TESIS_MODELACION_DE_SISTEMA_ELECTRICO_DE

•

Vicente Riva Palacio

Francis Aponte

25/2/2024

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA
EDUCACIÓN UNIVERSITARIA,
CIENCIA Y TECNOLOGÍA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN: MARACAIBO

MODELACIÓN DE SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA MEDIANTE
SOFTWARE DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Trabajo de Grado para optar al Título de
Ingeniero Electricista

Autor: Héctor Sulbarán
Tutor: Marcial Romero

Maracaibo, Marzo de 2021
ii

DEDICATORIA

“Sad is the cry of a dying bird;
Good are the words of a dying man.”
Tseng Tzu, The Analects

Dedicado a mi padre, quien me enseño el valor de la honestidad y del buen
camino; quien hasta sus últimas palabras estuvieron llenas de afecto.

iii

AGRADECIMIENTO

A mi tutor académico, el profesor Ing. Marcial Romero por sus concejos,
observaciones y recomendaciones que ayudaron a guiar este proyecto.

A mi tutora metodológica, la profesora Soc. Jenny Uzcátegui por brindar
sus conocimientos y por su guía en la estructuración y desarrollo de este
proyecto.

Al Ing. Danny Reyes por su constante labor administrativa dentro de la
institución.

Al Ing. Edgar Gonzáles, Ing. Jesús Reyes, y el Ing. Edison Rodríguez
quienes actuaron como jurado calificador durante la presentación oral de este
proyecto.

A mi país, Venezuela.

ÍNDICE GENERAL

Pp.
DEDICATORIA ............................................................................................ ii
AGRADECIMIENTO .................................................................................... iii
LISTA DE CUADROS ................................................................................. vii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................... viii
RESUMEN ................................................................................................... ix
INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1
CAPÍTULO

I. EL PROBLEMA

Contextualización del Problema ................................................................... 3
Objetivos de la Investigación: general y específicos .................................... 6
Justificación de la Investigación ................................................................... 6

II. MARCO REFERENCIAL

Antecedentes de la Investigación ................................................................ 9
Sistema de Variables ................................................................................... 13
Operacionalización de Variables .................................................................. 14
Definición de Términos Básicos ................................................................... 15

III. MARCO METODOLÓGICO

Modalidad de la Investigación ...................................................................... 18
Diseño de la Investigación ........................................................................... 19
Tipo de la Investigación ............................................................................... 20
Procedimientos de la Investigación .............................................................. 21
Esquema de Trabajo .................................................................................... 24
Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos ..................................... 28
Técnicas de Análisis de Datos...................................................................... 29
Validación de la Información............................................... ......................... 30

IV. RESULTADOS

Fase I: Definición de conceptos básicos, metodología de estudio de simulación
y software de ingeniería eléctrica ................................................................. 31
Fase II: Descripción del sistema eléctrico de potencia, su topología y
componentes ............................................................................................... 56
Fase III: Modelado del sistema eléctrico de potencia, diseño de diagrama
unifilar y programación de base de datos de los componentes ................... 59
Fase IV: Aplicación de estudios eléctricos con el software de ingeniería
eléctrica por medio de un estudio de simulación ......................................... 63

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................. 100

Conclusiones ............................................................................................. 100
Recomendaciones ..................................................................................... 102

REFERENCIAS ......................................................................................... 103

ANEXOS .................................................................................................... 106

A-1 Parámetros de los componentes del sistema IEEE-43 ....................... 107
A-2 Diagrama unifilar de sistema IEEE-43 modelado ................................ 114
B-1 Diagrama unifilar de sistema IEEE-43 – Estudio de Flujo de Carga ... 116
B-2 Reporte de resultados – Estudio de Flujo de Carga ............................ 118
B-3 Reporte de alertas – Estudio de Flujo de Carga .................................. 122
C-1 Diagrama unifilar de sistema IEEE-43 – Estudio de Cortocircuito ....... 125
C-2 Reporte de resultados – Estudio de Cortocircuito ............................... 127
C-3 Reporte de alertas críticas – Estudio de Cortocircuito ........................ 171
C-4 Reporte de alertas marginales – Estudio de Cortocircuito .................. 173
D-1 Diagrama unifilar de sistema IEEE-43 – Estudio de Arco Eléctrico ..... 175
D-2 Reporte de resultados – Estudio de Arco Eléctrico ............................. 177
D-3 Señalizaciones de riesgo de arco eléctrico ......................................... 179
E-1 Reporte de resultados – Análisis de Secuencia de Operación ............ 185
E-2 Reporte de resultados – Actualización de corriente de cortocircuito ... 187
E-3 Reporte de resultados – Configuración de los ajustes de protección .. 189

CURRICULUM VITAE ............................................................................... 191

LISTA DE CUADROS

CUADRO Pp.

1. Operacionalización de la variable ............................................................ 14
2. Procedimientos de la investigación según objetivos específicos. ............ 23
3. Ventajas y desventajas de la simulación. ................................................ 37
4. Buses con caídas de voltaje marginales .................................................. 68
5. Conductores con alertas críticas .............................................................. 69
6. Transformadores con alertas críticas ....................................................... 70
7. Dispositivos de protección con alertas críticas......................................... 74
8. Dispositivos de protección con alertas marginales .................................. 74
9. Vestimenta de Protección y EPP ............................................................. 77
10. Resultados del estudio de arco eléctrico por CCM ................................ 79
11. Corrientes de cortocircuito actualizadas ................................................ 85
12. Información y ajustes de protección del relé CB15-OC ......................... 85
13. Información y ajustes de protección del relé CB17-OC ......................... 86
14. Tiempos de operación de dispositivos de protección – tercera ruta de
coordinación................................................................................................. 94
15. Reajuste de relé CB17-OC ....................................................................96
16. Reajuste de relé CB15-OC .................................................................... 98

vii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA Pp.

1. Esquema de trabajo – Fase I .................................................................. 25
2. Esquema de trabajo – Fase II ................................................................. 26
3. Esquema de trabajo – Fase III ................................................................ 27
4. Esquema de trabajo – Fase IV ................................................................ 28
5. Representación gráfica del concepto de un modelo de simulación ......... 40
6. Esquema de metodología de estudio de simulación ................................ 42
7. Interfaz gráfica de usuario de ETAP® en su versión 12.6.0 .................... 44
8. Secciones de Interfaz gráfica de usuario de ETAP® en modo edición ... 46
9. Interfaz gráfica de usuario de ETAP® en modo estudio – Análisis de Flujo
de Carga ...................................................................................................... 48
10. Diagrama unifilar con animación de los flujos de potencia a través del
sistema ........................................................................................................ 48
11. Reporte generado del análisis de estudio de carga ............................... 49
12. Interfaz gráfica de usuario de ETAP® en modo estudio – Análisis de
Cortocircuito ................................................................................................. 50
13. Diagrama unifilar con animación de las corrientes de cortocircuito a través
del sistema, donde el bus S/E SECUNDARIA presenta una falla trifásica .. 51
14. Reporte generado del análisis de cortocircuito ...................................... 51
15. Interfaz gráfica de usuario de ETAP® en modo estudio – Análisis de Arco
Eléctrico ....................................................................................................... 53
16. Diagrama unifilar con animación de la energía incidente, niveles de
energía, distancia de seguridad, entre otros; donde el bus CCM-1 presenta una
falla de arco eléctrico ................................................................................... 53
17. Reporte generado del análisis de arco eléctrico .................................... 54
18. Interfaz gráfica de usuario de ETAP® en modo estudio – STAR
Coordinación de Dispositivos de Protección. La sección del diagrama unifilar
seleccionada (rojo) es una ruta de coordinación.......................................... 55
19. Plano logarítmico de ETAP® con CTC de la ruta de coordinación
seleccionada ................................................................................................ 56
20. Diagrama unifilar del sistema IEEE-43. Tomado de IEEE Std. 242-2001
(p.34), por IEEE 2001. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos
(I.E.E.E.) ...................................................................................................... 58
21. Diagrama unifilar del sistema IEEE-43 en la interfaz gráfica de usuario del
software ETAP® .......................................................................................... 60
viii

22. Ventana de edición de parámetros del transformador T-7 ..................... 61
23. Compensación reactiva en el bus 49:RECT .......................................... 72
24. Rutas de coordinación en la sección seleccionada del modelo ............. 82
25. Análisis de secuencia de operación en la tercera ruta de coordinación . 83
26. Actualización de corrientes de cortocircuito ........................................... 84
27. Primera ruta de coordinación - CTC ...................................................... 87
28. Segunda ruta de coordinación - CTC ..................................................... 88
29. Tercera ruta de coordinación - CTC ....................................................... 89
30. Segunda ruta de coordinación – CTC con reajustes .............................. 97
31. Tercera ruta de coordinación – CTC con reajustes ................................ 99

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN: MARACAIBO

INGENIERÍA ELÉCTRICA

MODELACIÓN DE SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA MEDIANTE
SOFTWARE DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: SISTEMA DE MANTENIMIENTO

Trabajo de Grado

Autor: Héctor Sulbarán
Tutor: Marcial Romero
Mes y Año: Marzo, 2021

Resumen

Este proyecto de investigación tiene como objetivo general modelar un sistema
eléctrico de potencia mediante software de ingeniería eléctrica, utilizando
como marco teórico los aportes de los autores Fritzson (2015), Maria (1997),
y Boylestad (2004). El proyecto es de modalidad documental del tipo
descriptivo, con diseño experimental. La unidad de análisis fue el modelo del
sistema eléctrico de potencia, y como técnica de recolección de datos se utilizó
la observación documental.

Descriptores: Software de ingeniería eléctrica, modelado, sistema eléctrico
de potencia, investigación documental

INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la informática se ha convertido en una herramienta
importante para la investigación y el desarrollo en muchas áreas de la ciencia.
La agricultura, la astrofísica, la sociología, la política y la ingeniería utilizan hoy
estas herramientas tanto para la obtención de datos, como para realizar su
análisis de manera efectiva, reduciéndose los riesgos, disminuyendo el tiempo
de resultados, permitiendo el almacenaje y la transferencia de información
para hacer más accesible el conocimiento científico.
En la ingeniería eléctrica, la informática es una herramienta vital para el
diseño, operación, optimización y mantenimiento de sistemas eléctricos de
potencia, los cuales son cada vez más complejos, extensos y dinámicos a
medida que la economía se vuelve más dependiente de la tecnología de la
información. Así, herramientas informáticas como los softwares de ingeniería
eléctrica se vuelven métodos efectivos para la solución problemas en estos
sistemas.
Estos softwares de ingeniería eléctrica pueden brindar beneficios para el
mantenimiento de sistemas eléctricos de potencia. Las gerencias de
mantenimiento de diferentes áreas industriales pueden beneficiarse del uso de
estas herramientas para mejorar la confiabilidad, operatividad y seguridad de
sus sistemas, modelándolos y realizando estudios o experimentos que
permitan obtener información cuantitativa así como cualitativa del desempeño
de sus sistemas, para el análisis de posibles soluciones u optimizaciones.
El objetivo de este proyecto de investigación es modelar un sistema
eléctrico de potencia mediante un software de ingeniería eléctrica donde, por
medio de estudios eléctricos al modelo, se pretende mostrar los beneficios del
uso de esta herramienta informática para mejorar la confiabilidad, operatividad
y seguridad de los sistemas eléctricos de potencia industriales. Esperando así,
que los resultados del proyecto de investigación, la metodología de modelado
utilizada y los métodos de aplicación de los estudios eléctricos ayuden a la
2

implementación de estas herramientas como el estándar para el
mantenimiento de sistemas eléctricos de potencia industriales.
De esta manera, a continuación, se hace referencia al contenido de los
cuatro capítulos que conforman el presente proyecto de investigación:
Capítulo I: se realiza la contextualización del problema que motivó el
desarrollo de este proyecto de investigación. Se exponen el objetivo general y
los objetivos específicos que guiarán las acciones para la resolución del
problema así como las justificaciones técnicas, teóricas, metodológicas y
sociales que impulsan el propósito de este proyecto.
CapítuloII: se realiza, en primer lugar, una revisión bibliográfica centrada
investigaciones anteriores relacionadas con el tema. En segundo lugar, se
realiza la sistematización de las variables y su operacionalización, y por último,
se incluyen una serie de términos básicos relacionados con la variable de la
investigación.
Capítulo III: se exponen los aspectos referidos al diseño metodológico
utilizado para el desarrollo de este proyecto de investigación. Por lo tanto, se
indica la modalidad, el diseño y el tipo de investigación desarrollada así como
los procedimientos de la investigación, el esquema de trabajo, las técnicas de
recolección de datos, las técnicas de análisis de datos y, por último, la
validación de la información.
Capítulo IV: se muestran los resultados de las fases metodológicas que
darán respuesta la pregunta de este proyecto de investigación. Se muestran
la descripción del contexto teórico sobre el modelado y simulación de
sistemas; la descripción general del software de ingeniería eléctrica utilizado;
la descripción del sistema eléctrico de potencia a modelar; el modelado del
sistema y, por último, la aplicación de estudios eléctricos por medio de un
estudio de simulación.
3

CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
En este capítulo introductorio se realiza la contextualización del problema
que motivó el desarrollo de este proyecto de investigación. Se exponen el
objetivo general y los objetivos específicos que guiarán las acciones para la
resolución del problema así como las justificaciones técnicas, teóricas,
metodológicas y sociales que impulsan el propósito de este proyecto.
Contextualización del Problema
Los avances tecnológicos han acelerado el desarrollo en muchas áreas de
la actividad humana. La informática es una ciencia que ha permitido expandir
las posibilidades de estudio de los sistemas físicos y humanos. Según los
profesores Hamidian y Ospino (U.C., 2015), los sistemas informáticos han
llegado para quedarse por su gran utilidad como herramienta complementaria
en diferentes áreas, ya sea en lo personal, empresarial (gestión de recursos
humanos, procesamiento de transacciones, gerencial o administrativas, toma
de decisiones) y comunicacional, entre otros.
Desde la agricultura, pasando por la astrofísica, la sociología, la política, y
la ingeniería, la informática se ha vuelto una parte fundamental para el estudio
científico. Gracias a la informática los resultados de estudios e investigaciones
se muestran de una manera tanto rápida como precisa, permitiendo a
científicos, investigadores e ingenieros reducir costos, tiempo y mejorar la
calidad de estos resultados. En la actualidad, en el área de la ingeniería
4

eléctrica, se utiliza la informática como una herramienta esencial para la
planificación, diseño, control, y estudio de sistema eléctricos de potencia
interconectados. En Venezuela, el Sistema Interconectado Nacional (S.I.N.) es
manejado en salas de control ubicadas en regiones estratégicas por todo el
territorio. Por medio de softwares de ingeniería eléctrica y sistemas de
telecomunicaciones se controlan diferentes áreas del sistema a pesar de las
grandes distancias. De igual manera, estos softwares permiten la recopilación
de datos sobre el comportamiento del sistema para la planificación y estudio
de futuras acciones tanto preventivas como correctivas que sean necesarias.
Los softwares de ingeniería eléctrica son herramientas informáticas para
el análisis basado en la matemática, la física, la lógica, y en algoritmos
electromagnéticos y electromecánicos. Estas herramientas informáticas están
basadas en lenguajes de programación de alto rendimiento, siendo su
propósito ayudar al ingeniero electricista a encontrar soluciones a problemas
eléctricos. Además, otras aplicaciones de estos softwares son la planificación,
la operación, el control, la gestión energética, el modelado, y la simulación de
sistemas eléctricos de potencia.
En el caso de los sistemas eléctricos de potencia industriales los softwares
de ingeniería eléctrica son utilizados en su mayoría por la industria petrolera.
Estos softwares permiten a los ingenieros diseñar modelos de sistemas
eléctricos de potencia reales para aplicar experimentos o simulaciones que
revelen información sobre el desempeño de éstos. Simular un estudio de flujo
de carga sobre el modelo de un sistema eléctrico de potencia puede, por
ejemplo, revelar información sobre deficiencias en transformadores o
conductores en el sistema real, información con la cual se puede planificar
medidas correctivas oportunas para solucionar el problema. Si bien estos
softwares son muy utilizados en la industria petrolera, en otras áreas
industriales son poco utilizados.
En otras áreas industriales la aplicación de softwares de ingeniería
eléctrica es poca. Los departamentos de mantenimiento eléctrico en estas
5

áreas continúan con un proceso de sistematización parcial de sus sistemas
eléctricos de potencia. De manera manual o semi-computarizada, ejercen
funciones de mantenimiento no muy efectivas, pasando por alto los beneficios
que los softwares de ingeniería eléctrica pueden brindar a sus organizaciones.
Como lo explica Hernández (2012), aquellas organizaciones que no valoren
los sistemas informáticos como un elemento estratégico se enfrentarán a una
gran diversidad de problemas. Además aparece el establecimiento de
objetivos empresariales inalcanzables. Con las herramientas de información
no actualizadas surge duplicidad de esfuerzo, inexactitud de los sistemas,
gestión inadecuada de la información, entre otras.
En base a esto, el presente proyecto de investigación tiene como objetivo
modelar un sistema eléctrico de potencia mediante un software de ingeniería
eléctrica con el propósito de mostrar, por medio de la aplicación de estudios
eléctricos utilizando un estudio de simulación, los beneficios prácticos que
tiene el modelado de sistemas eléctricos de potencia para la planificación de
mantenimiento de estos sistemas.
Este proyecto de investigación, tiene como línea de investigación Sistema
de Mantenimiento en el área de Mantenimiento Eléctrico, y busca responder
la pregunta ¿Cómo por medio del modelado de un sistema eléctrico de
potencia se puede mejorar la planificación de mantenimientos eléctricos? El
proyecto se llevará a cabo Parroquia Francisco Eugenio Bustamante del
Municipio Maracaibo, Estado Zulia, durante un período comprendido entre los
meses de mayo de 2020 - marzo de 2021.

Objetivos de la investigación
Objetivo general
Modelar un sistema eléctrico de potencia mediante software de ingeniería
eléctrica
Objetivos específicos
Describir la topología de diseño y los componentes que comprenden el
sistema eléctrico de potencia a modelar.

Diseñar el diagrama unifilar del sistema eléctrico de potencia mediante el
software de ingeniería eléctrica.

Programar la base de datos de los componentes sistema eléctrico de
potencia mediante el software de ingeniería eléctrica

Efectuar con el software de ingeniería eléctrica estudios eléctricos que
permitan encontrar posibles soluciones a diferentes problemas en el sistema
eléctrico de potencia modelado.
Justificación de la investigación
La presente proyecto de investigación se justifica en el aspecto técnico,
puesto a que la propuesta de modelar un sistema eléctrico de potencia
mediante un software de ingeniería eléctrica brinda tanto a los coordinadores
como los supervisores en departamentos de gerencia de mantenimiento
eléctrico una alternativa más rápida, sistemática y precisa para estudiar los
7

sistemas eléctricos de potencia bajo su responsabilidad en comparación con
los métodos analíticos manuales. Esto es, permitir una sistematización
mediante el software para la aplicación de estudios eléctricos predictivos que
permitanmejorar la efectividad y eficiencia de los mantenimientos a
ejecutarse.
En el aspecto teórico, el proyecto de investigación presenta un nuevo
método para el estudio de sistemas eléctricos de potencia con lo que amplía y
solidifica los conocimientos adquiridos durante la carrera. Estos conocimientos
se enfocan en la aplicación de los estudios eléctricos, en especial los estudios
de flujo de carga, estudio de cortocircuito, estudio de arco eléctrico, y estudios
de coordinación de protecciones. De igual manera, muestra una visión práctica
de estos conocimientos en el campo del mantenimiento eléctrico, permitiendo
al mismo tiempo la aplicación de estándares nacionales e internacionales que
rigen el área de la ingeniería eléctrica.
En el aspecto metodológico, se muestran la aplicación de técnicas de
recolección y análisis de datos para la recolección de información directa
desde el software, así como información documental de estándares que
regulan las prácticas en el estudio de sistemas eléctricos de potencia, para así
realizar un análisis de la información y generar conclusiones que permita
solucionar los problemas en sistema eléctrico de potencia mediante su
optimización. Así, aunque los softwares ingeniería eléctrica vienen
utilizándose desde hace décadas, se muestra una metodología para ser
utilizada como guía práctica en el uso de estas herramientas informáticas.
Por último, se justifica en el aspecto social por contribuir de manera
indirecta a la calidad de vida de los ciudadanos. Al mejorar la efectividad de
los mantenimientos, el desempeño de los sistemas eléctricos de potencia
puede mejorar, viéndose reflejado en el sostenimiento o aumento de los
niveles de producción así como la mejora en la calidad de los productos finales.
Esto a su vez puede incrementar la rentabilidad del negocio abriendo las
8

puertas a más empleos y mayores recursos para las labores sociales exigidas
por ley.
9

CAPÍTULO II
MARCO REFERENCIAL
Con el propósito de dar sustento teórico al presente proyecto de
investigación, en este capítulo se realiza, en primer lugar, una revisión
bibliográfica centrada investigaciones anteriores relacionadas con el tema. En
segundo lugar, se realiza la sistematización de las variables y su
operacionalización, y por último, se incluyen una serie de términos básicos
relacionados con la variable de la investigación.
Antecedentes de la Investigación
A continuación se presenta un resumen de varias investigaciones y se
mencionan sus contribuciones al presente proyecto de investigación.

Fhon, J. (2019), Perú. “Simulación del sistema eléctrico de potencia en
138kV CHIMBOTE UNO – CASMA aplicando el programa PSAT MATLAB”.
Trabajo especial de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico Eléctrico
de la Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo. El trabajo tuvo como
objetivo simular el sistema eléctrico de potencia en 138 kV CHIMBOTE UNO
– CASMA, mediante el software libre PSAT-MATLAB, comparando los
resultados obtenidos con el software comercial DigSilent® para evaluar los
márgenes de error. El diseño de la investigación fue documental de tipo
descriptiva, concluyendo en comprobar la efectividad del software PSAT-
MATLAB para estudiar sistemas eléctricos de potencia en comparación con el
10

software DigSilent®, mostrando el primero resultados lo suficientemente
precisos para ser utilizado en ámbitos industriales.
La investigación realizó un aporte referente a la recopilación de
información sobre los componentes y parámetros de un sistema real. La
traducción del diagrama unifilar del sistema CHIMBOTE – CASMA UNO al
software de simulación, y la programación de sus componentes. También, la
simulación de un estudio de flujo de carga sobre el modelo así como la
presentación de resultados de las variables de salida del modelo para su
posterior análisis.
Galván, M. (2018), México. “Cálculo de cortocircuito en un sistema IEEE
de 13 buses considerando taps no nominales”. Trabajo especial de grado para
optar al título de Ingeniero Eléctrico de la Universidad Autónoma de Baja
California. El objetivo del trabajo fue desarrollar una formulación detallada para
el cálculo de cortocircuito trifásico a un sistema industrial donde los taps de los
transformadores no están en su posición nominal, utilizando un sistema
eléctrico de potencia industrial IEEE de 13 buses y validando los resultados
con el software ETAP®. El diseño de investigación fue documental de tipo
descriptiva, logrando como resultado determinar que si bien los resultados del
método analítico arrojaron error porcentual de uno por ciento en comparación
con la simulación, la formulación brinda la exactitud para el estudio de
cortocircuito trifásico en cualquier sistema industrial.
La investigación realizó un aporte sobre el uso de un sistema eléctrico de
prueba IEEE teórico para la aplicación de un estudio de cortocircuito, cuyos
resultados pueden ser reflejados en un sistema eléctrico real. Además de esto,
el modelado de un sistema eléctrico teórico utilizando un software de
simulación, aplicando sobre este modelo un estudio de cortocircuito para la
comparación de los resultados con el método analítico. Por último, la
presentación de los resultados del estudio con la animación de la interfaz
gráfica de usuario del software.
11

Mendoza, C. (2018), Chile. “Diagnóstico del potencial aporte de enlaces
HVDC-VSC para otorgar flexibilidad y mejorar la respuesta dinámica en
interconexiones regionales”. Trabajo especial de grado para optar al título de
Magister en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica de la Universidad de
Chile. El trabajo tuvo como objetivo estudiar el impacto de los enlaces HVDC-
VSC en la estabilidad de los sistemas interconectados y su contribución a la
flexibilidad en el caso de futuras uniones regionales, comprobando los
resultados con el software DigSilent®. También, el diseño de la comprobación
de la capacidad de los enlaces HVDC-SVC para modificar la matriz de
admitancia que impacta en la representación del sistema de transmisión, para
mejorar la flexibilidad y estabilidad del sistema.
Esta investigación realizó un aporte referente a la aplicación y modificación
de sistemas eléctricos de prueba IEEE teóricos para demostrar los beneficios
de flexibilidad y estabilidad que brinda el uso de enlaces HVDC-VSC a un
sistema eléctrico de potencia. Igualmente, el uso de un software de simulación
para comprobar dichas mejoras, el diseño de un diagrama unifilar, la
presentación de los resultados de la simulación, y la validación de
correspondencias entre las variables de salidas del sistema real y del modelo.
Medina, D. (2017), España. “Modelado, simulación y análisis de la
interconexión HVAC entre el norte y centro de Chile”. Trabajo especial de
grado para optar al título de Ingeniero Industrial de la Universidad de Sevilla.
El trabajo tuvo como objetivo simular el sistema de eléctrico interconectado
chileno para analizar ante diferentes escenarios de contingencia y operación
el comportamiento de los sistemas interconectados con una línea HVAC,
utilizando el software DigSilent®. El diseño de la investigación fue de campo de
tipo descriptiva, obteniendo como resultado confirmar que la línea de
transmisión HVAC puede brindar más eficiencia, seguridad, sustentabilidad y
menores costos de operación al sistema interconectado chileno, a pesar de
contribuir con inestabilidades al sistema.
12

La investigación realizó una contribución en referencia al uso de diferentes
modelos de simulación hechos previamente sobre el sistema interconectado,
y su modificación para aplicar un estudio de simulación. Al mismo tiempo, el
uso de diferentes casos de estudio o escenarios para estudiar el
comportamiento del modelo y la generación conclusiones en cuanto al
comportamiento del sistema real.Por último, la simulación de problemas de
estabilidad al modelo para analizar su comportamiento con el propósito de
prever soluciones de llegar a optimizarse el sistema.
Martínez, J. y Nájera, G. (2017), México. “Modelado y simulación de
parques eólicos integrados a los sistemas eléctricos de potencia”. Trabajo
especial de grado para optar al título de Ingeniero Eléctrico Electrónico de la
Universidad Nacional Autónoma de México. El trabajo tuvo como objetivo
analizar el comportamiento de dos tipos de turbinas eólicas instaladas en un
sistema eléctrico interconectado, tomado como referencia los requerimientos
contenidos en los códigos de red actuales, utilizando el software
SimPowerSystems® de Simulink®. El diseño de la investigación fue
documental de tipo descriptiva, obteniendo como resultado comprobar que la
instalación de turbinas eólicas en sistemas interconectados es dependiente del
tipo de tecnología de turbina utilizada, de lo que dependerá su funcionamiento
y eficiencia.
La investigación realizó un aporte referente al estudio de sistemas
eléctricos de potencia utilizando un software de simulación, y el uso de
información de las librerías del software para diseñar el modelo y ejecutar el
estudio de simulación. También, el análisis de las variables de salida de los
modelos y la verificación de conformidades con parámetros establecidos por
normas nacionales e internacionales que rigen a estos sistemas.

Sistema de Variables
Variable Nominal
Modelo de Sistema
Definición Conceptual
Un modelo de un sistema es cualquier cosa a la que se puede aplicar un
“experimento”, con el fin de responder a preguntas respecto del sistema. Esto
implica que puede usarse un modelo para responder preguntas acerca de un
sistema, sin realizar experimentos sobre el sistema real. En su lugar,
realizamos “experimentos” simplificados sobre el modelo. El modelo, a su vez,
puede considerarse como un sistema simplificado que refleja las propiedades
del sistema real. En el caso más simple, el modelo puede ser simplemente
cierta información que se usa para responder a preguntas acerca del sistema.
Un modelo puede ser tanto mental, verbal, físico como matemático. Fritzson
(2015)
Definición Operacional
El modelo de un sistema es una abstracción de un sistema real utilizando
expresiones matemáticas para representar las relaciones entre los
componentes que lo forman, así como sus parámetros y variables más
importantes. Esto con el propósito de reflejar el comportamiento del sistema
real de la manera más precisa. Con el modelo se pretende responder a
preguntas referente al sistema real aplicando sobre él experimentos o
simulaciones que permitan introducir variables de entradas al modelo para
14

analizar sus salidas, generar conclusiones y proponer optimizaciones.
Sulbarán (2020)
Operacionalización de la Variable

Cuadro 1. Operacionalización de la variable.
Objetivo General: Modelar un sistema eléctrico de potencia mediante software de
ingeniería eléctrica
Objetivo Especifico Variable Dimensiones Indicadores
Describir la topología
de diseño y los
componentes que
comprenden el sistema
eléctrico de potencia a
modelar.
M
O
D
E
L
O
D
E
S
IS
T
E
M
A

Información de
diseño y
componentes
del sistema
eléctrico de
potencia
Diagrama unifilar
Topología
Componentes eléctricos
Protecciones eléctricas
Máquinas eléctricas
Conductores – líneas
Buses
Diseñar el diagrama
unifilar del sistema
eléctrico de potencia
mediante el software
de ingeniería eléctrica.
Diagrama
unifilar
Estándares ANSI
Estándares IEEE
Topología
Componentes eléctricos
Protecciones eléctricas
Máquinas eléctricas
Conductores – líneas
Buses
Programar la base de
datos de los
componentes sistema
eléctrico de potencia
mediante el software
de ingeniería eléctrica.
Parámetros
del sistema
eléctrico de
potencia
Voltajes
Corrientes
Potencias
Impedancias
Reactancias
Canalizaciones
Longitudes
Efectuar con el
software de ingeniería
eléctrica estudios
eléctricos que permitan
encontrar posibles
soluciones a diferentes
problemas en el
sistema eléctrico de
potencia modelado.
Estudios
eléctricos

Estudio de flujo de carga
Estudio de cortocircuito
Estudio de arco eléctrico
Estudio de coordinación de
protecciones

Fuente: Sulbarán (2020)
15

Definición de Términos Básicos
A.N.S.I.: American National Standard Institute, o Instituto Nacional
Americano de Estándares en español, es una organización privada sin fines
de lucro dedicada a apoyar la estandarización voluntaria en los Estados
Unidos y la conformidad de sistemas de valuaciones, fortaleciendo su impacto
a nivel doméstico e internacional. A.N.S.I. (2020)
Bus: es un conductor o grupo de conductores eléctricos que sirven como
conexión común entre circuitos, generalmente en forma de cables aislados,
barras rígidas rectangulares o redondas, o cables aéreos trenzados bajo
tensión eléctrica. I.E.E.E. (2000)
Canalizaciones: es un canal cerrado de materiales metálicos o no
metálicos diseñado especialmente para sostener y proteger conductores,
cables o buses. CODELECTRA (2009)
Conductor: es un material usualmente en forma de alambre, cable o bus,
ideal para la conducción de corriente eléctrica. I.E.E.E. (2000)
Corriente: es el flujo de carga eléctrica que se desplaza a una velocidad
uniforme a través de la sección transversal de un conductor en un tiempo
determinado. Es medida en amperios (A). Boylestad (2004)
Diagrama unifilar: es un diagrama que muestra por medio de una sola
línea y por medio de símbolos gráficos, la composición de un circuito eléctrico
o un sistema de circuitos, y sus componentes o partes. I.E.E.E. (2000)
Estándares A.N.S.I.: son estándares que ayudan a crear uniformidad para
productos, procesos, y medios para el intercambio de información. En el área
de la ingeniería, ayudan a estandarizar las técnicas y procedimientos de
diseño, instalación y operación de sistemas. A.N.S.I. (2020)
Estándares I.E.E.E.: son estándares para la ingeniería, la computación, y
la tecnología de la información que establecen un lenguaje común para definir
la calidad, y establecer criterios técnicos. Por medio de la consistencia y
conformidad garantizada en conceso abierto, los estándares I.E.E.E. agregan
16

valor a los productos, facilitan el comercio, mueven los mercados, y mejoran
la seguridad. I.E.E.E. (2020)
Estudios eléctricos: son procedimientos que permiten evaluar el
desempeño, la confiabilidad, la seguridad y la habilidad de expansión de los
sistemas eléctricos de potencia industriales y comerciales, para así poder
planificarlos, diseñarlos, y operarlos. Los estudios más comunes para sistemas
eléctricos de potencia son el estudio de flujo de carga, el estudio de
cortocircuito, el estudio de arco eléctrico, y el estudio de coordinación de
protecciones. I.E.E.E. (1997)
FONDONORMA: asociación civil sin fines de lucro con personalidad
jurídica y patrimonio propio. Creada en 1973 con el fin de desarrollar en
Venezuela las actividades de normalización y certificación en todos los
sectores industriales y de servicio, y de formar talento humano en dichas
especialidades. FONDONORMA (2020)
I.E.E.E.: Institute of Electrical and Electronics Engineers, o Instituto de
Ingenieros Electricistas y Electrónicos, es la organización técnica profesional
más grande del mundo dedicada al avance tecnológico para el beneficio de la
humanidad. La I.E.E.E. y sus miembros comprenden una comunidad global
dedicada a la innovación para un mejor mañana por medio de sus más de
419,000 miembros en cerca de 160 países. I.E.E.E. (2000)
Impedancia: es una magnitud compleja utilizada como medida de cuánto
impedirá un elemento resistivo, capacitivo o inductivo el flujo de carga a través
de una red eléctrica. Es medida en ohmios (Ω). Boylestad (2004)Línea: conductores aéreos para la distribución o transmisión de potencia
eléctrica con voltajes de fase superiores a 1,000 voltios para líneas de
distribución, y superiores a 69,000 voltios para líneas de transmisión. I.E.E.E.
(2000)
Longitud: de un conductor, es la distancia total de un conductor desde un
punto a otro, influyendo en proporción directa sobre la impedancia de éste. Se
mide en metros (m) o pies (ft). I.E.E.E. (2000)
17

Máquinas Eléctricas: es un dispositivo que puede convertir energía
mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica.
Cuando este dispositivo es utilizado para convertir energía mecánica en
energía eléctrica, se denomina generador; cuando convierte energía eléctrica
en energía mecánica, se llama motor. Chapman (2000)
Potencia: es la indicación de cuánto trabajo puede ser realizado en una
cantidad específica de tiempo. Es medida en vatios (W). La potencia eléctrica
puede ser activa (W), reactiva (VAR) o aparente (VA). Boylestad (2004)
Protecciones eléctricas: son dispositivos electromecánicos o
electrónicos como relés, fusibles, o ambos, diseñados para proveer la máxima
sensibilidad a fallas y condiciones indeseables, evitando su operación bajo
condiciones permisibles o tolerables. Blackburn y otros (2007)
Reactancia: es la oposición de un inductor o un capacitor al flujo de carga
que se genera en el intercambio constante de energía entre el circuito y el
campo magnético de un inductor o el campo eléctrico de un capacitor. Es
medida en ohmios (Ω). Boylestad (2004)
Voltaje: es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos puntos,
y representa el intercambio de energía necesario para mover una carga
eléctrica de un punto a otro. Es medida en voltios (V). Boylestad (2004)
18

CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
En el presente capítulo se exponen los aspectos referidos al diseño
metodológico utilizado para el desarrollo de este proyecto de investigación.
Por lo tanto, se indica la modalidad, el diseño y el tipo de investigación
desarrollada así como los procedimientos de la investigación, el esquema de
trabajo, las técnicas de recolección de datos, las técnicas de análisis de datos
y, por último, la validación de la información.
Modalidad de la investigación
El proyecto de investigación fue de modalidad documental. Esta modalidad
persigue, según Cabezas y otros (2018), recopilar información con el objetivo
de enunciar las teorías que permiten sustentar el estudio de los fenómenos y
procesos. Este tipo de información se extrae a través de un nivel investigativo
de tipo exploratorio. Con la finalidad de familiarizarnos con los conocimientos
existentes dentro del campo al que pertenece el objeto de estudio de
investigación.
De acuerdo con Casares Hernández (citado por Bernal 2010), la
investigación de modalidad documental depende fundamentalmente de la
información que se obtiene o se consulta en documentos, entendiendo por
éstos todo material al que se puede acudir como fuente de referencia, sin que
se altere su naturaleza o sentido, los cuales aportan información o dan
testimonio de una realidad o un acontecimiento.
19

Esta modalidad de investigación se eligió debido a que la recolección de
datos se hizo de fuentes documentales secundarias, específicamente fuentes
impresas, electrónicas y audiovisuales. Por una parte, las fuentes impresas
fueron libros referentes a la teoría de circuitos eléctricos y el diseño de
sistemas eléctricos de potencia. Por otra, las fuentes electrónicas fueron
informes técnicos, estudios científicos, manuales de usuario, así como de
estándares nacionales e intencionales que regulan las prácticas para el diseño
y estudio de sistemas eléctricos de potencia. Por último, las fuentes
audiovisuales fueron videos tutoriales sobre el uso de softwares de simulación
hechas por practicantes del modelado de sistemas, en especial videos sobre
el modelado de sistemas eléctricos de potencia utilizando softwares de
ingeniería eléctrica.
De igual manera, la investigación documental permite la generación de
nuevos conocimientos por medio del uso de datos obtenidos por otros
investigadores. En este proyecto de investigación, estos nuevos
conocimientos se basaron en mostrar los beneficios del modelado de sistemas
para el mantenimiento de sistemas eléctricos de potencia. Sistematizando una
metodología que permitió aplicar estudios eléctricos sobre el modelo de un
sistema de manera secuencial y objetiva por medio de un estudio de
simulación.
Diseño de la Investigación
El proyecto de investigación fue de diseño experimental. La investigación
de diseño experimental, según Bernal (2010), se caracteriza porque en ella el
investigador actúa conscientemente sobre el objeto de estudio, en tanto que
los objetivos de estos estudios son precisamente conocer los efectos de los
actos producidos por el propio investigador como mecanismo o técnica para
probar sus hipótesis.
20

A esto Gómez y Roquet (citado por Cabezas y otros 2018), agregan que
la investigación experimental consiste en la manipulación de una (o más)
variable experimental no comprobada, en condiciones rigurosamente
controladas, con el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce
una situación o acontecimiento particular. El experimento provocado por el
investigador le permite introducir determinadas variables de estudio
manipuladas por él, para controlar el aumento o disminución de esas variables
y su efecto en las conductas observadas.
Este diseño de investigación fue elegido por ser ideal para responder la
pregunta de este proyecto de investigación. Esto es, la aplicación
experimentos o simulaciones basados en estudios eléctricos al modelo de un
sistema eléctrico de potencia. Por medio del software de ingeniería eléctrica,
estos experimentos generaron resultados que fueron analizados para el
establecimiento de conclusiones respecto a la optimización del sistema
eléctrico de potencia modelado. Con todo esto se pretendió demostrar los
beneficios del modelado para el mantenimiento de sistemas eléctricos de
potencia.
Tipo de Investigación
El tipo de investigación elegido para este proyecto de investigación fue la
descriptiva. Este tipo de investigación se seleccionó debido a que, según
Hernández y otros (2014), busca especificar las propiedades, las
características y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos,
objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir,
únicamente pretender medir o recoger información de manera independiente
o conjunta sobre los conceptos o las variables a las que se refieren, esto es,
su objetivo no es indicar cómo se relacionan éstas.
Agrega Bernal (2010), que la investigación descriptiva es uno de los tipos
o procedimientos investigativos más populares y utilizados por los
21

principiantes en la actividad investigativa. Los trabajos de grado, en los
pregrados y en muchas de las maestrías, son estudios de carácter
eminentemente descriptivo. En tales estudios se muestran, narran, reseñan o
identifican los hechos, situaciones, rasgos, características de un objeto de
estudio, o se diseñan productos, modelos, prototipos, guías, etcétera, pero no
se dan explicaciones o razones de las situaciones, los hechos los fenómenos,
etcétera.
Así, el presente proyecto de investigación buscó describir los beneficios
del modelado de sistemas eléctricos de potencia utilizando un software de
ingeniería eléctrica. Con la investigación descriptiva se buscó identificar y
describir los resultados de los estudios eléctricos realizados sobre el modelo
del sistema, con el objeto de mostrar los beneficios del modelado para el
mantenimiento de sistemas eléctricos de potencia. Estos resultados estuvieron
relacionados con el comportamiento del sistema eléctrico real y su
desempeño.
Procedimientosde la Investigación
Para el desarrollo y cumplimiento de los objetivos planteados, se llevaron
a cabo las siguientes fases metodológicas:
Fase I: Definición de conceptos básicos, metodología de estudio de
simulación y software de ingeniería eléctrica
Con el propósito de entender el contexto de modelado de sistemas se
realizó un resumen introductorio de los principios teóricos de este método
científico relativamente nuevo. En esta fase se definieron los conceptos
básicos sobre modelado de sistemas y la metodología a utilizar para la
22

aplicación de un estudio de simulación que permita responder la pregunta de
este proyecto de investigación.
De igual manera, se describió el software de ingeniería eléctrica utilizado
para modelar el sistema eléctrico de potencia y aplicar los estudios de
simulación. Este software de simulación fue el software de ingeniería eléctrica
ETAP® en su versión 12.6.0, diseñado por la corporación Operation
Technology, Inc. De esta manera, se realizó la descripción general del
software, de su interfaz gráfica de usuario, y de sus módulos de simulación.
Fase II: Descripción del sistema eléctrico de potencia, su topología y
componentes
El sistema eléctrico de potencia modelado fue el sistema de prueba IEEE
de 43 buses (IEEE-43), sistema eléctrico industrial de gran envergadura que a
pesar de ser un sistema teórico, se puede sobre él aplicar estudios eléctricos
para demostrar los beneficios del uso de software de ingeniería para el
mantenimiento de sistemas eléctricos de potencia reales. En esta fase se
realizó una descripción general del sistema, su diagrama unifilar y la
descripción de sus componentes y parámetros.
Fase III: Modelado del sistema eléctrico de potencia, diseño de
diagrama unifilar y programación de base de datos de los componentes
Habiendo definido el sistema eléctrico de prueba IEEE-43, su diagrama
unifilar, sus componentes y parámetros, se procedió a modelarlo con el
software de ingeniería eléctrica ETAP®, primero diseñando o traduciendo el
diagrama unifilar al software, para posteriormente programar la base de datos
los componentes, verificar su funcionamiento, y por último, validar el modelo
23

del sistema y documentarlo para uso futuro o para referencias en otras
investigaciones.
Fase IV: Aplicación de estudios eléctricos con el software de
ingeniería eléctrica por medio de un estudio de simulación
La aplicación de los estudios eléctricos sobre el modelo se realizó por
medio de un estudio de simulación. El estudio de simulación permitió identificar
el problema presente en el sistema IEEE-43, establecer los requerimientos de
éste, formular los objetivos del estudio, realizar la recopilación de parámetros
del sistema IEEE-43, modelar el sistema y validarlo para así aplicar los
estudios eléctricos utilizando el software de ingeniería eléctrica ETAP®.
En el cuadro a continuación se muestra la relación existente entre los
objetivos específicos de la investigación y los procedimientos de investigación
realizados para alcanzar dichos objetivos:
Cuadro 2. Procedimientos de la investigación según objetivos específicos.
Objetivos Específicos Procedimientos de la Investigación
1. Describir la topología de diseño y los
componentes que comprenden el sistema eléctrico
de potencia a modelar.
Fase I: Descripción de conceptos básicos de
modelado, metodología de estudio de
simulación y software de ingeniería eléctrica.
Fase II: Descripción del sistema eléctrico de
potencia, su topología y componentes.
2. Diseñar el diagrama unifilar del sistema eléctrico
de potencia mediante el software de ingeniería
eléctrica.
Fase III: Modelado del sistema eléctrico de
potencia, diseño de diagrama unifilar y
programación de base de datos de los
componentes.
3. Programar la base de datos de los componentes
del sistema eléctrico de potencia mediante el
software de ingeniería eléctrica.

Cuadro 2. (cont.)
Objetivos Específicos Procedimientos de la Investigación
4. Efectuar con el software de ingeniería eléctrica
estudios eléctricos que permitan encontrar posibles
soluciones a diferentes problemas en el sistema
eléctrico de potencia modelado.
Fase IV: Aplicación de estudios eléctricos con
el software de ingeniería eléctrica por medio
de un estudio de simulación.
Esquema de Trabajo
Se presenta un esquema de trabajo que busca mostrar las actividades a
realizar en cada una de las fases metodológicas de este proyecto de
investigación. Para ello se utilizó una herramienta llamada diagrama de flujo o
mapa de procesos, que permitió mostrar las actividades o procesos de cada
una de estas fases de manera ordenada, secuencial y sistemática; permitiendo
así mostrar la ruta para alcanzar los objetivos de este proyecto de
investigación.
Para la primera fase metodológica se realizaron tres actividades que
buscaron establecer un contexto teórico sobre el modelado de sistemas, así
como establecer una metodología de estudio de simulación que permitiera la
aplicación secuencial y objetiva de los estudios eléctricos sobre el modelo del
sistema IEEE-43. Por último, se realizó una descripción del software de
ingeniería eléctrica ETAP®.
25

Figura 1. Esquema de trabajo - Fase I.
Para la segunda fase metodológica se realizaron dos actividades que
describieron el sistema IEEE-43. Se describió su topología de diseño, su
diagrama unifilar, sistemas de voltaje, potencias consumidas, y demás
características. Mientras que la siguiente actividad describieron los
componentes que lo componen y cada uno de sus parámetros, necesarios
para diseñar el modelo del sistema.
26

Figura 2. Esquema de trabajo - Fase II.
Para la tercera fase metodológica se realizaron cuatro actividades
orientadas al modelado, programación, verificación y validación, y
documentación del modelo del sistema IEEE-43. En la primera actividad se
realizó el diseño o traducción del diagrama unifilar del sistema IEEE-43 a la
interfaz gráfica de usuario del software ETAP®. La segunda actividad se enfocó
en programar cada uno de los componentes existentes en el sistema
introduciendo los parámetros del sistema real. Posteriormente, se verificó el
funcionamiento del modelo y se validó de tal manera que los resultados de los
estudios realizados resultasen eficaces. Por último, se documentó el modelo
para su acceso vía web con el propósito de servir como referencia para futuros
estudios e investigaciones.
27

Figura 3. Esquema de trabajo - Fase III.
Para la cuarta fase metodológica se realizaron cinco actividades. La
primera actividad buscó desarrollar las bases del estudio de simulación que se
aplicará al modelo del sistema IEEE-43. En esta actividad se determinó el
problema que dio origen al estudio, los requerimientos del sistema así como
los objetivos a alcanzar. Mientras que las siguientes actividades trataron sobre
la aplicación de estudios eléctricos específicos sobre el modelo. El análisis de
los resultados generados por estos estudios eléctricos permitió establecer
conclusiones respecto a la optimización del sistema IEEE-43.

Figura 4. Esquema de trabajo - Fase IV.
Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos
Como técnica de recolección de datos se eligió la técnica de observación
documental por permitir, como Romero (2005) explica, la aplicación de
procedimientos específicos para analizar documentos, donde conviene visitar
con frecuencia las bibliotecas y consultar los libros e índices disponibles para
familiarizamos por completo con las fuentes existentes…” Vázquez y otros
(2006) agregan que en general, los datos obtenidos de los documentos
pueden usarse de la misma manera que los derivados de las entrevistas y las
observaciones directas, y su utilización en combinación con otros documentos
y técnicas de investigación enriquece los hallazgos delestudio.
Esta técnica de recolección de datos fue elegida, en primer lugar, por ser
este proyecto de investigación de modalidad documental. La investigación
documental tiene como principal característica la recolección de datos de
fuentes documentales secundarias, esto es, datos sistematizados por otros
investigadores. La observación documental permitió recolectar datos de
29

dichas fuentes, habiendo sido las principales para este proyecto las fuentes de
carácter impreso, electrónico y audiovisual.
Técnicas de Análisis de Datos
Como técnica de análisis de datos se eligió la bitácora de análisis, que
Hernández y otros (2014) definen como un medio para documentar el
procedimiento de análisis y las propias reacciones del investigador al proceso,
y contiene fundamentalmente: 1) anotaciones sobre el método utilizado (se
describe el proceso y cada actividad realizada); por ejemplo: ajustes a la
codificación, problemas y la forma en que se resolvieron; 2) anotaciones sobre
ideas, conceptos, significados, categorías e hipótesis que van surgiendo; 3)
anotaciones en relación con la credibilidad y verificación del estudio, para que
cualquier otro investigador pueda evaluar su trabajo (información
contradictoria, razones por las cuales se procede de una u otra forma).
De esta manera, la bitácora de análisis como técnica de análisis cualitativo
permitió realizar anotaciones, por una parte, de las observaciones
documentales hechas a las fuentes secundarias consultadas para la
sistematización de los datos, conceptos, conclusiones y resultados
recolectados. Por otra parte, permitió realizar anotaciones respecto a la
descripción del sistema eléctrico a modelar, del proceso de diseño y validación
del modelo, así como la aplicación de los estudios eléctricos por medio del
estudio de simulación. Por último, se realizaron anotaciones respecto al
análisis de los resultados del estudio, la generación de conclusiones y las
recomendaciones para la optimización para la optimización del sistema
modelado.

Validación de la Información
Todo instrumento de investigación debe tener como requisito principal la
validez y la confiabilidad. De esta manera, para este proyecto de investigación,
la información obtenida con las técnicas de observación documental fue
validada por medio de la comparación tanto cualitativa como cuantitativa con
los estándares nacionales e internacionales presentados a continuación:

FONDONORMA 200:2009 Código Eléctrico Nacional Venezolano 2009,
IEEE Std. 1584-2002 “Guide for Performing Arc Flash Hazard
Calculations”,
IEEE Std. 242-2001 “Protection and Coordination of Industrial and
Commercial Power Systems (Buff Book)”,
IEEE Std. 399-1997 “Recommended Practice for Industrial and
Commercial Power Systems Analysis (Brown Book)”,
NFPA 70E-2009 Standard for Electrical Safety Requirements for Employee
Workplaces.
31

CAPÍTULO IV
RESULTADOS
En este último capítulo se muestran los resultados de las fases
metodológicas que darán respuesta la pregunta de este proyecto de
investigación. Se muestran la descripción del contexto teórico sobre el
modelado y simulación de sistemas; la descripción general del software de
ingeniería eléctrica utilizado; la descripción del sistema eléctrico de potencia a
modelar; el modelado del sistema y, por último, la aplicación de estudios
eléctricos por medio de un estudio de simulación.
Fase I: Definición de conceptos básicos, metodología de estudio de
simulación y software de ingeniería eléctrica
Con el propósito de entender el contexto de modelado de sistemas se
realizó un resumen introductorio de los principios teóricos de este método
científico relativamente nuevo. En esta fase se definieron los conceptos
básicos sobre modelado de sistemas y la metodología a utilizar para la
aplicación de un estudio de simulación que permita responder la pregunta de
este proyecto de investigación.
De igual manera, se describió el software de ingeniería eléctrica utilizado
para modelar el sistema eléctrico de potencia y aplicar los estudios de
simulación. Este software de simulación fue el software de ingeniería eléctrica
ETAP® en su versión 12.6.0, diseñado por la corporación Operation
Technology, Inc. De esta manera, se realizó la descripción general del
software, de su interfaz gráfica de usuario, y de sus módulos de simulación.
32

Definición de conceptos de modelado
Definición de sistema
Un sistema es una parte limitada de la realidad que contiene elementos
interrelacionados. Es una entidad que existe y opera en un tiempo y en un
espacio dado. Esta depende de la interacción de sus componentes, lo que
permite realizar procesos que dan la razón de existir al propio sistema, según
sea su naturaleza o propósito (Unión Europea, I.I.C.A., 2015). Un sistema
puede ser natural o artificial. El primero es un sistema que existe en la realidad
sin la intervención humana, como puede ser el universo; mientras que el último
es resultado del ingenio humano diseñado con el propósito de solucionar un
problema, como puede ser un sistema eléctrico de potencia.
Una propiedad importante de los sistemas es que deben de ser
observables. Además, algunos sistemas, que no incluyen los grandes
sistemas naturales como el universo, son también controlables en el sentido
que podemos influir en su comportamiento a través de ciertas entradas para
modificar los resultados de ciertas salidas. Es decir, las entradas de un sistema
son las variables del entorno que influyen sobre el comportamiento del
sistema, que pueden ser o no controlables. Mientras que las salidas de un
sistema son variables que son determinadas por el sistema y que pueden
influir sobre el entorno que le rodea (Fritzson, 2015).
Cuando se describe y estudia un sistema se hacen suposiciones acerca
de su comportamiento, pero no siempre se puede observar un sistema
funcionar. Por eso, la alternativa es el diseño de un modelo del sistema, con
el propósito de poder estudiar el sistema, simulándolo, representando algunas
o muchas de sus variables, entidades e interrelaciones (Unión Europea,
I.I.C.A., 2015).

Definición de experimento
De acuerdo a la definición de sistema hecha, la observabilidad es una
cualidad importante para el estudio de un sistema. Se debe ser capaz de
observar algunas salidas del sistema. Se puede aprender más sobre un
sistema si se es capaz de excitarlo controlando sus entradas. Este proceso es
llamado experimentación, de esta manera un experimento es el proceso de
extraer información de un sistema excitando sus entradas. Para poder realizar
un experimento sobre un sistema, éste debe ser tanto controlable como
observable. Realizamos un conjunto de modificaciones a las entradas
accesibles y observamos la reacción del sistema al medir sus salidas
accesibles (Fritzson, 2015).
Una de las desventajas de los experimentos es que para muchos sistemas
sus entradas o salidas son inaccesibles, además surgen otra serie de
problemas prácticos asociados con la realización de un experimento, como
pueden ser que el experimento pueda ser demasiado costoso, que pueda ser
demasiado peligroso, o que el sistema sobre el que se desea experimentar
podría no existir aún. Por lo que estas desventajas nos llevan al concepto de
modelo. Si se diseña un modelo del sistema y el modelo es lo suficientemente
realista, entonces podemos emplear este modelo para investigar y responder
a muchas preguntas referente al sistema real (Fritzson, 2015).
Definición de modelo
Un modelo de un sistema es cualquier cosa a la que se puede aplicar un
“experimento” con el fin de responder preguntas respecto del sistema. Esto
implica que puede usarse un modelo para responder preguntas acerca de un
sistema, sin realizar experimentos sobre el sistema real. En su lugar,
realizamos “experimentos” simplificadossobre el modelo. El modelo, a su vez,
34

se puede considerar como un sistema simplificado que refleja las propiedades
del sistema real (Fritzson, 2015).
Existen diferentes clases de modelos:
(1) Modelo mental – una sentencia como “esta persona es honesta” nos
ayuda a responder preguntas acerca del comportamiento de esa persona en
diversas situaciones.
(2) Modelo verbal – esta clase de modelo se expresa mediante palabras.
Por ejemplo, la frase “si usas bolsas de plástico, entonces contribuyes a la
contaminación por micro-plástico en los océanos” es un ejemplo de un modelo
verbal.
(3) Modelo físico – se trata de un objeto físico que reproduce algunas
propiedades de un sistema real, para ayudarnos a responder preguntas del
sistema. Por ejemplo, en la fase de diseño de edificios, aviones, entre otros,
frecuentemente se construyen pequeños modelos físicos con la misma forma
y apariencia como los objetos reales a estudiar, por ejemplo con respecto a
sus propiedades aerodinámicas y estéticas.
(4) Modelo matemático – es una descripción de un sistema donde las
relaciones entre las variables del sistema, o sus parámetros, se expresan de
forma matemática. Las variables pueden ser cantidades medibles, tales como
el tamaño, la longitud, el voltaje, la temperatura, el nivel de desempleo, la
corriente eléctrica, la velocidad medida en bits por segundo, entre otros
(Fritzson, 2015).
Definición de simulación
La posibilidad de efectuar experimentos sobre modelos en lugar de sobre
sistemas reales que corresponde a los modelos, es realmente uno de los usos
principales de estos, y se denota por el término simulación. Una simulación es
un experimento efectuado sobre un modelo, sea físico o esté representado
matemáticamente (Fritzson, 2015). La simulación consiste en el diseño de un
35

modelo a partir de conocimientos previos sobre un sistema real, para
experimentar con él y entender el comportamiento de ese sistema, de tal
manera que puedan hacerse predicciones que permitirán evaluar estrategias
de gestión y toma de decisiones acerca del sistema real, referentes a optimizar
inversiones, reducir riesgos, costos, daños y pérdidas, en función del periodo,
actividades y prioridades importantes para los actores interesados (Unión
Europea, I.I.C.A., 2015).
A continuación se presentan algunos ejemplos de tales experimentos o
simulaciones:
(1) Una simulación de un sistema eléctrico de potencia, cuya finalidad es
aprender acerca del comportamiento del sistema bajo diferentes condiciones
de generación y carga, con el objetivo final de optimizarlo,
(2) Una simulación del comportamiento de un vehículo, por ejemplo de un
automóvil o un avión, con la finalidad de proporcionar entrenamiento realista a
los pilotos,
(3) Una simulación de un turborreactor para un aeroplano, para conocer
su eficiencia energética y su consumo de combustible bajo diferentes
condiciones meteorológicas. (Fritzson, 2015)
Si un modelo matemático de un sistema real se representa en forma
ejecutable en un computador, las simulaciones se pueden realizar mediante
experimentos numéricos, o en casos no numéricos mediante experimentos
computados. Esta es una forma simple y segura de efectuar experimentos, con
la ventaja añadida de que esencialmente todas las variables del modelo son
observables y controlables. Sin embargo, el valor de los resultados de
simulación es completamente dependiente de cuan bien el modelo representa
al sistema real con respecto a las cuestiones a las que la simulación tiene que
responder, por tanto, la validación del modelo es un paso fundamental para el
éxito de la simulación (Fritzson, 2015).

Razones para la simulación
Existe una serie de buenas razones que justifican realizar simulaciones,
en lugar de experimentos sobre los sistemas reales:
(1) Los experimentos son demasiado costosos, demasiado peligrosos, o
el sistema que se desea investigar no existe aún. Éstas son las principales
dificultades de la experimentación con sistemas reales,
(2) La escala de tiempos de la dinámica del sistema no es compatible con
la del experimentador. Por ejemplo, lleva millones de años observar pequeños
cambios en el desarrollo del universo, mientras que cambios similares se
pueden observar rápidamente en una simulación por computador del universo,
(3) Las variables pueden ser inaccesibles. En una simulación todas las
variables pueden ser estudiadas y controladas, incluso aquellas que son
inaccesibles en el sistema real,
(4) Fácil manipulación de modelos. Utilizando simulación, es fácil
manipular los parámetros del modelo de un sistema, incluso fuera del rango
admisible de un sistema físico particular. Por ejemplo, la masa de un cuerpo
en un modelo de simulación basado en computador se puede aumentar de 40
a 500 Kg. pulsando una tecla, mientras que este cambio podría ser difícil de
realizar en el sistema físico,
(5) Supresión de perturbaciones. En una simulación de un modelo es
posible suprimir perturbaciones que podrían ser inevitables en las medidas del
sistema real. Esto puede permitirnos aislar determinados efectos en particular
y, por lo tanto, mejorar nuestra comprensión acerca de dichos efectos,
(6) Supresión de efectos de segundo-orden. A menudo, las simulaciones
se realizan porque permiten la supresión de efectos de segundo orden, tales
como pequeñas no linealidades u otros detalles de ciertos componentes del
sistema. La supresión de los efectos de segundo orden puede ayudarnos a
comprender mejor los efectos principales. (Fritzson, 2015)
37

En el cuadro a continuación, se muestran las ventajas y desventajas de la
simulación:
Cuadro 3. Ventajas y desventajas de la simulación.
Ventajas de la simulación Limitaciones de la simulación
 Permite una experimentación
controlada,
 Permite comprimir el tiempo al
experimentar,
 Evita costos o riesgos, ya que no
es necesario interrumpir el
desarrollo del sistema para
estudiar su comportamiento,
 Si solo es un sistema propuesto, no
es necesario construirlo
físicamente.
 Es una herramienta efectiva de
entrenamiento,
 Puede ayudar a simplificar
procesos productivos,
 Permite evaluar diseños
alternativos de sistemas,
 En ocasiones es el último método
disponible para analizar un
sistema,
 Es un proceso relativamente
eficiente y flexible,
 El desarrollo de un modelo puede
ser costoso (por el equipamiento,
el tiempo y el costo de mano de
obra); laborioso y lento,
 Existe la posibilidad de cometer
errores. La experimentación se
lleva a cabo con un modelo y no
con el sistema real, por lo que si el
modelo está mal o se cometen
errores en su manejo, los
resultados también serán
incorrectos,
 No se puede conocer el grado de
imprecisión, de los resultados. Por
lo general, el modelo se utiliza para
experimentar situaciones nunca
planteadas en el sistema real (por
ejemplo, el impacto mecánico y
térmico de una alta corriente de
cortocircuito sobre un
transformador eléctrico y sus
conductores). Por lo tanto, no
existe información previa para
estimar el grado de
correspondencia entre la
respuesta del modelo y del sistema

|Cuadro 3. (cont.)
 Puede ser usada para analizar y
sistematizar una compleja y
extensa situación real,
 Permite estudiar los efectos
iterativos de los componentes
individuales o variables para
determinar las más importantes.
 real, ante un cambio dado,
 Es la última opción, cuando otras
técnicas no son factibles para
analizar un sistema,
 Es experimental e iterativa, es
decir, se acerca a un resultado por
aproximación, mediante la
reiteración de un ejercicio,
 Generalmente proporciona
soluciones sub-óptimas debido a
que se basa en la iteración de un
proceso,
 Su validación es compleja,
Nota: tomado de Modelos de simulación y herramientas de modelaje.(p. 12) por Unión
Europea, IICA, 2015, Costa Rica: Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura
(I.I.C.A.).
Peligros de la simulación
La facilidad de uso de la simulación es también su gran desventaja: es
muy fácil para el usuario olvidar las limitaciones y condiciones bajo las que una
simulación es válida, y por lo tanto generar conclusiones erróneas de la
simulación. Para reducir esto, se debe intentar siempre comparar al menos
algunos resultados de la simulación del modelo con resultados experimentales
medidos del sistema real. También ayuda a tomar en cuenta las tres fuentes
más comunes de problemas cuando se utiliza la simulación:
(1) Enamorarse del modelo (el efecto Pygmalion). Es fácil entusiasmarse
en exceso con un modelo y olvidarse de su marco experimental. Es decir, el
modelo no es el sistema real y sólo representa al sistema real bajo ciertas
condiciones.
(2) Forzar a que la realidad encaje dentro de las restricciones del modelo
(el efecto Procrustes).
39

(3) Olvidar el nivel de precisión del modelo. Todos los modelos tienen
hipótesis simplificadoras y, para interpretar los resultados correctamente, hay
que tenerlas en cuenta. (Fritzson, 2015)
Definición de modelado
El modelado es el proceso de producir un modelo. El proceso de modelado
comprende una serie de actividades cuyo objetivo es representar la estructura
y funcionamiento del sistema real, incorporando sus parámetros, esto es, sus
características y atributos más importantes, con el propósito de representar el
comportamiento del sistema real de la manera más simple y precisa posible
(Maria, 1997). El proceso de modelado es iterativo, puesto que el modelo tiene
limitaciones con respecto al sistema que trata de representar, dado que no
puede tomar ni simular cada detalle del original (Unión Europea, I.I.C.A.,
2015). Un proceso importante del modelado es la validación del modelo.
Técnicas para la validación de modelos incluyen simular el modelo bajo
condiciones de entrada conocidas y comprar las salidas del modelo con las del
sistema real (Maria, 1997).
Generalmente, un modelo diseñado para estudios de simulación es un
modelo matemático desarrollado con la ayuda de un software de simulación
(Maria, 1997). Estos modelos matemáticos, dada su complejidad y para
efectos de eficiencia, se calculan mediante softwares de simulación para poder
experimentar con los parámetros de un sistema real, sin manipularlo
directamente Llebot (citado por Unión Europea, ICCA, 2015). Clasificaciones
de modelos matemáticos incluyen los determinísticos (las variables de
entradas y salidas son valores fijos) o estoicos (por lo menos una variable de
salida o entrada es probabilística); estático (el tiempo no es tomado en
consideración), o dinámico (son tomadas en cuenta las interacciones que
varían en el tiempo entre variables) (Maria, 1997).

Figura 5. Representación gráfica del concepto de un modelo de simulación. Tomado de
Modelos de simulación y herramientas de modelaje (p. 13), por Unión Europea, ICCA, 2015.
Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura (I.I.C.A.).

En la figura anterior se muestra una representación gráfica del concepto
de un modelo de simulación. El proceso de modelado comprende las
actividades para asegurar que tanto el sistema real como el modelo sean
correspondientes, esto es que los parámetros del primero estén representados
de manera precisa en el segundo. Por su parte, para los estudios de simulación
así como para el proceso de validación, la correspondencia de las variables
de entradas es importante. En el primero permite estudiar las variables de
salida de un modelo al introducir de manera controlada las variables de
entradas a la que será sometido el sistema real, de tal manera que puedan
estudiarse las inferencias entre las variables de salidas de ambos para concluir
en, por ejemplo, la optimización del sistema real.
En el segundo, estas correspondencias entre las variables de entradas del
sistema real y el modelo permiten realizar la validación del modelo por medio
de una comparación entre las variables de salidas de ambos, estudiando las
inferencias resultantes de estas variables para identificar las no
correspondencias entre los parámetros del sistema real y el modelo. Esto
41

puede realizarse de manera iterativa, modificando el modelo hasta alcanzar
un nivel de correspondencia que haga efectivos los estudios de simulación
sobre el modelo.
Metodología de estudio de simulación
Un estudio de simulación comprende los procesos para el estudio de un
sistema real aplicando experimentos o simulaciones sobre el modelo
matemático de este sistema. Este estudio es iterativo, y su propósito principal
es convertir el sistema real en un sistema optimizado, con lo que se pretende
resolver problemas, reducir riesgos, costos, daños, pérdidas, mejorar el
rendimiento, o simplemente responder a preguntas o hipótesis hechas sobre
el sistema real.
En un estudio de simulación las decisiones humanas son necesarias en
todos sus procesos, siendo estos el desarrollo del modelo de simulación, el
diseño de experimentos, el análisis de resultados, la formulación de
conclusiones, y la optimización del sistema real. El único proceso donde no es
requerida la intervención humana es poner en funcionamiento las
simulaciones, donde muchos de los softwares de simulación ejecutan esta
acción eficientemente (Maria, 1997).

Figura 6. Esquema de metodología de estudio de simulación. Tomado de Introduction to
modeling and simulation (p. 8), por Maria, A., 1997. Binghampton: State University of New
York.

Es importante entender que la ausencia de un poderoso software de
simulación puede afectar el estudio de simulación, sin embargo su presencia
no necesariamente asegurará el éxito. Son necesarios formuladores de
problemas experimentados, modeladores de simulación así como analistas
para el éxito de un estudio de simulación (Maria, 1997). Por tanto, para el
presente proyecto de investigación la metodología de estudio de simulación
involucrará los siguientes procesos:

Desarrollo del modelo de simulación:
(1) Identificación del problema, establecimiento de los requerimientos del
sistema y formulación de los objetivos del estudio,
(2) Recopilación de parámetros del sistema real,
(3) Modelado y validación el sistema real,
Diseño de experimentos:
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(4) Aplicación de estudios eléctricos al modelo,
Análisis de resultados:
(5) Análisis de los resultados,
Formulación de conclusiones:
(12) Formulación de conclusiones
Optimización del sistema real:
(13) Recomendaciones para la optimización
Descripción del software de ingeniería eléctrica
Descripción general de software ETAP®
ETAP® es un software de ingeniería eléctrica totalmente gráfico
desarrollado para diseñar, modelar, simular, operar y automatizar sistemas
eléctricos de generación, transmisión, distribución, y sistemas eléctricos
industriales. ETAP® comprende una serie de módulos de simulación,
herramientas, y librerías de ingeniería validadas que permiten crear,
configurar, modificar, y administrar el modelo de un sistema eléctrico. Este
software funciona como una herramienta confiable para el modelado y la
ejecución de estudios de simulación, entregando resultados confiables, y
permitiendo administrar de manera eficiente la información generada.
(Operation Technology, Inc. 2014)
ETAP® cuenta una serie de módulos de simulación que son aplicaciones
constituidas por herramientas para efectuar simulaciones sobre el modelo de
un sistema eléctrico. Estos módulos de simulación son importantes para
analizar sistemas eléctricos pues permiten aplicar estudios eléctricos
normados para obtener información sobre el comportamiento del sistema
eléctrico real. Cada módulo de simulación realiza un estudio eléctrico