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Plataforma de Información para Potenciar la Docencia en Sistemas Eléctricos de Potencia y Mercados Competitivos Nolberto Oyarce S., Rodrigo Palma B. Departamento de Ingeniería Eléctrica Area Energía, Universidad de Chile Av. Tupper 2007, Santiago, Chile noyarce@ing.uchile.cl, rodpalma@ing.uchile.cl, http://146.83.6.6/bdmc/. Resumen En distintos foros a nivel mundial, existe un consenso en reconocer la necesidad de contribuir a fortalecer las herramientas docentes en el ámbito de sistemas eléctricos de potencia (SEP). Este trabajo busca contribuir en la propuesta de nuevas herramientas y conceptos en esta línea. Se presenta el análisis, diseño y programación de una plataforma de información y de simulación para la docencia. El modelo implementado hace uso de programación orientada al objeto y tecnología JAVA. Se ha dado énfasis en un diseño que permita con facilidad futuras mejoras y ampliaciones. La plataforma en desarrollo ha sido validada a través de su uso por parte de alumnos y profesoes, constituyéndose en una herramienta complementaria con los laboratorios tradicionales en este ámbito 1. I. INTRODUCCION La formación de profesionales capacitados en el área de sistemas eléctricos de potencia requiere de una perma- nente adaptación de metodologías y procedimientos do- centes 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 competitivos en los ámbitos de generación y comercialización de la energía [1, 2]. Chi- le fue pionero en este ámbito, desarrollando en la década de los ochenta un mercado tipo Pool centrado en la crea- ción de competencia en el ámbito de la generación de energía eléctrica [1,3]. 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 económicos. De esta forma, el estudio de los denominados "Sistemas Eléctricos de Potencia" ha cambiado su connotación preponderantemente técnica a una más amplia donde es necesario conjugar aspectos técnicos y económicos. Lo anterior plantea la necesidad 1 Este trabajo corresponde a una versión revisada de la contribución realizada por los autores a INGELECTRA 2002, 12-14 de Junio, Valdivia, Chile. de contar con una educación que sea lo suficientemente flexible y que esté enfocada a estos cambios. 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 [4,5]. Para revertir esta situación se han realizado múltiples esfuerzos tendientes a fortalecer el interés por este ámbito del conocimiento y su consistencia con el mercado laboral relacionado. Los esfuerzos se han concentrado en potenciar las instalaciones de laboratorios [6-8], en la generación de simulaciones gráficas de altos niveles de complejidad, enfocadas a fenómenos específicos [9-11] y de herramientas de apoyo metodológico, que se engloban en: Modelos Cognitivos [12-14], Métodos de Visualización [15] y Modelos de SEP [16-19]. Todo esto ha sido motivado, tanto por la nueva forma de mostrar los SEP como por el sorprendente desarrollo de las tecnologías de la información, entre las que cabe mencionar: capacidad de almacenamiento, nuevos procesadores, Internet y lenguajes de programación, entregando una gama amplia de herramientas susceptibles de ser utilizadas en el ámbito docente [4,7,20]. Este trabajo aborda de manera novedosa el tema de la docencia en SEP, con la construcción de una plataforma de información y de simulación de aspectos docentes. Se presentan las etapas de análisis, diseño y programación de la plataforma. El desarrollo hace uso de nuevas tecnologías de información, explotando las propiedades de flexibilidad, posibilidad de expansión y fácil mantenimiento, basándose en Internet, como medio de difusión para ello. Se utiliza una estructura cliente- servidor y bases de datos. Se resume el estado de avance del proyecto y se analizan los resultados alcanzados. El trabajo supone un conocimiento básico de programación orientada al objeto y tecnología JAVA. II. METODOS APLICADOS A LA DOCENCIA EN SEP 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. Los tópicos de SEP pueden ser abordados en torno a dos elementos fundamentales que se potencian con un tercero: laboratorios y simulaciones. A continuación se realiza una descripción de estos elementos. 2.1 Laboratorios 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 [7], 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 [21]. 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 [22]. 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 [6], de laboratorios de diseño, donde se fomenta la creatividad del alumno para resolver problemáticas específicas [23]. El tipo de laboratorio a implementar dependerá del tipo de materia tratada y del nivel de conocimiento de SEP del grupo de alumnos. 2.2 Simulaciones 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, estudio del comportamiento de una bolsa de energía [2, 25,26]. Este grupo es abordado utilizando herramientas de propósito general, tales como PSPICE, MATLAB, LabView, MS- Excel y Mathcad [24]. Asimismo, grupos de investigación han diseñado, mediante el uso de lenguajes de programación tales como C, C++, Fortran o Java, paquetes de simulación en el ámbito de SEP con los cuales es posible potenciar labores docentes [27]. Estos trabajos enfrentan los tópicos de SEP y MC desde varias perspectivas [3, 6, 16-18, 28-29]: a) Simulaciones de propósito general: muestran fenómenos de redes pequeñas (5 a 20 barras o nodos) que permiten estudiar fenómenos específicos como regulación de tensión, estabilidad, flujo de potencia, etc., tendiendo hacia la muestra de estos fenómenos con un objetivo pedagógico. b) Simulaciones de propósito específico: permiten mostrar un fenómeno puntual, como estabilidad, fenómenos asociados a líneas de transmisión, etc. Su enfoque es pedagógico, permitiendo mostrar variados aspectos de éste. c) Simulaciones de Sistemas de Potencia: se diferencian de lo expresado en a), pues se orientan hacia la construcción de SEP y su estudio desde el punto de vista de un sistema (enfoque sistémico), buscando reflejar parámetros y/o situaciones reales. Un tercer punto son los apoyos metodológicos, cuya función es potenciar los dos puntos anteriores, generando guías para el desarrollo de modelos de estudio de SEP y MC [12,16]. Adicionalmente, debido a la enorme cantidad de información que los SEP y MC emplean en su aplicación a sistemas reales, se debe disponer de maneras de entregar la información clara, con una interfaz sencilla y amigable, entregando guías para concentrar y manipular esta información. Por último, se presentan los modelos cognitivos, que son aplicados desde un enfoque preponderantemente docente, para el estudio del impacto de los conocimientos entregados a través de los medios disponibles. Sus propuestas escapan al alcance de este trabajo, pero permiten un aporte en términos de guía en este sentido [12]. III. MODELO DE LA PLATAFORMA DE INFORMACION Los puntos señalados en las secciones anteriores, identifican los nuevos desafíos en la docencia en SEP, permitiendo proponer un modelo que combine las alternativas de docencia con un enfoque interactivo, utilizando para ello tecnologías de multimedios, programación y bases de datos. En los siguientes párrafos se presenta el modelo general propuesto, consistente en una plataforma de información para la docencia en SEP. La plataforma debe establecer acceso a la información en lo referente a los SEP y MC, necesitándose para esto el estudio de fenómenos específicos, que permitan el estudio sobre SEP extensos con una incorporación explícita de MC. A continuación se detallan aspectos de diseño de la plataforma. La siguiente figura resume el modelo general de plataforma de información propuesto. 3.1 Servidor Conforma la base sobre la que se alojan todos los elementos de la plataforma de información. Está estructurado en torno a un sistema Cliente-Servidor. El usuario ejecuta requerimientos al servidor, el cual los procesa y envía respuesta a éste en forma directa, entregándole la aplicación o proceso requerido. El Servidor puede acceder a la base de datos, obteniendo la respuesta y procesándola para responder al usuario. Los requerimientos del usuario son a través de estructuras de archivos html, y la respuesta que obtiene es de tres tipos: formato de tablas (utilizado si el tipo de petición es hacia la base de datos), formato de aplicación (programa que el usuario solicita ejecutar, cuya salida se presenta en términos de "ventanas"); y el formato de archivos (permite descargar información directamente al usuario). El Servidor ejecuta las acciones de las aplicaciones y genera las llamadas a la base de datos en formato SQL2. 3.2 Aplicaciones Multimedia con Herramientas Educativas Específicas Son herramientas creadas con modelación orientada al objeto (OO), cuya garantía es permitir la flexibilidad, expansión, mantenimiento e integridad de datos. Su estructura base debe ser genérica, es decir, permitir la construcción de cualquier aplicación en torno a un modelo inicial. Además, su ejecución debe ser factible tanto en forma remota, vía Internet, como local, descargando el archivo a la plataforma del usuario para su ejecución. Para esto, se postula como alternativa el lenguaje de 2 “Structured Query Language”, Lenguaje de Consulta Estructurado programación en Java, que permite la estructura de objetos y el uso de Applets3. 3.3 Herramienta existente para el estudio de fenómenos sistémicos Para el estudio de los SEP y MC se requiere, en particular de una herramienta con las siguientes cualidades: modelación de componentes eléctricas de un SEP, estudio de flujos de potencia (AC y DC), flujos óptimos de Potencia (OPF), construir modelos hidráulicos de un SEP, modelos de mercados competitivos de un SEP, etc. Para ello se presenta la plataforma DeepEdit4 como respuesta a esta necesidad [2, 3]. 3.4 Requerimientos Plataforma de Información La Plataforma de Información a proponer debe englobar los puntos detallados anteriormente, pudiendo explicitarse los siguientes requerimientos: • Permitir un flujo bidireccional de la comunicación entre el equipo docente y alumnos, al utilizar la plataforma, • Permitir una modelación detallada de máquinas, equipos, 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 y MC. IV. ASPECTOS DE IMPLEMENTACION De acuerdo al modelo de plataforma de información presentado en la sección anterior, a continuación se detallan aspectos de su implementación. 4.1 Servidor La implementación de la plataforma conlleva la creación del servidor con ítems temáticos que permiten encontrar la información requerida. La figura 2 presenta esta estructura. 3 Aplicaciones que se descargan a la plataforma del usuario, ejecutándose en ésta. 4 Herramienta de toma de decisiones en SEP y MC, desarrollada en el Area Energía del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. Figura 1: Modelo General de diseño Figura 3: Modelo Genérico de las Aplicaciones Cada ítem representa una base de datos diferente que entrega información temática específica: Novedades (conforman las noticias y hechos importantes que acontecen en el sector), Objetivos (presenta la finalidad del servidor y la plataforma en sí), Literatura (conforma una extensa base de datos de los trabajos relacionados con el sector. Consisten en el título, resumen, autor, fecha de publicación del trabajo y editorial de éstos), Cursos (presentan toda la información accesible de los cursos desarrollados en el Area Energía), Glosario (es un conjunto de términos que se utilizan en el sector, entregando sus equivalentes en tres idiomas: inglés, alemán y español), Contactos (base de datos de personas y empresas, relacionados directa o indirectamente con SEP y MC), Experiencia Internacional (nos entrega los trabajos desarrollados por miembros del Area Energía en congresos internacionales, eventos o similares), Software y Multimedia (ítem donde se encuentran las aplicaciones desarrolladas en el área, además de software que es facilitado para cursos y/o de acceso público), Sitios de Interés (base de datos con direcciones URL5, con una descripción y clasificación según su contenido), Cámara WEB (cámara, cuyas imágenes son accesibles a través de Internet. Se utiliza para la presentación de seminarios y eventos de interés). 4.2 Aplicaciones Multimedia Para la construcción de las aplicaciones, independiente del tema específico a tratar, se requiere de una interfaz gráfica intuitiva y eficiente. Para ello se hace uso de librerías Swing de Java. Su construcción básica se establece según la figura 3. 5 URL es el acrónimo de (Uniform Resource Locator), localizador uniforme de recursos y permite localizar o acceder de forma sencilla cualquier recurso de la red desde el navegador de la WWW. Los elementos que lo conforman son los siguientes: • Aplicación genérica SEP: representa la base del sistema en desarrollo. Sobre ésta se efectúan las operaciones que el usuario necesite ejecutar; y que la aplicación le permita efectuar. Las operaciones que se realizan sólo permiten desplegar hacia pantalla resultados finales. No es posible ver resultados intermedios de las operaciones, a menos que estén definidos en la salida de datos. Sobre este elemento se agregan todos los demás objetos componentes de la aplicación. Esta aplicación genérica tiene un mini-aplicación inicial que le permite desplegarse. • Sistema de ayuda: Constituye una aplicación que sólo muestra información. Se debe desplegaren una pantalla independiente de la aplicación genérica. Este sistema presenta una Ayuda en Línea para que el usuario pueda llamar en todo momento. Esta ayuda se despliega automáticamente con el idioma seleccionado en la aplicación genérica. La ayuda en línea se compone de dos partes fundamentales: o Ayuda Temática: es la ayuda que explica el fenómeno que la aplicación está mostrando, dando las bases físicas y matemáticas de éste. o Ayuda Interfaz hombre-máquina: entrega ayuda respecto a la aplicación en sí. La utilidad y funcionamiento de los botones, que representan las salidas numéricas y que despliega la interfaz gráfica. • Librerías específicas: se presentan como las funcionalidades que necesita internamente la aplicación para poder ejecutar los cálculos requeridos. • Panel de parámetros: Representa el panel que entrega la entrada de datos. Su utilidad reside en que, sobre él, es posible modificar el tipo y valor de parámetros. Por ejemplo, puede elegir entre ingresar una reactancia en por unidad o en Ω, o bien los parámetros de voltaje de un cierto sistema de unidades. Este panel entrega Figura 2: Servidor internamente los datos a operaciones, para que realice las operaciones requeridas. • Panel de acciones: es el panel que indica al usuario qué tipos de operaciones se pueden realizar con los parámetros ingresados. Este panel permite el despliegue de la Ayuda en línea, los resultados numéricos y las salidas gráficas. • Panel de resultados: se encarga de recibir los resultados de las acciones emprendidas por le panel de acciones mediante operaciones. Su objetivo es distribuir los datos de manera que, si se solicitan, por medio del panel de acciones, ejecutar la salida de datos y las salidas gráficas. Dependiendo del problema, estas acciones pueden realizarse en forma independiente o simultánea. 4.3 DeepEdit: Plataforma para estudios de SEP y MC DeepEdit, cuya estructura se presenta en [2, 3] permite el estudio de los siguientes ámbitos temáticos: Flujo de Potencia, Flujo Difuso, Flujo DC, Despacho Económico (con y sin pérdidas), Cortocircuito trifásico, Visualización de niveles de voltaje y costos marginales, simulación de mercados, estudios de tarificación, etc.. Para su incorporación a la plataforma de información propuesta en este trabajo, se redujo sus capacidades, eliminando algunos sistemas o deshabilitando algunas sub-aplicaciones que contiene con el fin de potenciar su desempeño en el ámbito docente. V. REALIZACION DEL SISTEMA Para la validación de los modelos presentados se seleccionó un conjunto de ámbitos temáticos y aplicaciones para la realización práctica de la plataforma. 5.1 Servidor WEB El servidor utiliza HTML como formato de código para las páginas WEB. Los accesos a bases de datos utilizan tecnología Java-Servlets, accediendo a la base de datos con el protocolo JDBC. El hardware de test es un sistema con procesador Pentium III de 500 MHz, 10 GB de HD y 128 MB en RAM. El acceso se realiza a través de una LAN de 100 Mbs, con salida hacia Internet por medio de fibra óptica. Este servidor se localiza en la dirección http://146.83.6.6/bdmc/. 5.2 Aplicaciones Multimedia El modelo general de aplicaciones propuesto en la sección 4.2 es aplicado en las siguientes 5 aplicaciones: • Calculadora Fasorial, • Cálculo de componentes Simétricas, • Estabilidad por el Criterio de áreas iguales, • Carta de operación de un generador síncrono, • Cálculo de potencia aparente. La estructura general de las aplicaciones se ejemplifica en la figura 4 para el caso de la calculadora fasorial. La estructura comprende los cuatro paneles: parámetros, acciones, resultados y acciones generales. Mediante la entrada de parámetros, en este caso fasores, se puede desplegar la salida gráfica (figura 5). Esta salida se compone de tres fasores (A, B y C). A y B son las entradas y C el fasor suma resultante de las acciones que del usuario. Figura 4: estructura de la aplicación Figura 5: salida gráfica Calculadora La salida de ayuda en línea actúa en forma similar a una página web, presentándose hipervínculos entre los diversos elementos que lo conforman Otra aplicación desarrollada es corresponde al estudio del fenómeno de estabilidad transiente, calculado a partir del criterio de las áreas iguales. Su salida gráfica se presenta en la figura 7. Los resultados completos de la plataforma y de las 5 aplicaciones se encuentran disponibles en http://146.83.6.6/bdmc/. Asimismo, se encuentran disponibles distintas aplicaciones desarrolladas como proyectos semestrales del curso de Sistemas Eléctricos de Potencia dictado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. 5.3 DeepEdit La herramienta DeepEdit se adaptó como un archivo descargable en formato zip. El archivo y sus instrucciones de instalación se encuentran en http://146.83.6.6/bdmc/. VI.CONCLUSIONES La incorporación de nuevas tecnologías, así como la aplicación de herramientas multimedia han promovido que la forma de presentación de los temas educativos, en distintos ámbitos, haya cambiado radicalmente. Este trabajo pretende contribuir a esta tendencia con el desarrollo de una plataforma de apoyo docente en el área energía. Sus aplicaciones y desarrollos se encuentran operando en http://146.83.6.6/bdmc/, formando actual- mente parte integral de cursos de especialización en SEP. El trabajo futuro se concentra en la construcción de un libro multimedia de SEP y MC que se complemente con esta plataforma. Asimismo, se busca avanzar en una posible validación pedagógica del sistema propuesto. VII. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue parcialmente financiado por el proyecto Fondecyt #1020801, y la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. VIII. 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Recibió su título de Ing. Civil de Industrias con Mención en Electricidad y Magíster en Ciencias de la Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile y el de Dr.-Ing. de la Universidad de Dortmund, Alemania. Se desempeña como profesor asistente del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. Su campo de investigación son la planificación y operación de sistemas Eléctricos de potencia en mercados competitivos. Nolberto Oyarce Seguin nació en Santiago, Chile. Obtuvo su licenciatura en Ciencias de la Ingeniería y es candidato a Ingeniero y Magíster en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. Su campo de investigación se relaciona con diseño de mercado y desarrollo de modelos computacionales para la docencia e investigación.
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