las variables de un componente (grupo1, grupo 2,
grupo 3…), con base en trabajos realizados [19]. Se hace en este trabajo y se
ilustra en la Figura 10.
·
Pantalla tipo nivel 4.
Se realiza en este trabajo para la
operación de un grupo según [19] y se muestra en la Figura 11. La pantalla para
el arranque también se hace en este trabajo y se ilustra en la Figura 12.
5.3.
Caso de implementación
A través del caso de implementación, se
evalúa el comportamiento de las interfaces del simulador de entrenamiento
desarrolladas en este trabajo para el arranque de un grupo de generación, al
ser enlazadas mediante una herramienta de LabVIEW conocida como Simulation
Interface Toolkit con los modelos del sistema de control de excitación y con
los modelos del sistema de velocidad. Los modelos de simulink generan un código
LabVIEW que asocia controles e indicadores con las pantallas de LabVIEW. A
continuación, se presenta la prueba realizada a las interfaces.
5.3.1. Prueba de
funcionamiento-arranque de un grupo de generación.
Requerimientos:
1. Disponer de la Interfaz para la operación de arranque.
2. Incluir los mandos para la operación de arranque.
3. Presentar por medio de indicadores, el estado de los equipos y
variables.
4. Permitir al operador entrenarse en la operación de arranque.
5. Presentar que la secuencia de pasos durante la operación de
arranque, es la correcta.
6. Utilizar estructuras de programación, de tal manera que los pasos,
se ejecuten siguiendo una secuencia preestablecida.
7. Incluir los modelos matemáticos de los principales sistemas que
intervienen en el arranque, con sus correspondientes variables y rangos de
operación.
8. Permitir la conexión de los modelos de los principales sistemas que
intervienen en el arranque, con el software del simulador.
Hardware requerido: Computador
Software Requerido: LabVIEW–Matlab
Objetivo: Probar
el correcto funcionamiento de las pantallas en el cumplimiento de la secuencia
de pasos para realizar el arranque del grupo.
Datos de la prueba. Se utilizará la secuencia descrita en 4.1.
Figura 10. Pantalla tipo nivel 3.
Figura 11. Pantalla tipo nivel 4.
Figura 12. Pantalla para el arranque.
Procedimiento:
1. Se abre la pantalla de arranque y se apertura el seccionador del
grupo.
2. Se continúa con la revisión de las condiciones preliminares.
3. Después del cumplimiento de las condiciones preliminares, de forma
visual se muestra la secuencia a cumplir para el arranque manual.
4. Es importante para el cumplimiento de la secuencia de arranque,
chequear el estado de los equipos y rangos de las variables.
5.3.2. Resultados
obtenidos
·
Se puede observar la Interface para el arranque
del grupo. En esta, se puede apreciar los mandos para el arranque. También,
indicadores que ilustran el estado de los equipos y variables.
·
La pantalla de arranque muestra la secuencia de
pasos para realizar este. Es posible observar que se utilizan estructuras de
programación, de tal manera que los pasos, se ejecuten siguiendo una secuencia
preestablecida.
·
Las pantallas se conectan con los modelos
matemáticos de los principales subsistemas
lo mismo que con modelos de primer orden para los subsistemas que no cuentan
con modelado matemático.
6.CONCLUSIONES Y
OBSERVACIONES
·
En la concepción del simulador, se han integrado
las metodologías del desarrollo de proyectos de automatización y de software.
Adicionalmente, se hace uso de los principales modelos para el sistema de
generación de energía eléctrica.
·
El diseño realizado para cumplir los
requerimientos, utiliza el SCADA Labview para las HMI y el Matlab para la
ejecución de los modelos. Se propone la estructura general de las pantallas
SCADA a implementar en el simulador.
·
La concepción general se desarrolla y prueba
para el caso del arranque de un grupo de generación; se plantea por lo tanto la
metodología y estructuración general para desarrollar el simulador.
7.AGRADECIMIENTOS
Al Doctor José Miguel
Ramírez Scarpetta, por bridarme parte de su tiempo y
sabiduría en los momentos en los que más necesitaba de una persona que
orientara mí trabajo de investigación. A la Institución Universitaria Antonio
José Camacho por el tiempo brindado para avanzar en el trabajo de grado. A los
ingenieros Fabián González, Javier Valencia, Adolfo
Hoyos, William Díaz, Andrés Julián Saavedra, Cesar Romero, Diego López. También, Katherine Agudelo, Marlon Aldana
y a todos aquellos que de alguna forma apoyaron este trabajo.
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