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Sistema para el diseno de subestaciones electricas de distribucidn

Benjamin Eddie Zayas Perez1, Eduardo Islas Perez1, Jessica Liliana Bahena Rada1, Jesus Romero Lima1, Benjamin Sierra Rodriguez2 y Humberto Moreno Diaz2

Introduccion

El diseno fisico de subestaciones electricas implica una variedad de actividades, tales como elaborar, revisar y efectuar modificaciones de dife-

rentes propuestas de diseno, estimar costos y producir documentos, para integrarlos como parte de un proyecto ejecutivo. Estas actividades usualmente se llevan a cabo en las Divisiones de Distribucidn de la Comi- sion Federal de Electricidad (CFE) en dos procesos por separado: elaboration de pianos de ingenieria con software para diseno asistido por computadora (CAD, Computer- Aided Design) y calculo de la volumetria para la elaboracion del presupuesto base, con hojas de calculo convencionales. Los documentos se elaboran manualmente y de forma individual, sin existir alguna funcio- nalidad que permita actualizar automati- camente las modificaciones del diseno en todos los pianos, y el correspondiente presu­puesto base, resultando un proceso tardado, laborioso y factible de inconsistencia entre los documentos.

Con la finalidad de optimizar el proceso de diseno de la obra civil y electromecanica de subestaciones electricas (SE) en un ambiente grafico tridimensional (3D), la Gerencia de Supervision de Procesos del HE, en coor­dination con la Subdireccion de Distribu-

El SiDSED capitaliza las ventajas de la tecnologla CAD, ingenieria de costos y realidad virtual, para optimizar el proceso del diseno de subestaciones electricas.

cion de la CFE, desarrollo el Sistema para el Diseno de Subestaciones Electricas de Distribution (SiDSED), el cual aprovecha las ventajas de la tecnologia CAD 3D para el desarrollo de la ingenieria de detalle, ingenieria de costos para el calculo del presupuesto base y re alidad virtual para navegation tridimensional interactiva. Cabe destacar que actualmente, este sistema se encuentra en la etapa de implantation en la Subdirection de Distribucidn de la CFE.

En este articulo se describen brevemente las etapas principals del desarrollo del proyecto, asi como la funcionalidad y los componentes principales del sistema.

Analisis de requerimientos

Con la colaboracion del personal de las Divisiones de Distribucidn Norte, Penin­sular y Golfo Centro, se analizaron los requerimientos funcionales para el desa­rrollo de la ingenieria de diseno de la obra civil y electromecanica, ingenieria de costos y visualization 3D interactiva. Dicho analisis permitio determinar el alcance funcional y documentar la espe- cificacion del sistema (Zayas et al, 2008), cuyos requerimientos principales se resumen a continuation:

Apoyar to das las etapas del proceso de diseno fisico de subestaciones electricas nuevas de distribucidn, para una tension de operation en 115 kV

1 Institute de Investigaciones Electricas (HE).

- Common Federal de Electricidad (CFE).

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Subestaciones con arreglos de b arras normalizados tipo “H”, anillo, barra prin­cipal, barra principal—barra de transferencia.

Generar los pianos que definan la obra electromecanica y civil, asi como calcular la volumetria de la obra, crear el catalogo de conceptos y el presupuesto base con costos unitarios.

Permitir la navegacion interactiva del diseno de la subestacion para efectuar recorridos virtuales; navegar en todas las areas de la subestacion para ver detalles de conectores y componentes (equipos, mate- riales, herrajes de conexiones, cables, tubos, buses, conexion a tierra, mandos de cuchi- llas, barda perimetral, caseta de control, cimentaciones, etc.) y medir entre compo­nentes para verificar las distancias normali- zadas de seguridad.

Selection de herramientas de software

Considerando la informacion del analisis de requerimientos, se evaluo el soft­ware que ofreciera la funcionalidad para soportar el ciclo completo para el diseno de subestaciones, asi como asegurar la interoperabilidad y la compatibilidad de los datos entre diferentes herramientas de software, incluyendo la seleccion de la mejor plataforma de diseno en terminos tecnicos, cos to y tiempo de desarrollo. En esta etapa se aplico una metodologia que consiste en seleccionar un conjunto de criterios o parametros basados en las caracteristicas tecnicas y propiedades funcion ales del software, las males son ponderadas de acuerdo a un valor de importancia (Islas et al 2007). Los parame­tros principales de evaluation de las tres

herramientas fueron: el grado de cumpli- miento de la funcionalidad requerida, la capacidad para el desarrollo de funciones propias por medio de una interfaz de programacion de aplicaciones, cos to y tipo de licencias, asi como compatibilidad de formatos de intercambio de entrada y salida.

Primeramente se evaluo el software CAD, debido a que sus caracteristicas determi- naron la seleccion del software de inge- nieria de costos y visualization. En esta achvidad se re vis 6 Inventor (Autodesk), Catia (Dassault Systemes), Substation Design (Bentley) y Allplan (Nemetschek). El resul- tado preliminar sugirio que Autodesk y Nemetschek eran los mas apropiados para la ingenieria de diseno (Bahena et al, 2008). Sin embargo, Autodesk requeria de varios productos independientes para integrar el sistema y demandaba mayores recursos de memoria y procesamiento grafico. Final- mente se selecciono Allplan por ofrecer la funcionalidad integrada, compatibilidad de datos, mejor costo y tipo de licencias, asi como para el modelado grafico 3D de subestaciones, la generation de pianos y el calculo de la volumetria (Molina et al, 2008); se selecciono Opus para cuantificar el costo de la obra y generar el catalogo de conceptos (Zayas et al, 2008); y NavisWorks para el analisis de la obra mediante reco­rridos virtuales interactivos y verificar distancias de seguridad (Bahena et al, 2008).

Sistema para el diseno de subestaciones electricas de distribution

El SiDSED consta de tres modules para el desarrollo de ingenieria de diseno, ingenieria de costos y visualization, cuya

configuration se muestra en la figura 1. A continuation se describe cada uno de los modules funcionales y se ejempli- fica el flujo de trabajo para el diseno de subestaciones.

Modulo de ingenieria de diseno

Aloja la biblioteca de componentes del sistema y offece la funcionalidad para el modelado grafico 3D, el diseno del sitio de construction, configuration de la subes­tacion, elaboration de pianos, calculo de volumetria y exportation de la maqueta virtual.

Biblioteca de modelos 3D

Con informacion y datos de pianos de ingenieria, catalogos, manuales y levanta- mientos fisicos se creo una biblioteca de modelos de equipos primaries, comunica- cion y control, estructuras, cimentaciones, edificaciones, materiales, subestaciones GIS y equipos hibridos en 115 kV Los modelos se crearon conforme a la norma- tiva de la CFE, y estan organizados y agru- pados jerarquicamente en elementos indi- viduales, simbolos, modules y definiciones de elementos constructivos.

Elementos individuates

En esta categoria se encuentran modelos de equipos, estructuras (soporte de transi- cion, percha de remate tipo A, etc.), mate­riales (conectores, cadena de aisladores, etc.), registros, edificaciones y cimen­taciones en su representation basica. Los elementos individuals se agrupan en macros para asignarles una clave de concepto y para el calculo de volume­tria. La figura 2-a muestra ejemplos de elementos individuales.

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Sfmbolos

Son “ensambles” de elementos indivi- duales que estan agrupados de acuerdo a su operation funcional y constructiva. For ejemplo, un transformador de potencia esta “ensamblado” a la percha de tran­sition, a la conexion de la red de tierras y a su respectiva cimentacion, y el inte­rrupter de potencia tipo tanque muerto a su cimentacion, como se muestra en la figura 2-b.

Modules

Figura 1. Configuration del Sistema para el Diseno de Subestaciones Electricas de Distribucion.

Figura 2. Estructura jerarquica de la biblioteca de modelos.

Son agrupaciones para la configura­tion de arreglos fisicos normalizados de subestaciones, e incluyen los modules de linea, enlace y banco de transformation, caseta de control, red de tierras, buses aereos, ductos y registros de control y de potencia, asi como la barda perimetral y pises terminados (figura 2-c).

Elementos constructivos

Un elemento constructive es un modelo 3D con caracteristicas asociadas de forma, dimensiones, representacion, posicion, materiales, etc. Con estos se construyen componentes que tienen caracteristicas variables, tales como mures, ductos, Casti­llos y cables. Per ejemplo, para crear una barda de block con altura de 3 m y 20 cm de ancho, se traza una trayectoria en la vista de planta y se construye en forma din arnica. En la figura 3 se muestra el trazo de la barda perimetral, red de tierras, ductos y pises terminados.

Con la configuration modular se puede disenar facilmente una subestacion elec- trica utilizando diferentes niveles de agru- pacion predefinidos, con la versatilidad de

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que estos pueden ser modificados para un diseno en particular. Actualmente, la biblioteca aloja 151 modelos, 20 simbolos y 10 modules. El contenido incluye modelos para subestaciones encapsu- ladas para 115 y 230 kV, as! como equipos hlbridos (arreglos hlbridos compactos de desconexion) para 115 kV y equipos para subestaciones de 230 kV (figura 4). El contenido de la biblioteca puede incrementarse con otro tipo y marcas de equipos, con modelos desarrollados por el personal de las Divisiones de Distribu­tion y los entregados por los fabricantes de equipos.

Diseno del sitio de construccion

El flu jo de trabajo para el diseno de una subestacion inicia con el diseno del sitio de construccion. Basado en datos topo- graficos de estaciones to tales y archives de pianos de curvas de nivel con alti- metria en formato dwg, se obtiene la poligonal del area de construccion y el modelo digital del terreno. Con esta information se pueden analizar perfiles, curvas de nivel y calcular el volumen de movimiento de tierra de desmonte y terraplen (figura 5).

Configuration de una subestacion

Posteriormente, tomando como refe­renda la poligonal del terreno, se cons- truye la barda perimetral con todos sus elementos civiles y de protection, tales como: muros, cimentaciones, Casti­llos, dalas y concertina. Se insertan los portones con relation a las vialidades de acceso determinadas por el diseno del sitio. Una vez que se ha delimitado el area de la subestacion se insertan los modules

Figura 3. Ejemplo de elementos constructivos: barda perimetral, red de tierras, ductos ypisos terminados.

Figura 4. La biblioteca de modelos incluye subestaciones encapsuladas de 115 y 230 kV, asi como equipos hlbridos para 115 kV y transformadores para 230 kV

de la bahia electrica, caseta de control y el res to de elementos civile s y electromeca- nicos. Si es necesario, se ajustan las distancias y reconflguran los elementos, se disena la red de tierras, los ductos y se insertan los registros. Finalmente se disenan los diferentes tipos de pisos (vialidades, bahia electrica, banquetas, etc.). Tambien se pueden incluir futuras ampliaciones de la subestacion en la maqueta virtual, con la finalidad de visua- lizar el diseno de la ampliation y dimensionar costo y planes de construccion. La figura 6 muestra ejemplos de diseno de subestaciones.

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Figura 5. Modelo digital del terreno y perfil para el calculo de movimiento de tierra de desmonte y terraplen.

Figura 6. Diseno de la subestacion La Reyna en bajo perfil barra principal y subestacion rural Tlacotalpan, de la Division de Distri­bution Oriente (Departamento de Proyectos y Construction, 2011).

Elaboration de pianos

Una vez que se cuenta con el modelo de la subestacion (anteproyecto), se generan los pianos del diseno, los cuales mantienen una rela­tion con la maqueta digital, de tal manera que cualquier modification en el modelo se refleja en los pianos, asegurando la consistencia entre el diseno 3D y su documentation. La figura 7 muestra el diseno preliminar y los pianos de una subestacion electrica.

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Modulo de ingenieria de costos

Cada modelo de la biblioteca cuenta con una clave de concepto que establece una celadon modelo-precio unitario, para el calculo del costo de la obra. El precio unitario esta determinado a traves del analisis de una tarjeta de precios en un catalogo de conceptos, con el software de ingenieria de costos. En este proceso, AUplan calcula la volumetria de todos los elementos y exporta los valores con sus respectivas unidades de medicion (pieza, m, m2, m3); el software de inge­nieria de costos OPUS importa los valores y los asocia a sus respectivos conceptos con precios unitarios y cantidades, para calcular el costo (figura 8). De esta manera se pueden obtener facilmente presu- puestos base de diferentes opciones de diseno, a la vez que se asegura la consis- tencia entre el modelo de la subestacion, los pianos de diseno y el catalogo de conceptos.

Modulo de visualization

Aunque las herramientas CAD permiten visualizar el modelo de la subestacion mediante recorridos a traves de la maqueta digital, estos se llevan a cabo a lo largo de una trayectoria fija, sin permitir la libertad

Figura 7. Los pianos del diseno se generan del modelo de la subestacion. Subesta­cion La Reyna de la Division de Distribution Oriente (Departamento de Proyectos y Construction, 2011).

de visualizar un punto especifico. Para este proposito se exporta la maqueta digital a un formato geometrico, el cual puede ser interpretado por un software de navega- cion interactiva. Con esta herramienta, el disenador puede explorar la subestacion desde cualquier perspectiva, medir distan- cias, agregar notas, visualizar cortes tras- versales o longitudinales, observar detalles y crear animaciones sencillas del proceso de construction. Esta funcionalidad faci- lita el comparer information durante el proceso de diseno para diferentes propo- sitos, tales como: identificar errores de

diseno antes de la etapa de construction, revision del anteproyecto, aprobacion del proyecto y demostracion de la subesta­cion electrica con distintas autoridades y contratistas (figura 9).

Conclusiones

El SiDSED capitaliza las ventajas de la tecnologia CAD, ingenieria de costos y realidad virtual, para optimizar el proceso del diseno de subestaciones electricas. Ademas, ofrece ventajas funcionales que facilitan el proceso de diseno y propor-

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tFigura 8. La volumetria del modelo se exporta al software de ingenieria de costos para el calculo de presupuestos.

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ciona information valiosa para la toma oportuna de decisiones. Este sistema esta dirigido particularmente a promover la estandarizacion de procedimientos para el diseno de subestaciones en las Divisiones de Distribucion de la CFE, facilitar el analisis eficaz de alternativas de diseno, y reducir tiempo y esfuerzo para elaborar la documentation que conforma las bases de licitacion. Durante 2011 se implantara el SiDSED en las 16 Divisiones de Distribucidn, con lo que se estima una reduction de tiempo para el diseno de subestaciones de seis a cuatro semanas a corto plazo, y una reduccion a dos semanas a largo plazo. Esta mejora representa un ahorro de aproximada- mente 42 millones de pesos anuales por concepto de mano de obra.

Aunque el SiDSED esta orientado al diseno de subestaciones de distribucidn, por su metodologia y estructura tambien se puede utilizar para el diseno de subesta­ciones de transmision, proyectos de arqui- tectura (edificios, oficinas, naves indus- triales) y otro tipo de edificaciones.

Referencias

Zayas, B., Molma Marin, M., Uriostegui, C, & Islas Perez, E. (2008). Reporte Tecmco IIE/GSP/13417/ RT/001/P Especihcacidn de requerimientos del sistema para el diseno de subestaciones electricas de distribucidn. Cuernavaca, Morelos: HE.

Islas, E., Perez, M., Zayas, B., & Beltran, R. (2007). Evaluation methodology for selecting virtual reality hardware tools. ZntemaffOMa/ onComputing, Communications and Control Technologies:

CCCT 2007. Orlando, Florida: CCCT.

Bahena, J., Zayas, B., Molina, M., & Islas Perez, E. (2008). Reporte Tecmco IIE/GSP/13417/RT/02/P Evaluacion de herramientas CAD para el diseno de subestaciones electricas de distribucidn. Cuernavaca, Morelos: HE.

Molina, M., Islas Perez, & E. Zayas, B. (2008). Reporte Tecmco IIE/GSP/13417/RT/07/P Estudio de factibilidad tecnica para el diseno de subestaciones electricas de distribucidn. Cuernavaca, Morelos: HE.

Zayas, B., Unostegui, C., & Islas Perez, E. (2008). Reporte Tecmco IIE/GSP/13417/RT/04/P Selec- cidn de software para el desarrollo de la ingenieria de costos y precios unitarios en el diseno de subesta­ciones. Cuernavaca, Morelos: HE.

Bahena, J., Zayas, B., Molina, M., & Islas Perez, E. (2008). Reporte Tecmco IIE/GSP/13417/RT/03/P Evaluacion de software de navegacidn tridimen- sional. Cuernavaca, Morelos: HE.

Departamento de Proyectos y Construccidn, Ohcina de Proyectos, Division de Distribucidn Oriente (2011). Diseno de Subestaciones de Distribucidn. Jalapa, Veracruz, Mexico, 2011.

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Agradecimientos

Los auto res agradecen el apoyo en el desa­rrollo de este trabajo a:

CFE:Juventino Andres Flores Jesus Ortega Torres Manuel Mota Morales Jesus Baeza Orozco Cornelio Canul Flau Javier Barbosa Castro Jose A. Fluerta Gomez Tito Ramos Duran Jesus Luna Trejo Eds on Alan Corral Canales Nicolas Rodriguez Lopez Francisco del Moral Nadal

HE:Martha Abraham Romero Mima Molina Marin Camelia Uriostegui Arellano Daniel de la Torre y Torres

Ecosoft:Fernando Flernandez Morales

adm Proyectos:Kristabel Carranza David Solorzano Aviles

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BENJAMIN EDDIE ZAYAS PEREZ

Licenciado en Ciencias de la Computacion por la Universidad Autonoma de Puebla en 1990. En 1995 obtuvo el grado de Maestro en Sistemas Compu- tacionales Centrados en el Humano y en el 2005 el Doctorado en Inteligencia Artificial y Ciencias de la Computacion, ambos grades en la Escuela de Ciencia y Hecnologia de la Universidad de Sussex, Inglaterra. Desde 1990 ha side investigador del HE y es miembro del IEEE.

EDUARDO ISLAS PEREZ

Ingeniero Industrial en Electrica por el Institute Hecnologico de Pachuca en 1992, Maestro en Cien- cias Computacionales con especialidad en Inteligencia Artificial por la Facultad de Fisica de la Universidad Veracruzana y el Labe rate rio de Informatica Avan- zada en 2000, ano en el que realizo una estancia en la Universidad de Auburn en Alabama, para el desa- rrollo de su tesis de maestda. Ingreso a la Gerencia de Supervision de Procesos del HE en 1994.

JESSICA LILIANA BAHENA RADA

Licenciada en Informatica con especialidad en Redes de Computadoras por la Universidad Auto­noma del Estado de Morelos (UAEM) en 2006. Ingreso al HE en 2007, donde ha participado en el desarrollo de proyectos para el sector electrico rela- cionados con el uso de ambientes tridimensionales y herramientas CAD en la Gerencia de Supervision de Procesos.