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Interfaz Gráfica para el control de tensiones y potencia reactiva en los transformadores frontera

Trasporte-Distribución

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6. MANUAL DE USUARIO DE LA INTERFAZ GRÁFICA

El método presentado anteriormente para la optimización del sistema eléctrico y

fundamentalmente destinado al control de las tensiones en los nudos y el control de flujos a

través de los transformadores se ha traducido en una aplicación informática. El algoritmo se

ha desarrollado en lenguaje C de MATLAB© 2006b, que funciona bajo MATLAB y que

muestra al usuario del programa las características de la red y las actuaciones que el método

informático desarrollado aconseja acometer para conducir al sistema eléctrico a un estado

aceptable y dentro de los márgenes de seguridad. La aplicación no requiere de instalación,

para su instalación sólo es necesario copiar la carpeta de la aplicación en cualquier ubicación

del PC y tener instalado MATLAB© v.7 o superior.

La aplicación está compuesta de diferentes funciones de programación destinadas a las

distintas partes del proceso algorítmico, lo que permite y una gran flexibilidad para posibles

modificaciones que se requieran en busca de un mejor funcionamiento.



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6.1 INICIO

Para comenzar a utilizar la herramienta gráfica es necesario iniciar el programa

informático MATLAB. Una vez que el programa esté listo, se establece como directorio de

trabajo la ruta de la ubicación de la carpeta donde se encuentra la aplicación que desarrolla el

algoritmo de corrección de tensiones y flujos.

Establecido ya el directorio de trabajo, se procede a introducir el comando “controltf” en la

ventana de comandos, tal y como se muestra en la siguiente captura(Fig. 6-1).

Figura 6-1Ventana de inicio de Matlab

Seguidamente aparecerá la pantalla de presentación e inicio de la aplicación gráfica del

control de tensiones y flujos (CONTROLTF) (Fig. 6-2).



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Figura 6-2 Pantalla de bienvenida de la Interfaz gráfica

La pantalla de inicio muestra un botón y una lista vacía. Aquí es donde se decide el sistema

eléctrico que se va a analizar. Este sistema eléctrico está definido por una serie de ficheros

con extensión RAW o TXT proporcionados por el operador del sistema. Cada fichero

corresponde a un estado horario donde se indican los estados de los elementos que determinan

la red eléctrica así como su topología. A continuación se muestra la apariencia de un archivo

que contiene el estado de la red en un momento determinado(Fig. 6-3).



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Figura 6-3 Archivo de texto que define la red a estudiar

Los archivos que definen el sistema eléctrico contendrán la siguiente información:

- Códigos de identificación de los nudos, nivel de tensión en el que se encuentran, el

tipo (slack, PV o PQ), su valor de tensión en por unidad, fase, zona de la red en la que

se encuentra el nudo ubicado, etc.

- Valores de potencia reactiva y activa demandada por las cargas.

- Valores de generación, reserva y limites de los dispositivos generadores de energía.



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- Interconexionado de los nudos mediante las líneas de distribución que indican sus

valores resistivos, etc.

- Situación de los transformadores, así como los valores actuales de sus tomas, paso y

limite de estos, potencia que circula por ellos, etc.

- Batería de condensadores presentes, indicando su situación, valor y límites de potencia

reactiva.

Para decidir la red eléctrica que se desea analizar, dentro de la pantalla de inicio del programa

CONTROLTF, se pulsará sobre el botón “CARGAR ARCHIVOS”. Aparecerá una ventana

(Fig. 6-4) donde se deberá seleccionar la ubicación de la carpeta en la que se encuentran los

archivos correspondientes a un estado determinado de la red.

Figura 6-4 Localización de los archivos referidos a la Red

Seleccionada la carpeta del sistema eléctrico a analizar, la pantalla de inicio (controltf)

mostrará todos los archivos que contiene la carpeta, referidos a las distintas horas de estudio y

se podrá elegir la hora que se desea analizar en particular.



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Decidida la hora de comienzo del análisis, se clickea sobre el botón “OK” para pasar al

siguiente proceso previo de análisis del sistema.

Figura 6-5 Red elegida

Figura 6-6 Elección de la hora de inicio



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6.2 CONDICIONES INICIALES

Elegido el archivo referido a la hora de análisis se nos presenta una ventana en la que

se deberá seleccionar diferentes condiciones iniciales que le serán impuestas al algoritmo

como restricciones o condiciones de contorno.

Figura 6-7 Ventana para determinar las variables y el entorno de trabajo

En la ventana “CONDICIONES_TRABAJO” (Fig. 6-7) se seleccionarán los siguientes

elementos:

- Variables de Control:

o Nudos de Generación: Serán aquellos nudos, siendo de generación, en los que

se desea poder actuar sobre la consigna de generación.

o Transformadores de control: Serán los transformadores con tomas que se desea

poder actuar sobre el valor de sus tomas durante el análisis.

o Batería de Condensadores: Serán las baterías que se desean poder ser

implementadas a la red en caso de ser necesario su uso.



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- Variables Dependientes:

o Nudos de Consumo.

o Transformadores de Flujo: Serán los transformadores en los que se desea

controlar el paso de potencia reactiva a través de ellos.

- Zona de Influencia: Mediante una selección de los nudos y los trafos de toda la red, se

puede acotar la zona de análisis del problema de control de tensiones y flujos y

restringirlo solamente a esta zona de influencia, ignorando lo que ocurra fuera de esta

región.

La elección de los distintos elementos se realizará pulsando sobre los correspondientes

botones que aparecen en la ventana de trabajo. Si se quiere seleccionar los nudos de

generación de las variables de control, se pulsa sobre el botón y se mostrará un

listado de todos los nudos de generación que forman la red de análisis con las características

topológicas de ellos. El usuario podrá seleccionar los nudos que considera adecuados para su

análisis e introducirlos así en el algoritmo como variables de control (Fig. 6-8).

Figura 6-8 Determinación de los Nudos de Generación



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Para seleccionar basta con clickear sobre los cuadros de la izquierda. Una vez seleccionados

todos los que se desean, se pulsa y se vuelve a la pantalla de las condiciones de trabajo

actualizada con la selección de nudos de generación realizada. Se observa que los nudos

seleccionados serán también como mínimo los de influencia.

Figura 6-9 Nudos de consumo establecidos

Se procederá de igual manera con los Transformadores de Control (Fig. 6-10)

Figura 6-10 Ventana de selección de los Transformadores de Control



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De igual forma con las baterías de condensadores (Fig. 6-11).

Figura 6-11 Baterías de condensadores disponibles en la Red

Se tiene ya definido lo que serán las variables de control para el algoritmo informático. Lo

siguiente será definir las variables dependientes, que análogamente a la selección de las

variables de control, se irán seleccionando mediante las ventanas emergentes.

Posteriormente se deberán seleccionar los nudos y transformadores que acotarán la región de

análisis. Finalmente se tendrá una ventana (Fig. 6-12) de las condiciones de trabajo similar a

la que se muestra a continuación, con todos los campos rellenados o todos seleccionados una

vez.

Figura 6-12 Definición final de las condiciones de trabajo en la Red



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Es recomendable salvar los datos actuales por si, una vez realizado un análisis y haber

interactuado, se quiere repetir un análisis diferente con las mismas variables. Entonces se

pulsará el botón .

Después se pulsará sobre y se accederá a la ventana de explotación del algoritmo.

En el caso de que ya se haya salvado en un análisis anterior y se quiera realizar un análisis con

las mismas variables pulsaremos directamente sobre sin necesidad de ir

seleccionando todos los campos de las variables.

6.3 SISTEMA DE CONTROL Y OPTIMIZACIÓN

Hasta el momento se ha definido la red a analizar y las condiciones que se aplicarán para el

control de tensiones y flujos a través de los transformadores. El siguiente paso es aplicar el

método de análisis a la red seleccionada y mostrar visualmente y gráficamente los efectos que

provocará sobre el sistema el algoritmo implementado.

Para mostrar e interactuar con los resultados se llega a la ventana de explotación del programa

informático “VENTANA_DE_CONTROL” (Fig. 6-13).



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Figura 6-13 Ventana de presentación de datos

En la pantalla se muestran las condiciones iniciales que se seleccionaron en su momento,

variables de control y variables dependientes (Fig. 6-14 y Fig. 6-15).

Figura 6-14 Estado instantáneo de la Red



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Figura 6-15 Estado instantáneo de las Variables de Control

Pulsando sobre los diferentes botones que aparecen en pantalla se podrá conocer el estado de

los diferentes elementos del sistema, el estado inicial y el final después de aplicar las

actuaciones que recomienda el algoritmo informático que aquí se ha desarrollado.

Además se tiene en la pantalla una ventana en la que se representará gráficamente el perfil de

tensiones de todos los nudos y podrá observarse como el método desarrollado para el control

de tensiones y flujos permite mejorar el perfil. También se mostrará el estado de los

transformadores, tanto con el valor de las tomas como los pasos de potencia reactiva a través

de ellos (Fig. 6-16).

Figura 6-16 Ventana para representaciones gráficas



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Para poder comenzar con el algoritmo de control se tiene una zona en la pantalla de

explotación en la que aparecen dos botones:

- “Actuar sin Detalles”.

Al pulsar sobre este botón, justo debajo de su ubicación, aparecerá un panel en el que se

decidirá si se procede a actuar manteniendo los resultados finales de una hora de actuación

previa, dentro del mismo análisis, o se actúa sin mantener estos datos y se toman los reales

provenientes del archivo que contiene los datos de la red en esa determinada hora.

Figura 6-17 Dos posibilidades de avance

Al seleccionar este modo del programa el algoritmo se ejecutará por completo

automáticamente para la hora seleccionada, no se mostrarán los pasos intermedios y sólo se

obtendrá los resultados finales de aplicar el control de tensiones y flujos a la red sujeto a las

condiciones de contorno que inicialmente se establecieron.

- “Actuar con Detalles”.

Este modo de funcionamiento muestra todas las actuaciones intermedias que se realizan

durante la ejecución del algoritmo informático y que en este apartado serán comentados.

Al pulsar sobre el botón referenciado aparecerá un panel de control en la parte inferior

derecha (Fig. 6-18).



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Figura 6-18 Información de las variables utilizadas y su valor de actuación

De igual manera que el modo anterior, se podrá elegir entre mantener los valores finales de la

hora anterior o no tenerlos en cuenta y considerar los valores reales leídos desde el archivo

correspondiente a la hora de estudio.

Se presentarán también las tres variables de control que el algoritmo decidirá para que le sean

aplicadas las correspondientes actuaciones. Este panel mostrará también el tipo de control que

se está realizando, Control de Tensiones o Control de Flujos, y el número de actuaciones

realizadas dentro del tipo de control correspondiente.

Para comenzar con el algoritmo se deberá pulsar sobre el botón , al inicio no

se tendrá la opción de avanzar manteniendo ya que no hay actuaciones horarias previas. En el

caso de que haya actuaciones horarias previas aparecerá también la opción .



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Seleccionada una de las dos opciones se inicia el algoritmo informático hasta el momento en

el que se tenga que aplicar el control de tensiones a la red. Esto significa, dentro del

algoritmo:

- Lectura del estado real de los elementos de la red (“lecturadatos.m”).

- Adaptación de los transformadores para facilidad de cálculo

- Creación de la matriz de admitancias (matriz.m).

- Realización de un reparto de cargas según las condiciones actuales de estudio de la red

según el método de Newton Raspón (N_R_limQ.m).

- Cálculo de la matriz de sensibilidades, uno de los pilares en los que se fundamenta el

método aquí desarrollado, que depende de la topología de la red (“S_f_Al.m”).

- Cálculo de los gradientes reducidos (“Grad_u_L_f_Al.m”).

- Establecer los límites, máximos y mínimos, para las variables de control

(“def_lim.m”).

- Cálculo de los incrementos máximos posibles para las variables de control teniendo en

cuenta que ninguna variable salga de límites (“inc_u_f_Al_tension.m”).

- Análisis de las potencias reactivas que circulan por los transformadores.

%lectura de datos [alias,SB,nudos,tipo,G_nudo,B_nudo,V,zona,nivel_tens,nudoscarga,Pc,Qc,Qcesp,nudosgen,Pg,Qg,Q

gesp,Qm,QM,m,Vesp,nudoi,nudof,Rrama,Xrama,Btotrama,a,G_ni,B_ni,G_nf,B_nf,ni_tv,nf_tv,tmax,tmi

n,paso,Bsh,mod_Bsh,B_ini,n_pasos,inc_Bsh]=lecturadatos(hora); teta=getappdata(0,'TETA'); estado=getappdata(0,'ESTADOT');

%[a]=tomas_paralelo(ni_tv,nf_tv,nudos,nivel_tens,nudoi,nudof,a); [t,tmax,tmin,trafo_vble,trafo_flujo,Ytrafo,nudo_f]=trafos1(nudos,V,teta,a,ni_tv,nf_tv,estado,nudoi,nudof

,Rrama,Xrama,nivel_tens,tipo,tmax,tmin);

.



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%matriz de admitancias de nudos [Y]=matriz(G_nudo,B_nudo,G_ni,B_ni,G_nf,B_nf,Rrama,Xrama,nudoi,nudof,a,nudos,Btotrama,bat,Bs

h_act); %reparto de carga [tension,fase,Pcal,Qcal,incP,incQ,Y,J,H,N,L,M,tipo,Qg]=N_R_limQ(V,Pg,Pc,Qg,Qc,Qcesp,Y,tipo,Vesp

,e,Qm,QM,m);

%creación de la matriz de sensibilidad [S]=S_f_Al(H,N,L,M,Y,tension,fase,nudos,tipo,a,nudoi,nudof,bat,trafo_control,Ytrafo,i_ng);

%creación de los gradientes reducidos [Grad_u_L]=Grad_u_L_f_Al(tension,fase,nudos,tipo,a,nudoi,nudof,bat,caso,S,trafo_control,trafo_flujo,

Ytrafo,i_ng,nudo_f);

%introducción de los límites de las variables [Vmax,Vmin,Qmax,Qmin,Psmax,Psmin,tmax,tmin]=def_lim(nudos,zona,nivel_tens,tipo,QM,Qm,m,tma

x,tmin); %calculo de los incrementos máximos de las vbles de control sin que ninguna vble de control se salga

de limites

[inc_u_a,inc_u_d,inc_u_a_aux,inc_u_d_aux,i_vdep]=inc_u_f_Al_tension(tension,fase,Pcal,Qcal,Pc,Qc

esp,nudos,tipo,nivel_tens,S,a,bat,Bsh_act,Bsh_M,Bsh_m,Vmax,Vmin,Qmax,Qmin,Psmax,Psmin,tmax

,tmin,Rrama,Xrama,nudoi,nudof,caso,Grad_u_L,trafo_control,trafo_flujo,Ytrafo,i_ng,nudo_f,ni_tv,nf_tv

,hora,m); %calculo de los Factores de potencia [FP,Ptrans,Qtrans]=FP_trafo(trafo_flujo,nudos,nudoi,nudof,nudo_f,Ytrafo,V,a,teta); %calculo de los flujos de potencia reactiva [Qfluj,Qfluj_max,Qfluj_min]=Q_fluj_f_Al(tf,trafo_flujo,Ytrafo,nudos,nudoi,nudof,nudo_f,a,V,teta,hora);



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En este momento el algoritmo se queda en un estado de pausa e indicará que va a pasar al

módulo de control de tensiones, secuencia que realizará cuando se pulse sobre el

botón .

Figura 6-19 Información del tipo de Control en el que se encuentra el proceso

Ahora se pasa al control de tensiones (“Control_Tensiones.m”), donde se repetirá, cuando

proceda, el siguiente ciclo hasta un máximo de 4 veces.

- Calcular los máximos incrementos que pueden realizarse en las variables de control

evitando que no se viole ningún límite.

- Determinar las variables dependientes que se encuentran fuera de límites.

En el caso de que haya alguna variable fuera de límites se procede de la siguiente manera:

- Se establece la variable más alejada de su valor permitido.

- Se calculan los Coeficientes de eficiencia para las variables de control respecto a la

variable dependiente resuelta anteriormente.



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- Se seleccionan las tres variables de control que se recomienda utilizar en el trabajo que

se desarrolla, y que corresponden con las 3 variables de control con un mayor

Coeficiente de Eficiencia.

- Se aplica secuencialmente las actuaciones posibles para cada una de las tres variables

de control determinadas (de mayor a menor coeficiente de eficiencia) y se vuelve a re

calcular el estado de la red después de aplicar la actuación.

Después de cada ciclo se presentará por pantalla los valores de las variables actualizadas.

%calculo de los maximos inc_u para que no se viole ningun limite [inc_u_a,inc_u_d,inc_u_a_aux,inc_u_d_aux,i_vdep]=inc_u_f_Al_tension(tension,fase,Pcal,Qcal,Pc,Qc



,hora); %calculo de las vbles dep fuera de limites [inc_x,fintens]=inc_vdep_f(x,max_vdep,min_vdep,xl,fintens);

%calculo de los coef de eficiencia e incrementos maximos de las vbles de control [CEx,inc_u_max_1]=CEx_f_Al(ul,n,ii_x,i_x,inc_x,S,inc_u_a,inc_u_d); %elección de las vbles de control para realizar la operación [CE1,CE2,CE3,i_u1,i_u2,i_u3,ind]=elecc_u_x(CEx); %calculo de la actuación sobre las vbles de control teniendo en cuenta que se van a tocar varias

vbles de control if CE1==0 inc_u1=0; inc_u2=0; inc_u3=0; else inc_u1=-1.05*inc_x(ii_x)/(S(i_x+(n-1),i_u1)+S(i_x+(n-1),i_u2)*(CE2/CE1)+S(i_x+(n-

1),i_u3)*(CE3/CE1)); inc_u2=(CE2/CE1)*inc_u1; inc_u3=(CE3/CE1)*inc_u1;



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end inc_u(1)=inc_u1; inc_u(2)=inc_u2; inc_u(3)=inc_u3; if inc_u(1)~=0 %Si hay alguna actuación, se procede al recálculo del estado de la red. %realizar la asignación de los nuevos valores de las variables de control [a,Bsh_act,Vesp,V]=actuacion_f_Al(nudos,a,Qg,Bsh_act,V,Vesp,tc,bt,ind,inc_u,trafo_control,bat,i_ng,

ni_tv,nf_tv,nudoi,nudof,tipo,S); %actualización de la matriz de admitancias de nudos con los nuevos valores de las tomas [Y]=matriz(G_nudo,B_nudo,G_ni,B_ni,G_nf,B_nf,Rrama,Xrama,nudoi,nudof,a,nudos,Btotrama,bat,Bs

h_act); %realizar el N_R [tension,fase,Pcal,Qcal,incP,incQ,Y,J,H,N,L,M,tipo,Qg]=N_R_limQ(V,Pg,Pc,Qg,Qc,Qcesp,Y,tipo,Vesp

,e,Qm,QM,m); %comprobación si alguno de los generadores ha dejado de ser nudo PV [i_ng,ul,ind]=asig_nudogen(nudos,tipo,nudogen,bt,tc,ind); %calculo de la matriz de sensibilidad [S]=S_f_Al(H,N,L,M,Y,tension,fase,nudos,tipo,a,nudoi,nudof,bat,trafo_control,Ytrafo,i_ng); %calculo de los gradientes reducidos para las func predefinidas [Grad_u_L]=Grad_u_L_f_Al(tension,fase,nudos,tipo,a,nudoi,nudof,bat,caso,S,trafo_control,trafo_flujo,

Ytrafo,i_ng,nudo_f); %introducción de los límites de las variables [Vmax,Vmin,Qmax,Qmin,Psmax,Psmin,tmax,tmin]=def_lim(nudos,zona,nivel_tens,tipo,QM,Qm,m,tma

x,tmin); %calculo de los máximos inc_u para que no se viole ningún límite [inc_u_a,inc_u_d,inc_u_a_aux,inc_u_d_aux,i_vdep]=inc_u_f_Al_tension(tension,fase,Pcal,Qcal,Pc,Qc




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,hora,m); %calculo del nuevo inc_x x=V(i_vdep);%vector de valores actuales de las vbles dependientes [inc_x,fintens]=inc_vdep_f(x,max_vdep,min_vdep,xl,fintens); end

Figura 6-20 Actuaciones en la primera del Control de Tensiones

El resultado visible después de cada ciclo serán las variables de control empleadas

para resolver la violación más desfavorable con el valor de las actuaciones correspondientes y

se indicará el número de ciclos (“Actuaciones”) realizadas hasta el momento.

En cada ciclo el programa esperará la respuesta del operador para poder chequear

el estado del sistema. Para continuar con la siguiente actuación se deberá pulsar en el

botón .

En el momento en el que se lleguen a los 5 ciclos o se consigan eliminar todas las violaciones

del sistema o no se consigue poder actuar sobre el sistema sin empeorar el estado actual, el

programa pasará al control de flujos de potencia reactiva a través de los transformadores.



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Figura 6-21 Finalización del Control de Tensiones

Pulsando sobre el botón se pasará a iniciar el bloque del algoritmo dedicado a mejorar el

tránsito de potencia reactiva.

Figura 6-22 Inicio del módulo de Control de Flujos

El bloque de optimización de reactiva actúa de forma análoga que el bloque de corrección de

tensiones.



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Tras las diferentes actuaciones realizadas por el algoritmo para la hora seleccionada y con las

condiciones de contorno elegidas, la aplicación informática muestra todos los estados finales

de las variables implicadas y muestra una representación gráfica, de forma que se tenga una

visión rápida y clara, los resultados de aplicar el algoritmo matemático desarrollado.

Figura 6-23 Ventana de control después de un ciclo completo

Se pueden mostrar diferentes gráficas que indiquen los cambios de estado de las variables del

sistema en distintas etapas del algoritmo.

Por defecto se muestra un perfil de tensiones de todos los nudos de la red en 4 momentos del

análisis además de los límites, inferior y superior, para el momento horario elegido en el

análisis.



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Figura 6-24 Perfil de tensiones después de un ciclo completo

Los diferentes colores que aparecen corresponden a las distintas etapas del análisis, por tanto:

- Negro: Tensiones iniciales en el momento de lectura del estado de la red.

- Amarillo: Tensiones después de un reparto optimo de cargas en el sistema.

- Azul: Tensiones después de corregir el sistema en la etapa de control de tensiones.

- Magenta: Tensiones finales de la red una vez concluido el algoritmo para la hora

determinada.

- Rojo: Limites superiores para las tensiones en los nudos.

- Verde: Limites inferiores para las tensiones en los nudos.

Seleccionando el botón se muestra una evolución en el valor de las

tomas en los transformadores de control.



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Figura 6-25 Variación de las tomas en un ciclo

Seleccionando el botón se muestra una evolución de la relación entre la

potencia reactiva que pasa a través de los transformadores de flujo y la potencia activa. Es

decir, indica el cos φ con el signo.

Figura 6-26 Variación de la relación Q/P en un ciclo



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Cualquier hora que se haya analizado durante todo el proceso se podrá guardar en un

archivo Excel de forma que se tenga un historial de los trabajos realizados y poder realizar un

estudio más exhaustivo del proceso.

Para proceder al guardado de los datos, se deberá seleccionar la hora para guardar y

posteriormente pulsar sobre el botón, inmediatamente aparecerá una ventana para elegir la

ubicación donde salvar el fichero con los datos así como el nombre que se le desea dar al

archivo.

Figura 6-27 Guardar datos en formato xls

Después de esto se generará el archivo Excel con el nombre elegido que tendrá las siguientes

características (Fig. 6-28).



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Figura 6-28 Muestra de los resultados guardados en formato xls

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