Plataforma Interactiva para SEP

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Modelo Orientado al Objeto y Plataforma Interactiva para una Enseñanza
Moderna en Sistemas Eléctricos de Potencia
Rodrigo Palma, Nolberto Oyarce
Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE), Universidad de Chile
rodpalma@cec.uchile.cl
RESUMEN: La profunda transformación estructural del sector eléctrico a escala mundial,
caracterizada por la creación de mercados competitivos, establece nuevos desafíos para la
educación en esta rama de la ingeniería. En este trabajo se estudian las nuevas características de
este sector, las metodologías de educación actualmente en uso y se desarrollan 2 herramientas
con las cuales potenciar la docencia. La primera de ellas utiliza como base la programación
orientada al objeto (OO), capaz de modelar tanto los aspectos técnicos como económicos de un
sistema eléctrico. A través de una estructura cliente/servidor se realizan en forma interactiva
distintas simulaciones de tópicos docentes de sistemas de potencia. La segunda herramienta
consiste en un servidor Web que conforma una plataforma de interacción de apoyo a la docencia
y proyectos de investigación. Para la realización del sistema se utiliza lenguaje de programación
JAVA y HTML. El sistema desarrollado está siendo utilizado en cursos dictados por el DIE.
Palabras Claves: educación moderna, sistemas de potencia, mercados competitivos,
programación orientada al objeto, Internet, JAVA, HTML.
1. INTRODUCCION
La formación de profesionales capacitados en el área de sistemas eléctricos de potencia (SEP) re-
quiere de una permanente adaptación de metodologías y procedimientos docentes a las tendencias
del sector, observadas tanto a nivel nacional como mundial. En particular, la estructura de los
mercados eléctricos se ha enfocado en la última década hacia la creación de mercados competiti-
vos en los ámbitos de generación y comercialización de la energía [1]. Chile fue pionero en este
ámbito, desarrollando en la década de los ochenta un mercado tipo Pool centrado en la creación
de competencia en el ámbito de la generación [1,2]. El proceso de fuerte descentralización de
toma de decisiones, característico de mercados competitivos, ha llevado a los agentes de mercado
a elaborar estrategias de operación y de negocios condicionadas fuertemente por criterios econó-
micos. De esta forma, el estudio de los llamados "Sistemas Eléctricos de Potencia" ha cambiado
su connotación preponderantemente técnica a una más amplia donde es necesario conjugar aspec-
tos técnicos y económicos. Lo anterior plantea la necesidad de contar con una educación que sea
lo suficientemente flexible y que esté enfocada a estos cambios, especialmente en lo que se
refiere a temáticas de seguridad y calidad de suministro de energía [3].
A nivel mundial, desde fines de la década de los ochenta, se ha observado un descenso en el
número de estudiantes que ha optado por el área de sistemas de potencia, derivándose el interés
hacia áreas tales como ingeniería industrial, telecomunicaciones y control [4]. Para revertir esta
situación se han realizado múltiples esfuerzos tendientes a fortalecer el interés por este ámbito del
conocimiento. Existe un sinnúmero de herramientas para la representación, simulación y puesta
en práctica de los Sistemas Eléctricos de Potencia [3,5,6,7,8,9,10,11], no obstante, un punto
fundamental que debe ser abordado es la forma en que el estudiante percibe este tema y la forma
en que el docente pueda traspasar sus conocimientos de manera de poder construir la temática
“Sistemas de Potencia” como el todo que es. Esto involucra poder someter este tema a todos los
elementos técnicos y tecnológicos disponibles para alcanzar este objetivo. El sorprendente
desarrollo de las tecnologías de la información, entre las que cabe mencionar: capacidad de
almacenamiento, nuevos procesadores, Internet y lenguajes de programación, entregan una gama
amplia de herramientas susceptibles de ser utilizadas en el ámbito docente [3,10,12,13].
Este trabajo aborda de manera novedosa el tema de la docencia en SEP, incorporando en la etapa
de diseño las tendencias actuales del sector, desarrollando una plataforma de interacción y
simulación para los alumnos. El desarrollo hace uso de nuevas tecnologías de información,
explotando las propiedades de flexibilidad, posibilidad de expansión y fácil mantenimiento.
2. METODOS APLICADOS A LA DOCENCIA EN SEP
Tradicionalmente, el desarrollo de actividades de docencia en SEP incorpora los siguientes ele-
mentos básicos [3,4,14,15]: Clases teóricas, Tareas, clases auxiliares, Proyectos compu-
tacionales en simulaciones de tópicos en SEP y Actividades de laboratorio y visitas a terreno.
El carácter multidisciplinario de SEP, donde confluyen de forma natural las áreas de control
automático, telecomunicaciones, economía y optimización, requiere de una visión unificada de
estos temas. Tradicionalmente las clases teóricas constituyen el núcleo del curso sobre el cual el
resto de las actividades buscan reforzar temas específicos presentados en forma teórica [3,16].
Estos elementos pueden ser ocupados en mayor o menor medida por el docente para su
utilización en un curso determinado. Sin embargo, esto puede generar matices aislados que no se
conjugan como un todo, no pudiendo ser proyectada el concepto de "sistema" inherente a los
SEP. Las clases auxiliares aplican los conceptos vistos en cátedra, a través de la resolución de
ejercicios concretos. Estos ejercicios son desarrollados en el pizarrón con el apoyo esporádico de
elementos audiovisuales tales como proyectoras, simulaciones computacionales, etc. [3,4,14].
En la última década, con la masificación de los computadores personales, las tareas y proyectos
se han enfocado al uso y aplicación de herramientas computacionales que abordan problemas
específicos en la educación de SEP. Entre otros, puede mencionarse: cálculo de parámetros de
líneas, flujo de potencia, cortocircuito, regulación de frecuencia, análisis de estabilidad
permanente y transitoria [3,11,16]. Este tipo de simulaciones puede ser abordado utilizando
herramientas de propósito general, tales como PSPICE, MATLAB, LabView, MS-Excel y
Mathcad. Asimismo, grupos de investigación han diseñado, mediante el uso de lenguajes de
programación tales como C, C++, Fortran, paquetes de simulación en el ámbito de SEP con los
cuales es posible potenciar labores docentes. Entre ellos, cabe mencionar los programas con una
interfaz gráfica interactiva orientada fuertemente a la docencia [5,6,7,8,9].
Las actividades de laboratorio constituyen el nexo natural entre el conocimiento teórico y
práctico de SEP. Desde un punto de vista "estructural" se distinguen laboratorios docentes:
basados en máquinas y equipos eléctricos y apoyados en instrumentos de medición y adquisición
de datos [3,14,16], de aquellos basados en software de simulación, constituidos esencialmente
por una sala de computadores con programas específicos de simulación de redes eléctricas,
máquinas y equipamiento [5,7]. Cabe mencionar la tendencia mundial a unificar ambos
conceptos de laboratorio, lo que en definitiva se traduce en un análisis beneficio/costo en la etapa
de diseño del mismo [3,16]. Los laboratorios docentes también se distinguen en función de su
"enfoque pedagógico" en laboratorios guiados en base a procedimientos que deben realizarse
paso a paso [3,15] de laboratorios de diseño, donde se fomenta la creatividad del alumno para
resolver problemáticas específicas [9]. El tipo de laboratorio a implementar dependerá del tipo de
materia tratada y del nivel de conocimiento de SEP del grupo de alumnos.
3. MODELO PROPUESTO
De la revisión de los métodos actuales aplicados a la docencia en SEP, se aprecia la gran
diversidad de herramientas utilizadas para el estudio de un conjunto igualmente diverso de
problemas específicos a tratar. Esto genera visiones aisladas del problema en SEP, dificultando la
asimilación del concepto de sistema de potencia. Lo anterior se refuerza por la ausencia de
propuestas metodológicas concretas orientadas a incorporarlos nuevos objetivos introducidos por
mercados eléctricos competitivos [1,2]. Asimismo, se aprecia en proposiciones recientes una
incorporación parcial de los avances de tecnologías de la información. A continuación se presenta
el modelo propuesto, él que a partir de una descripción del sistema basada en programación OO,
permite crear una plataforma interactiva moderna para la docencia en SEP.
3.1 Modelo Orientado al Objeto
La modelación del sistema utiliza el modelo OO propuesto por los autores en [2] y resumido en
la figura 1. El árbol jerárquico define una base de datos OO en la cual se distinguen objetos de
red (BDR) y objetos de mercado (BDM). De esta forma se implementa un modelo donde cada
elemento está determinado tanto por sus características físicas como económicas. Estas
características deben estar enfocadas respecto a una herencia que representa su relación con los
elementos de una clase superior. Así, por ejemplo, un transformador corresponde a una rama del
sistema, la que a su vez corresponde a un elemento de 2 polos.
Figura 1: Arbol jerárquico OO del sistema
Por su parte, los objetos contenidos en BDM y BDR, dado el desarrollo de las nuevas y
complejas estructuras propias de los mercados competitivos, no son independientes. La figura 2
muestra, válida para cualquier estructura de mercado, las relaciones existentes entre estos objetos.
Por ejemplo, se define al consumidor como el objeto que posee y/o administra cargas en el
sistema. En forma análoga el suministrador administra y/o es dueño de generadores o inyecciones
de red. De esta manera, se conforma una estructura flexible de representación de un sistema
eléctrico frente a distintas estructuras de mercado y desarrollos tecnológicos [2].
3.2 Plataforma Interactiva
La estructura desarrollada en el
punto anterior, la que en definitiva
constituye una base de datos de un
SEP, permite la generación de una
plataforma docente interactiva. Los
requerimientos a esta plataforma, en
el contexto de lo discutido hasta el
momento son:
• Permitir un flujo bidireccional
fluido de la comunicación entre el
equipo docente y alumnos.
• Permitir una modelación detalla-
da de máquinas, equipo, redes
eléctricas y estructuras de mercado para su simulación y visualización.
• Creación de una biblioteca de herramientas de análisis de los distintos problemas tratados en
SEP (técnico/económico) en un ambiente común.
• Capacidad de modificación rápida y eficiente de elementos y herramientas de análisis.
• Acceso remoto a base de datos actualizadas en temas, tales como: literatura, glosario,
novedades, contactos, aplicaciones, empresas e información que permita proyectar el área de
SEP más allá del alcance de un curso en particular.
Lo anterior debe estar conformado como un todo,
obteniéndose el máximo beneficio para el usuario. Para ello
se propone la estructura general de servidor de información
mostrada en la figura 3. Los subdirectorios representan las
distintas áreas temáticas de la plataforma interactiva. Cada
uno de estos puntos contiene información que puede ser
requerida tanto por el alumno como el equipo docente. Esta
información está estructurada en bases de datos, las que
deben ser actualizadas periódicamente y con el menor
esfuerzo posible por el equipo de apoyo y/o alumnos.
A modo de ejemplo, el subdirectorio "Glosario" contiene
una base de datos en castellano con la definición de
términos propios de SEP y sus equivalentes en inglés y
alemán. Lo anterior busca facilitar al alumno la
comprensión de información complementaria entregada en
los cursos. Por su parte, el subdirectorio "Software y
multimedia" concentra la biblioteca de herramientas de
análisis de SEP que hace uso de la base de datos OO
descrita en la sección 3.1. Figura 3: Estructura General de
Plataforma Interactiva
Figura 2 : Relación entre BDR y BDM
4. IMPLEMENTACION
A los requerimientos estructurales de la plataforma interactiva, se suman aquellos relacionados
con la implementación del sistema, los que condicionan de forma directa la solución tecnológica
elegida. Los más relevantes son:
• Independencia de la plataforma: el manejo, almacenamiento y estructura de la información y
aplicaciones deben ser independientes de la plataforma computacional utilizada.
• Rapidez y seguridad tanto en el almacenamiento como manejo de datos.
• Desarrollo de GUI: la interfaz gráfica debe ser intuitiva para las aplicaciones de SEP,
ofreciendo un sistema eficiente de comunicación bidireccional.
• Interfaces a archivos fuente: las entradas y salidas del sistema deben ser compatibles con las
herramientas computacionales de oficina (ej. MS-Office, StarOffice).
• Conexión a red y tecnología Internet: dada la masificación y universalidad alcanzada por
Internet, ésta debe servir como base para los requerimientos antes descritos.
Dados los requerimientos anteriores y en base a un análisis de las plataformas de desarrollo
existentes, se ha optado por la tecnología Java . Esta alternativa permite desarrollar directamente
el concepto OO propuesto en este trabajo e integra, a nivel de lenguaje e independiente de la
plataforma, la tecnología Internet. La plataforma interactiva ha sido realizada creando un sitio
Internet que combina el lenguaje HTML y Java-Servlet, con un énfasis en la comunicación a
bases de datos. De esta forma se generan páginas en forma dinámica, facilitando el
mantenimiento y traspaso de información.
El modelo orientado al objeto
descrito en las sección 3.1, ha
sido implementado como un
sistema distribuido basado en una
arquitectura de tipo cliente-
servidor [2]. La figura 4 muestra
la arquitectura del paquete de
programación desarrollado. Las
flechas grises representan
servicios requeridos por parte de
los clientes a los respectivos
servidores, en tanto que las de
color negro simbolizan
intercambio de datos. Las bases
de datos BDR y BDM
constituyen la parte medular del
sistema, siendo sus servicios
solicitados por todas las componentes del sistema. De esta forma, se permite un acceso
controlado a la información de los objetos del sistema. Para el almacenamiento y la carga de esta
base de datos orientada al objeto, se hace uso de archivos fuentes en formato ASCII y/o bases de
datos relacionales (MS-Access con puente ODBC-SQL). La información contenida en la base de
datos puede ser modificada en línea, a través de los editores de red, hidráulico y de mercado.
Estos editores, junto con un sistema de información geográfica, disponen de interfaces gráficas
Figura 4: Modelo Propuesto de implementación
que permiten una flexible comunicación hombre-máquina. La biblioteca manejadora de eventos
posibilita, tanto el uso de los dispositivos de entrada y salida como la capacidad de interactuar
con la base de datos a través de protocolos y servicios Internet. La biblioteca de herramientas de
análisis permite la simulación en forma unificada del conjunto de problemas de SEP descrito en
la sección 2.
5. CONCLUSIONES
El modelo orientado al objeto y la plataforma interactiva propuesta en este trabajo, sugiere una
forma novedosa de abordar la enseñanza en SEP frente a los cambios que imponen las nuevas
estructuras de mercado. La flexibilidad, facilidad de mantenimiento y expansión del modelo OO,
permiten, independiente de la solución tecnológica elegida, una adaptación permanente a nuevos
requerimientos. El trabajo futuro comprende completar el desarrollo de esta plataforma, cuyos
primeros resultados pueden ser vistos en la dirección “http://146.83.6.6/bdmc/”. El concepto
propuesto es susceptible de ser aplicado a otras áreas de la ingeniería.
AGRADECIMIENTOS: Agradecemos el financiamiento del proyecto Fondecyt #1000866.
REFERENCIAS
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ISBN: 0-7923-9456-9, 1994.
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http://146.83.6.6/bdmc/