curso regulación secundaria

C O N T E N I D O

1. REGULACION PROPIA DE UN SISTEMA ELECTRICO

2. NATURALEZA DE LAS VARIACIONES DE CARGA

3. REGULACION PRIMARIA

4. EL PROBLEMA DEL CONTROL DE AREA

5. LA REGULACION DEL SISTEMA

6. LA REGULACION DE AREA

a) Control de Frecuencia Únicamenteb) Control de Intercambio únicamentec) Combinación de los Controles de Frecuencia e Intercambio Únicamente.d) Control de Intercambio con corrección de Frecuencia

7. ERROR DE AREA

8. EL CONTROL AUTOMATICO DE LA REGULACION DE AREA

9. EL USO DE LAS TECNICAS DE SIMULACION ANALOGICA PARA LA REGULACION DE AREA

10. APENDICE AConceptos Básicos de Computación con Amplificadores Operacionales.

11. APENDICE BEquipo de Control de la Frecuencia y la Generación Instalado actualmente.

12. BIBLIOGRAFIA

CONTROL AUTOMATICO DE LA FRECUENCIA Y LA GENERACION REGULACION PROPIA DE UN SISTEMA ELECTRICO

La potencia consumida en un sistema eléctrico varía en función del tiempo. Una diferencia entre la potencia consumida y la potencia generada causa una variación de frecuencia, ya que a esa diferencia corresponde un desequilibrio entre el par resistente y el par motor de las unidades generadoras.

Si partiendo de un estado de equilibrio en el que el par motor es igual al par generador y al que corresponda un valor determinado, constante, de la frecuencia, se produce un cambio de la potencia consumida y si la posición de las válvulas de admisión de agua o de vapor de las turbinas no se modifica, la frecuencia del sistema variará. En general se llegará a un nuevo estado de equilibrio o una frecuencia distinta de la inicial., en efecto, en la mayor parte de los casos un aumento de frecuencia, produce un aumento del par resistente de la carga y una disminución del par motor de las turbinas., una disminución de la frecuencia produce el efecto contrario.

Esta posibilidad, inherente al sistema, de alcanzar un nuevo estado de equilibrio, se expresa mediante un parámetro D llamado coeficiente de amortiguamiento del sistema, que caracteriza la ley de variación de la carga eléctrica en función de la frecuencia. (Véase la Fig. No. 1).

Si no existe ninguna regulación automática de la velocidad de la turbina, una variación de la carga eléctrica pe causará una variación de frecuencia.

Donde Δf = Incremento de la frecuencia en ciclos/seg. Δpe = Incremento de la carga eléctrica

Característica de la carga

Δf

Δpe

P2 P1

f2

f1

f

Pe

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Según la naturaleza de la carga considerada y el tipo de turbinas el valor del coeficiente D puede variar considerablemente. Por ejemplo, si la carga eléctrica conectada es insensible al cambio de frecuencia, el coeficiente D será igual a cero.

En un mismo sistema, el valor de D varía con la carga, ya que la relación de la carga sensible a la frecuencia, a la carga insensible a la frecuencia, no es la misma con carga alta que con carga baja. Por lo tanto la característica mostrada en la Fig. N° 1, se aplica para un rango de variación de carga limitada. La pendiente de la característica puede varias para variaciones de carga mayores.

En un sistema eléctrico grande, el valor del coeficiente de amortiguamiento puede tener valores bajos y en tal caso las variaciones de frecuencia del sistema debido a las variaciones inevitables de la carga pueden ser de una amplitud inadmisible.

Es necesario, por lo tanto, adaptar en cada instante la potencia producida por la turbina y demás primotores a la potencia consumida en el sistema, actuando sobre las válvulas de admisión de las turbinas.

Para definir con precisión las condiciones que deben cumplir los dispositivos de regulación, es necesario examinar previamente la naturaleza de las variaciones de las cargas en un sistema eléctrico de potencia.

NATURALEZA DE LAS VARIACIONES DE CARGA

La carga global de un sistema está constituida por un gran número de cargas individuales de diferentes clases (industrial, residencial, comercial, etc.) de potencia pequeña comparada con la potencia total consumida por el sistema.

Los instantes respectivos de conexión y desconexión de estas cargas dependen del azar, pero la potencia absorbida en un período dado por el conjunto de cargas de la misma especie sigue una ley bien determinada, que depende del ritmo de las actividades humanas en la región servida por el sistema considerado.

Por ejemplo, en un sistema eléctrico con una proporción de carga residencial y comercial importante, la carga varía durante un día laborable en la forma indicada en la Fig. N° 2.

3

Es por lo tanto, posible prever con bastante aproximación el consumo y elaborar un programa de generación a partir de estas previsiones.

Sin embargo, estas previsiones no son perfectas y además el programa de generación elaborado no puede llevarse a cabo por parte de las plantas generadoras exactamente en la forma prevista.

Por lo tanto, si no existiese ningún sistema de regulación automática, la potencia generada por el conjunto de unidades generadoras variaría en función del tiempo de acuerdo con la acción ejercida sobre los órganos de admisión de las turbinas por el personal de operación de las plantas, que tratará de realizar en la forma más aproximada posible, el programa de generación.

Entre la potencia generada controlada por la sola acción de los operadores de las plantas y la potencia consumida, habrá cierta diferencia, que se debe a dos causas:

1° A los errores inevitables tanto en la previsión del consumo, como en la realización del programa de generación., esto produce una diferencia entre el valor medio de la generación y el valor medio de la carga. Si el sistema de previsión y el programa de generación están bien hechos, esta diferencia suele ser inferior al 5% de la potencia consumida.

2° Al carácter aleatorio de los instantes respectivos de conexión y desconexión de las cargas individuales. Esto provoca una fluctuación de la carga alrededor de su valor medio la importancia relativa de estas fluctuaciones es tanto menor cuanto mayor es el sistema eléctrico, o sea cuanto mayor sea la carga total comparada con las cargas individuales.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

800

700

600

500

900

1200

1100

1000

MW

4

Estas diferencias entre la generación y la carga producirán, si no existe ningún medio de regulación automático, variaciones de la frecuencia cuyo valor dependerá del coeficiente de amortiguamiento del sistema.

REGULACION PRIMARIA

La diferencia entre la potencia generada y la potencia consumida, descrita en el párrafo anterior, provocaría, si no hubiese un sistema de regulación automático, variaciones de frecuencia prohibitivas.

Con el objeto de evitar estas variaciones de frecuencias excesivas, que resultarían si la adaptación de la generación a la carga se realizase únicamente por autoregulación del sistema, las turbinas están provistas de reguladores de velocidad automática que actúan sobre los órganos de admisión cuando la velocidad de la turbina se aparta de la velocidad de referencia del regulador. Llamaremos regulación primaria a esta regulación automática efectuada por los reguladores de velocidad.

En la mayoría de los casos, los reguladores de velocidad o gobernadores presentan una característica inclinada y tienen un dispositivo de reajuste o variador de carga que permite desplazar las características para variar la distribución de carga entre las diferentes unidades, manteniendo siempre la frecuencia al valor deseado. La función de los aparatos que efectúan la regulación de área es precisamente como veremos en los temas siguientes, actuar el dispositivo de reajuste de los gobernadores.

EL PROBLEMA DE CONTROL DE AREA

Los objetivos del control de la generación en un sistema interconectado pueden sintetizarse en dos propósitos:

Hacer que la generación sea en cada instante igual a la demanda porque, debido a la imposibilidad de almacenar energía eléctrica, cualquier diferencia se traduce en variación de la energía rotatoria del sistema, o sea de la frecuencia;

Repartir en cada instante la demanda entre las varias unidades generadoras o disposición, de manera de satisfacer las normas de operación y económicas que se fijaron para el sistema;

En los sistemas de área múltiple esto se obtiene en tres fases;

I.- “REGULACION DEL SISTEMA “.

Consiste en mantener constante la frecuencia satisfaciendo continuamente la demanda.

Esta parte de la acción de control es efectuada por los gobernadores de velocidad de cada unidad generadora. Cualquier incremento de demanda quedará rápidamente repartida al azar entre las unidades generadoras, dependiendo de la velocidad de respuesta de cada gobernador.

5

En esta primera fase, lo que importa es la rapidez de la respuesta, para garantizar que las variaciones de frecuencia sean limitadas a valores tolerables.

El despacho económico de la demanda y el intercambio entre área y área no se toman en consideración.

II.- REPARTICION DE LA DEMANDA ENTRE LAS AREAS O “REGULACION DE AREA”

Consiste en redistribuir los incrementos de carga de manera que cada área intercambie energía con las demás según el programa preestablecido, el cual fue alterado en la primera fase.

El sistema de control actúa en esta segunda fase como un despachador de carga centralizado cuya función sea garantizar que cada área genere o absorba la potencia de intercambio prefijada para aquel período, según los criterios de economía establecidos para el mismo sistema.

Se sigue que, quedando constante su intercambio con los demás, cada área variará su generación solo para hacer frente a las variaciones de demanda dentro de sus limitantes.

El programa consiste en establecer la cantidad horaria de intercambio de manera que el área donde la generación es más cara, esté comprando energía al área donde la generación es más barata.

GENERALIDADES:

Es una interconexión de múltiples áreas, si dos áreas están intercambiando energía según un cierto programa económico, mucho del éxito de éste depende de la fidelidad con el cual se le sigue.

III.- REPARTICION DE LA DEMANDA ENTRE LAS UNIDADES GENERADORAS DE CADA AREA O “DESPACHO ECONOMICO”.

Consiste en la repartición de la demanda de cada área entre sus unidades generadoras, de manera que todas generen al mismo costo incremental de la potencia entregada al centro de carga equivalente del área.

El sistema de control actúa como un despachador de carga local, cuya función es garantizar que el costo de generación en el área sea al mínimo posible.

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LA REGULACION DEL SISTEMA

Según definimos anteriormente, la regulación del sistema consiste en mantener las variaciones de frecuencia debidas a cambios rápidos de carga entre límites tolerables, sin tomas en cuenta el intercambio económico entre las áreas que constituyen la interconexión, o el despacho económico entre los límite4s de cada área.

Esta importantísima función la efectúan los gobernadores de cada unidad generadora del sistema, los cuales intervienen inmediatamente al verificarse un brusco cambio de carga en cualquier punto de interconexión, variando al reducir al mínimo la consiguiente variación de energía rotatoria.

Sucesivamente el sistema de control automático o los despachadores de carga en un sistema controlado manualmente, redistribuyen la carga para mantener el intercambio entre áreas a los valores contractuales y para reducir al mínimo el costo de generación de cada área.

LA REGULACION DE AREA

Al verificarse un cambio de demanda, la regulación del sistema, debida a los gobernadores de los motores primarios, distribuirán el incremento al azar entre las unidades del sistema alterando el intercambio.

Ahora, para garantizar los máximos beneficios económicos, es necesario respetar el programa por las siguientes razones principales.

1. El costo de la energía intercambiada aumenta al disminuir el factor de carga. Esto representa una desventaja para ambas áreas la que importa porque disminuye su economía; y la que exporta porque disminuye sus ganancias.

2. No conviene sobrecargar las líneas de interconexión, porque las pérdidas aumentan proporcionalmente al cuadrado de la corriente trasmitida y pueden rápidamente nulificar la ventaja del intercambio económico, así como resultar en una serie de dificultades operativas.

3. Hay que respetar los límites de carga de los generadores.

Estas y otras razones explican la necesidad de corregir continuamente el intercambio

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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

En una interconexión de múltiples áreas, el problema de la regulación para cada área consiste principalmente en:

Mantener constante el intercambio con las otras áreas, e implícitamente absorber las variaciones de carga entre los límites de la zona bajo su jurisdicción, contribuir a la regulación del sistema, o sea, participar cuando menos transitoriamente en las variaciones de generación total necesarias para reducir al mínimo las variaciones de frecuencia, ocasionadas por variaciones rápidas de la demanda donde quiera que se verifiquen. Llamaremos esta intervención del área en la regulación del sistema “asistencia del área a la regulación del sistema”.

En otras palabras, al verificarse una variación de carga en cualquier punto del sistema, todos los generadores de cualquier área debe intervenir modificando su aportación con el propósito de mantener constante la frecuencia (acción combinada de los gobernadores y del sistema de regulación del área); y sucesivamente el sistema de control o el despachador del área debe reconocer:

1° Si el cambio se verificó dentro de los límites del área, caso en el cual reajustará los gobernadores aumentando la generación hasta absorber completamente la contribución transitoria de las otras áreas.

2° Si el cambio corresponde a un cambio fuera de sus límites, reajustará los gobernadores, disminuyendo su aportación y dejando que el área en que se verificó el incremento de demanda, absorba la contribución transitoria que se la había cedido.

De lo arriba expuesto, se infiere que un buen sistema de control para un área, deberá proveer una asistencia al sistema tanto mayor, cuanto mayor y más rápido es el cambio de demanda, porque su magnitud y rapidez determinan cuanta variación de energía rotatoria es necesaria para abastecerla y que cantidad de ella puede ser absorbida por rápidos cambios de generación sin alterar la frecuencia.

Entonces es obvio que un buen control necesita dos acciones distintas:

1° En un cambio muy rápido y transitorio en cualquier lugar del sistema, el control debe intervenir como si eso aconteciera en su misma área, para dar toda la asistencia posible al sistema. Esta acción será llamada: Control de cambios transitorios de demanda o acción proporcional.

2° En un cambio lento y sostenido el control debe intervenir solamente si eso acontece en su misma área. Esta acción será llamada control de cambios sostenidos de demanda, acción de reajuste o acción integral.

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Diferentes tipos de control de área

En la discusión subsiguiente, para demostrar los diferentes tipos de control de área, consideramos una interconexión comprendida por dos área A1 y A2.

Con el propósito de simplificar el problema y sin restar generalidad a la discusión, consideramos el efecto de variaciones de demanda en un momento en que el programa prescribe intercambio cero entre las dos áreas.

Representaremos la acción de los gobernadores en cada área con una única curva característica compuesta y supondremos. Que la acción de los gobernadores es tanto más rápido que la del sistema de control, que aquella se complete antes de que ésta empiece su acción.

CONTROL DE FRECUENCIA UNICAMENTE

La acción de control en este tipo de regulación de área puede ser expresada por la Fig. N° 3 que es igual a la curva característica de un regulador de velocidad astático, excepto por el diferente significado de las abscisas y del diferente aparato a que se refiere.

Analizamos ahora las áreas A1 y A2 y supongamos que solo A2 tenga regulación de área y precisamente del tipo de control de frecuencia únicamente.

Analizando la Fig. N° 4 caso (a): Perturbación en el área A2 supongamos que al tiempo Ta se verifique un repentino aumento de carga P2 en A2. La frecuencia empieza a disminuir provocando la intervención de los gobernadores en ambas áreas, las cuales aumentan la generación, hasta que el incremento P2 sea absorbido por los generadores de las dos áreas en partes iguales al tiempo Tb. Como se ve esto provoca un aumento del 0.5 P2 del intercambio y una disminución f de la frecuencia de la interconexión.

FRECUENCIA ALTA, EL CONTROL REAJUSTA LOS GOBERNADORES PARA DISMINUIR LA GENERACION DEL AREA

59.8

59.9

60.0

INTERCAMBIO0

60.1

60.2

25 50 100%75

f (cps)

FRECUENCIA BAJA, EL CONTROL REAJUSTA LOS GOBERNADORES PARA AUMENTAR LA GENERACION DEL AREA

Zona de insensibilidad

FIG. No.3 CURVA CARACTERISTICA DEL CONTROL DE FRECUENCIA UNICAMENTE

9

Supongamos que f es mayor que la zona muerta del sistema de control de A2 y que este sistema empieza al actuar en Tc, su acción será reajustar los gobernadores del área para aumentar la generación, hasta que la frecuencia haya retornado al valor de diseño, o sea, hasta que todo el cambio haya sido absorbido por las unidades del área A2 (tiempo Td) y P, hará retornado al único valor que esta potencia pueda tomar automáticamente a 60HZ y el intercambio vuelva a cero.

Pero, si el cambio en la demanda se produce en el área A1 (como indica el caso (b) de la Fig. N° 4) en el tiempo Tg cuando el sistema de control de área en A2 empieza a funcionar, siente que la frecuencia disminuyó y reajusta los gobernadores bajo su control para un aumento de generación en A2 hasta que P1 regrese al valor de antes del cambio (único que puede tomar a 60 HZ), de manera que aún en este caso las plantas de A2 absorberán todo el cambio y el sistema será obligado a un intercambio P1, lo que está

FIG. No. 4

REGULACION DE FRECUENCIA UNICAMENTE EN A2

Curva característica de control del Área A 2

Disminuye generación

Aumenta generación

Intercambio

Característica compuesta de gobierno, Área 1

60

Generación en A1

f (cps)

Acción de los gobernadores en A1

60

A1 A2

Tc

Tb

Ta

To

Td Control de frecuencia en A2

f (cps)

Tiempo

Generación en A1 Hacia A2Hacia A1

t

tt

t

t t

f

Intercambios

60

cicl

os

To

Te

Tf

TgTh

t

CASO (a)

Gobernadores en A1

t

Demanda en A1

f

CASO (b)

f (cps)

60


P1 Generación en A2 P2

Δf


ΔP2P2

P1 0 Generación en A2Demanda en A2

Generación en A2Demanda en A2

P2

Control de frecuencia en A2


Hacia A2Hacia A1 0Generación en A1Demanda en A1

P1

ΔP1

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en contradicción con el requerimiento básico, que exige que el intercambio se mantenga constante. (Cero en estos casos).

Este tipo de regulación de área es entonces totalmente inadecuado para un sistema de áreas múltiples. Su principal aplicación es en las interconexiones integradas. En estos casos, como no hay intercambios que controlar, el sistema de control reajusta los gobernadores de toda la interconexión distribuyendo la carga entre ellos de manera que realice la máxima economía y manteniendo la frecuencia en su valor normal. Otra aplicación de sistemas de este tipo es en plantas aisladas o en pequeños sistemas.

En estos casos puede destinarse una sola unidad para mantener la frecuencia, haciendo frente a las fluctuaciones de la carga, alrededor de su valor medio, mientras que este valor medio o “demanda de base” se distribuye automática o manualmente entre las restantes unidades según criterios de despacho económico; en los casos de control manual, estos valores se revisan cada hora y la generación se altera de acuerdo con el nuevo valor de la demanda de base.

CONTROL DE INTERCAMBIO UNICAMENTE

La acción de control en este tipo de regulación de área puede ser representada por una curva característica como en la Fig. N° 5.

Para entender las limitaciones de este tipo de regulación de área, es necesario prescindir de la hipótesis de que la acción de los gobernadores tiene tiempo de completarse, antes que el sistema de control empiece su acción; es además necesario considerar el efecto transitorio en el sistema.

Por estas dos razones, el análisis gráfico pierde su sencillez en cuanto se hace necesario analizar caso por caso como se presenta en la realidad y el procedimiento de análisis es mucho más complejo y por consiguiente impráctico.

INTERCAMBIO EN DEFECTO, EL CONTROL REAJUSTO LOS GOB. PARA AUMENTAR LA GENERACION DEL AREA

59.8

59.9

60.0

INTERCAMBIO HACIA EL EXTERIOR DEL AREA

0

60.1

60.2

25

50

100

75

f (cps)

INTERCAMBIO EN EXCESO EL CONTROL REAJUSTA LOS GOBERNADORES PARA DISMINUIR LA GENERACION DEL AREA

Zona de insensibilidad del Control

FIG. No.5 CURVA CARACTERISTICA DEL CONTROL DE INTERCAMBIO UNICAMENTE

25

50

100

75

VALOR PREFIJADO DEL INTERCAMBIO

INTERCAMBIO HACIA EL INTERIOR DEL AREA

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Consideremos el sistema constituido por las dos áreas A1 y A2 de las cuales solamente A2 tenga un sistema automático de regulación de área, y precisamente de este tipo.

Supongamos ahora que en A2 se verifique un repentino aumento de demanda; como en el caso precedente disminuye la frecuencia y los gobernadores actúan para aumentar la generación en ambas áreas entonces, como no hubo aumento de demanda del intercambio hacia A2 (asistencia de A1 a la regulación del sistema), por consiguiente el control de área en A2 aumenta ulteriormente la generación hasta que el intercambio regrese a su valor normal y por lo tanto ayuda a aumentar la frecuencia entre sus límites.

Pero supongamos que el aumento de demanda se verifique en A1 como en el caso anterior los gobernadores de ambas áreas responden a la disminución de frecuencia aumentando la generación y debido a que no hubo aumento de demanda en A2, su aumento de generación fluirá hacia A1 alterando el intercambio. El sistema de control de área en A2 actúa inmediatamente para restablecer el intercambio a su valor normal, o sea, trata de reducir el aumento en A2. Entonces en este caso el control de área obstaculiza la asistencia de A2 a la regulación del sistema.

Entonces, si en una interconexión de múltiples áreas, todas tuvieran este tipo de sistema de control para su regulación de área, al verificarse un repentino cambio de carga en un área ésta sería prácticamente dejada sola en la tarea de mantener constante la frecuencia, porque el control de las otras áreas se opondrá a que se le diera asistencia (VEASE FIG. N° 6).

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COMBINACION DE LOS CONTROLES DE FRECUENCIA E INTERCAMBIO UNICAMENTE

Otro tipo de regulación de área es el que combina los dos presentados anteriormente, o sea, algunas áreas regulan por frecuencia únicamente y otros por intercambio únicamente. Pero aún en combinación, los dos tipos de regulación de área presentan los mismos inconvenientes que tienen operando aisladamente, o sea:

Las áreas con control de frecuencia únicamente intervienen muy activamente en la regulación del sistema, pero alteran continuamente y en medida excesiva e innecesaria los programas de intercambio de otras áreas.

Intercambio

Característica de gobierno en A1

60

Generación en A1

f (cps)


60

A1 A2

Tc

Tb

Ta

To

Td

f (cps)

Tiempo

Hacia A2Hacia A1

t

tt

t

t t

f

60

cicl

os

To

Ta

Tb

TcTd

t

CASO (a)


t

f

CASO (b)

f (cps)

60

Característica de gobierno en A2


Δf1


ΔP2P2

P1 0

P2


Hacia A2Hacia A1 0P1

ΔP1

+-

Δf2

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Las áreas con control de intercambio únicamente, intervienen para mantener el programa de intercambio, pero no contribuyen apreciablemente a mantener entre límites las variaciones de frecuencia provocadas por cambios de demanda que se verifiquen en otras zonas.

Además sus maneras de operar son obviamente en desacuerdo entre sí, lo que puede en determinadas condiciones, causar oscilaciones de la frecuencia y del intercambio, lo que perturbaría gravemente la operación del sistema.

Como ejemplo, supongamos que el área A1 tenga control de intercambio únicamente y el área A2 tenga control de frecuencia únicamente (VEASE FIG. N° 7).

60

Generación en A1

f (cps)


A1 A2

tb

Ta

ta

To

Tb

Generación en A1 Hacia A2Hacia A1

f t t

f

Intercambio

CASO 1

t

Demanda en A1

f (cps)

60

P1

Δf

P2P1 0 Generación en A2

Demanda en A2

Generación en A2 P2

f (cps)

A1

A2

0 Hacia A2Hacia A1Intercambio

60

f (cps)

P1


P1

C12C10C11


Hacia A2Hacia A1Intercambio

0P2

C2

C2


Hacia A2Hacia A1Intercambio

0 Generación en A2Demanda en A2

f

f

f ’

Δf1

Δf2

Te

td

Td

Tc

te

tc

Tb

tb

Ta

ta

To

f f

Control en A1

Tiempo

Control en A1

Gobernadores en A1

Control en A2

Control en A2

Gobernador en A2

CASO 2

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Supongamos que en el área A2 se verifique al tiempo ta, un aumento de demanda P2. En las hipótesis que los gobernadores de las dos áreas responden en manera igual y en anticipación con respecto a los sistemas de control, consideramos ahora 2 casos:

1. El control de frecuencia en A2 es más rápido que el control de intercambio en A1.

Al tiempo Ta, cuando termina la acción de los gobernadores, la generación en ambas área habrá aumentado de P2/2 y el intercambio hacia A2 habrá pasado en cero a este mismo valor, mientras la frecuencia habrá disminuido en f.

De acuerdo con la nueva hipótesis, el control de frecuencia en A2, actúa primero (tiempo t a T) reajustando los generadores en A2 para aumento de generación hasta la potencia generada en A1 haya regresado al valor correspondiente a 60 HZ, o sea haya desaparecido la disminución de frecuencia.

Nótese además que el intercambio regresó a cero y el control en A1 no actuará.

El control de intercambio en A1, es más rápido del control de frecuencia en A2.

El compartimiento del sistema es igual hasta el tiempo Ta pero, de acuerdo con la última hipótesis hecha, el control en A1 de intercambio actúa primero (tiempo tb a Tb) y trata de hacer volver el intercambio a cero, cosa que obtiene reduciendo la generación de A1, lo que obtiene desplazando la curva, característica compuesta desde C10 a C11.

Por esta acción es contraria a la regulación del sistema porque aumenta el decremento de la frecuencia hasta el valor f que provoca un nuevo y rápido aumento de generación en A2 debido a los gobernadores de esta área, que obligan a los generadores de A2 a tomarse la carga que A1 ya no proporciona a través de la línea de interconexión.

Al tiempo Tb, A2 está entonces generando correctamente, pero la frecuencia está desviada aún más de lo que fue ocasionada por el cambio de carga original. Cuando el control de frecuencia en A2 entra en acción (tiempo tc a Tc), tratará de corregir la disminución de frecuencia aumentando la generación en A2 a un valor superior a lo correcto y desplazando la curva C20 a C21. Esto provocará entonces un correspondiente flujo de energía hasta A1.

Al mismo tiempo, debido a que A1 funciona ahora según la característica C el retorno de la frecuencia a su valor normal, provoca por la acción de los gobernadores, una disminución de la generación en A1; así que al tiempo Tc, la frecuencia del sistema ya es normal, pero el intercambio es fuertemente alterado debido a que ahora A2 esta indebidamente abasteciendo A1.

Entonces el control de intercambio en A1 tendrá que intervenir nuevamente aumentando la generación en A1, para regresar el intercambio a cero (tiempo tc a Td). Cuando esta acción se haya completado, el intercambio será nuevamente normal pero la frecuencia estará ahora en exceso del valor prefijado por ser la generación superior a lo necesario. Cuando el intercambio haya regresado a cero, la frecuencia estará en exceso (nótese que al aumentar la generación en A1, disminuye correspondientemente en A2 por efecto de

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los gobernadores, llegará al punto de equilibrio F’ Td en la característica C21, o sea a una frecuencia mayor de la normal, por lo cual la nueva característica de A1 se estabilizará en C12 determinada por: Intercambio = 0 y frecuencia =f’. Prosiguiendo con este razonamiento se ve fácilmente que el sistema no puede llegar a equilibrio inmediatamente y sigue oscilando, por un tiempo variable según el grado de amortiguamiento del sistema.

En manera parecida se puede demostrar que, al verificarse un cambio de carga en la zona A2, su control responde primero, se restablecerán las condiciones normales, sin que el control en A1 pueda intervenir, pero, si el control en A1 es más rápido en su intervención, se generan oscilaciones en la frecuencia y en el intercambio, cuya amplitud, período y duración dependen en manera compleja de las características dinámicas de toda la interconexión.

En otras palabras, según deducimos en los párrafos precedentes y enfatizamos al comienzo del presente, cada control responde bien a los cambios de demanda que se verifiquen en su misma área, pero puede ser contraproducente para cambios que se verifiquen en otras áreas.

CONTROL DE INTERCAMBIO DE CORRECCION DE FRECUENCIA

La solución del problema de la regulación de área para una interconexión no integrada compuesta por áreas con cantidades comparables de potencia instalada, se resuelve con un tipo de control llamado “control de intercambio con corrección de frecuencia”, cuya característica es intermedia entre las dos presentadas anteriormente, como se ve en la Fig. N° 8.

FIG. No.8 CARACTERISTICA DEL CONTROL DE INTERCAMBIO CON CORRECION DE FRECUENCIA.

AUMENTA GENERACION

59.8

59.9

60.0

DEL INTERCAMBIO HACIA EL EXTERIOR DEL AREA0

60.1

60.2

25 50 10075

f (cps) BANDA

MUERTA

VALOR PREFIJADO DEL INTERCAMBIO

DISMINUYE GENERACION

16

Este tipo de control es así llamado, porque la curva característica se puede considerar como la de un control de intercambio, corregida por desviación de frecuencia, o sea la característica se desvía de la vertical tanto más cuanto mayor es la discrepancia de la frecuencia del valor prefijado.

La acción del control es la siguiente:

Por condiciones operativas representadas por puntos en el semiplano arriba de la zona de insensibilidad de control, disminuye la generación.

Por condiciones operativas por puntos en el semiplano de bajo de la zona de insensibilidad de control, aumenta la generación.

Por condiciones operativas representadas por puntos de la zona de insensibilidad, el control no actúa.

Como veremos a continuación, este tipo de control, especialmente si la pendiente de su característica se hace coincidir con la de la característica compuesta de gobierno de su área, permite resolver satisfactoriamente el problema de la regulación de área, presentando las siguientes características:

a) No se pone a la acción de los gobernadores de la regulación del sistema.

b) Si un cambio se verifica en su área, corrige la acción de los gobernadores bajo su control para que los generadores del área absorban todo el incremento de carga.

c) Si el cambio de carga se presenta en otra área, no interviene la acción de los gobernadores, dejando que el control del área en que se verificó el cambio, se encargue de redistribuir la carga entre los generadores bajo su control.

d) En cada caso, el control de cada área coopera con el área en que se verifico el cambio para una rápida regulación, sin que se puedan generar oscilaciones.

En la figura No.9, se añadió el centro entre los diagramas de las características compuestas de gobierno en A1 y A2, un nuevo diagrama que muestra las características del control de las dos áreas. Nótese que la característica de control de A2 se muestra inclinada al revés con respecto a lo que se ve en la Fig. No. 8, porque el intercambio hacia el exterior del área A2 crece desde la derecha hacia la izquierda del diagrama.

Nótese que ambas características de control se hicieron paralelas a las características compuestas de gobierno de las dos áreas.

Analizando la figura, supongamos que en el área A2, se verifique un repentino aumento de carga p2al tiempo ta y que, entre este instante y Ta, los gobernadores de ambas zonas respondan como en los ejemplos anteriores, absorbiendo cada área el 50% de este cambio. El área A1 enviará su contribución en la línea de interconexión alterando el intercambio el valor cero al valor 0.5 p2.

Nótese que el punto representativo de la operación del área A1 no abandona la curva de regulación, porque ésta tiene la misma pendiente que la de gobierno.

17

Consideremos dos casos:

a) El control del área en que se verificó el cambio responde primero.

Si el control del área A2 actúa primero respondiendo a la acción combinada de los incrementos de frecuencia e intercambio (tiempo tb a Tb), desplazará la característica de gobierno del área, hasta que la generación aumente satisfaciendo el aumento de demanda y obligando el intercambio y la frecuencia a retornar a sus valores normales. Nótese que como las pendientes del control y de gobierno de A1 son paralelas, el punto representativo de su operación se mueve sin abandonar la característica de control, de manera que el control del área no interviene, dejando que el del área donde se verificó el cambio sea el único en responder.


60

Generación en A1

f (cps)

Gobernadores en A1

A1 A2

tb

Ta

ta

To

Tb Control de Área en A2

Generación en A1

t

ttt

t t

f

To

tc

Tc

tdTd

t

CASO (a)

Gobernadores en A1

t

Demanda en A1

f

CASO (b)

f (cps)

60



Δf

Gobernadores en A2

ΔP2P2

P1 Hacia A2Hacia A1

Intercambios

0 Generación en A2Demanda en A2

P2

Control del área A2

Gobernadores en A2

Hacia A2Hacia A1 0Generación en A1Demanda en A1

P1

ΔP2

60

Curva característica de control del Área A1

60

Curva característica de control del Área A2

f (cps) f (cps)

Hacia A2Hacia A1

Intercambios

0Hacia A1Hacia A2

Intercambios

0

Te

te



FIG. NO. 9

18

b) el control más rápido en responder es el de la otra área. En este caso (tiempo tc a Tc), debería intervenir el control de A, pero siendo la pendiente de la curva de regulación igual a la de gobierno compuesta del área, el punto representativo de su operación se movió sin alejarse de ella; así no puede intervenir el control.

Al tiempo te intervendrá el control A2 y aumentará su generación hasta que todo se restablezca a la normalidad.

Nótese que en ambos casos, el sistema de control A1 no intervino a causa de la coincidencia de las pendientes de las características de gobierno y regulación, y qué por lo tanto, no hay posibilidad alguna que generen oscilaciones. Debido a la simetría de las curvas, los casos en que el cambio se verifique en A1 son similares.

De lo anterior se infiere que, cuando el punto representativo de las condiciones operativas cae en las características de control, la regulación de área se lleva a cabo satisfactoriamente, por esta razón, la característica de un regulador de este tipo, se llama también característica de regulación del área.

ERROR DE ÁREA

De la Fig. No. 8 y de la correspondiente discusión, se ve que el sistema de control no actúa cuando el punto representativo de las condiciones operativas del área se encuentre en la característica (para ser exactos, debería decirse que no actúa como dicho punto se halla en la zona de insensibilidad pero, por su pequeña amplitud, ésta se depreciará en la siguiente discusión).

Se vio además que esta manera de funcionar nos proporciona una solución satisfactoria del problema de la regulación de área.

Entonces el sistema de control deberá funcionar solamente cuando el punto representativo se encuentra fuera de la característica y, por obvias razones dinámicas, con una acción tanto mayor cuando mayor es su alejamiento. Ósea, la acción del control debe variar la generación del área en una cantidad proporcional a la desviación del intercambio del valor que le corresponde por el valor real de la frecuencia. Dicha desviación será llamada a continuación error de área, porque representa en cuanto hay que variar la generación del área para restablecer el intercambio a valores normales.

Con referencia a la Fig. No. 10, supongamos que el punto representativo de las condiciones operativas sea M, determinado por una frecuencia f y un valor I2, del intercambio. A la frecuencia f1, el intercambio debería ser I1, entonces el error de área es:

19

Nótese que:

Y que

Donde S es la pendiente de la característica y B, llamado factor de corrección por frecuencia y medido en MW/0.1 ciclos, representa la corrección de una derivación de un décimo de ciclo, que se introduce en ella, con respecto a la característica de un control de intercambio únicamente (véase el inciso precedente).

Entonces será:

Lo que equivale a decir que el error de área es igual a la desviación del intercambio l más una cantidad proporcional a la desviación de frecuencia F.

La acción del sistema de control consistirá entonces en medir los valores reales del intercambio y la frecuencia, calcular ea y variar la generación, de manera que esta cantidad se reduzca a cero en el menor tiempo posible, sin perturbar la acción de los gobernadores para la regulación del sistema.

EL CONTROL AUTOMATICO DE LA REGULACION DE AREA.-

Tenemos ahora todos los elementos para empezar el estudio de un sistema automático de regulación de área.

La Fig. No. 11, ilustra el diagrama funcional de un sistema de control automático para la regulación de área.

PENDIENTE SM

Δpe

I2 I1

f1

f0

f(cps)

MWI0 INTERCAMBIO FUERA DEL AREA

FIG. No. 10

20

Su operación es como sigue:

1°.- Interpretación de las señales de telemedición.Cada receptor de telemedición recibe una señal proporcional a la potencia de intercambiol1, l2 etc., en cada línea de interconexión; el circuito computador C1, suma los valores obteniendo el intercambio total neto:

Y, por comparación con el valor prefijado la desviación del intercambio I = It – I0

2º.- Cálculo de la corrección por frecuencia.Simultáneamente el circuito computador C2, recibe una señal proporcional a la frecuencia, multiplica por el factor de corrección de frecuencia B y por comparación con f0, calcula la corrección por frecuencia.

B F = B (ft – f0)

3º.- Cálculo del error de área.Señales proporcionales a las cantidades l y B F, llegan al circuito computador C3, que calcula el error de área:

Ea = l + B F

Esta cantidad es enviada a dos amplificadores de computación, el proporcional y el de reajuste, que calculan la señal de control y cuya función ya fue explicada someramente en el capítulo precedente y que se detalla a continuación.

4º.- Control proporcional.Los cambios repentinos de carga desvían el sistema de su operación óptima y su influencia perturbadora sobre la frecuencia y el intercambio crece con magnitud y rapidez

Se vio además, en el inciso final del capítulo precedente, que la regulación de área es satisfactoria cuando el punto representativo de las condiciones operativas, se encuentra en la característica y que una desviación de esta condición perturba la operación del área proporcionalmente a su magnitud.

21

RECEPTOR DE

TELEMEDICION

RECEPTOR DE

TELEMEDICION

RECEPTOR DE

TELEMEDICION

CIRCUITO CCALCULA EL

INTERCAMBIO NETO

PROGRAMA DE

INTERCAMBIO

n

)0i(

IiIt

IT

GRAFICO

ΔI = IT – I0

GRAFICO

SEÑALES DESDE LOS PUNTOS DE INTERCONEXION

CIRCUITO C2

CALCULA LACORRECCION POR

FRECUENCIA

FRECUENCIADEL

SISTEMA F

FACTORDE

CORRECCIONB

FRECUENCIASTANDARD

B FO

ΔF = F – F0

B A F

CIRCUITO C3CALCULA ELERROR DE

AREA

ea = ΔI + BAF

AMPLIFICADORINTEGRAL

AMPLIFICADORPROPORCIONAL

ewdtK2

eaKS 1

S

AMPLIFICADORSUMADOR

TRANSMISORDE

TELEMEDICION

AMPLIFICADORSUMADOR

AMPLIFICADORSUMADOR

sm

sm2

sm3

TRANSMISORDE

TELEMEDICION

TRANSMISORDE

TELEMEDICION

A LAPLANTA

# 1

A LAPLANTA

# 2

A LAPLANTA

# 3

DIAGRAMA FUNCIONAL DE UN SISTEMA DE CONTROL TIPICO PARA LA REGULACION DE AREA

FIG. 11

Es entonces evidente, que el error de área nos da una medida de la magnitud de la perturbación que sufrió el sistema a causa de una variación repentina de demanda.

Un buen sistema de control, por obvias razones dinámicas, debe producir una acción correctiva, de magnitud proporcional a la magnitud de la perturbación de las condiciones óptimas.

El amplificador proporcional entonces emite una señal correctiva del tipo:

S = Kea

Esta acción se llama control proporcional o control de cambios transitorios.

Se llama banda proporcional y corresponde al error de área en por ciento, que provoca una variación unitaria en la acción de control.

Esta cantidad nos da una medida de la sensibilidad del control y puede ser variada para que las características dinámicas del control se adapten a las del proceso, para el mejor resultado de la acción reguladora.

Es importante observar que esta acción es diferente de cero, solo cuando haya perturbaciones y que su valor medio es siempre nulo.

5º.- control Integral.

Esta parte del circuito de control efectúa la integral del error de área.

Nótese que la integral sigue aumentando en valor absoluto hasta que el error “e” sea igual a cero, o sea hasta que el punto representativo de las condiciones operativas del área, caiga en la característica de regulación. Cuando esto se verifique el valor de la integral cesa su variación y se queda constante hasta que se verifique otro error de área.

Entonces el valor medio de esta acción es siempre diferente de cero si el área esta en operación, se mantiene constante si el sistema está en condiciones satisfactorias de operación y sigue variando mientras haya error, tratando de eliminarlo.

Por lo visto, el valor medio de esta acción a los cambios transitorios es nulo, mientras que es diferente de cero solo por los valores sostenidos y representa el valor medio de la acción de control total.

6º.- Las señales de salida de los amplificadores integral y proporcional van a los amplificadores sumadores y de estos a las transmisores telegráficos, y esta es transmitida a la planta que le corresponde.

UNIDAD DE DESPACHO EN LAS PLANTAS.-

En la Fig. No. 12 se ilustra el diagrama funcional de un sistema de control para la unidad de despacho de una planta.

Su operación es como sigue:

1º.- La señal de mando es recibida por el receptor telegráfico y ésta, es entregada a un amplificador integral.

2º.- La señal que representa la generación de cada una de los generadores es entregada a un sumador y la señal total de generación es enviada a la unidad central de despacho para nuevos cálculos.

3º.- La señal de salida del amplificador-integral y la señal de generación de la o las unidades que están bajo el sistema de control de área, llegan a un amplificador-promediador.

4º.- esta señal de control es combinada en el amplificador-sumador con la señal de polarización de frecuencia.

24

PULSOS MAESTRODE SUBIR/BAJAR DE LA ESTACION CENTRAL

RA RECEPTOR

TELEGRAFICOCIRCUITO CIRCUITO

PROMEDIADORCIRCUITO SUMADOR

U 3

U 2

U 1

GENERACION DE LA U-1

CONVERTIDOR

CIRCUITO COMPARADOR

MOTOR ACTIVADOR

CIRCUITO SUMADOR

GENERACION DE LA UNIDAD U1 + U2 + U3, HACIA LA ESTACION CENTRAL


CONVERTIDOR


CONVERTIDOR

CIRCUITO COMPARADOR

MOTOR ACTIVADOR

CIRCUITO COMPARADOR

MOTOR ACTIVADOR

PULSOS DE SUBIR / BAJAR A LA U1



FIG. No. 12

Esta polarización de frecuencia tiene como función nulificar la acción del control de área al haber una perturbación en el sistema, para que la regulación primaria actúe, o sea, que no se oponga a la acción de regulación primaria en las unidades bajo control de regulación de área.

5º.- La salida del amplificador-sumador, nos da la señal del valor deseado, y ésta es comparada con la señal del valor de la generación de la unidad.

6º.- Esta señal (la salida del comprador) es el valor que hay que corregir (subir o bajar generación), la cual entra al actuador del motor, para adecuar esta señal de error, y actuar sobre los motores del gobernador de la unidad.

EL USO DE LAS TECNICAS DE SIMULACION ANALOGICA PARA LA REGULACION DE AREA.

Los sistemas cuyos diagramas funcionales se presentaron anteriormente, pueden ser realizados en forma analógica (o sea con cantidades variables en forma continua) o digital (o sea; con cantidades reducidas en forma numérica), usando componentes basados en diferentes principios de operación.

Los sistemas analógicos modernos emplean componentes electrónicos transistorizados que permiten obtener distintas ventajas:

- Respuesta tan rápida como se requiera, en el campo de las velocidades necesarias para el control automático.

- Vida prácticamente ilimitada.- Construcción modular, que permite intercambiabilidad total, facilidad en el

mantenimiento, garantizando una duración mínima de las interrupciones por fallas.- Gran facilidad para modificaciones y expansiones, necesitando solamente modificar

las conexiones entre los elementos constitutivos, para cambiar sus funciones.

A continuación anexamos gráficas de un sistema de control de este tipo (Vease el apéndice A, para los principios básicos de computación analógica):

PULSOS MAESTRODE SUBIR/BAJAR DE LA ESTACION CENTRAL

RA RECEPTOR

TELEGRAFICOCIRCUITO

CIRCUITO PROMEDIADOR

CIRCUITO SUMADOR

U 3

U 2

U 1


CONVERTIDOR

CIRCUITO COMPARADOR

MOTOR ACTIVADOR

CIRCUITO SUMADOR

GENERACION DE LA UNIDAD U1 + U2 + U3, HACIA LA ESTACION CENTRAL


CONVERTIDOR


CONVERTIDOR

CIRCUITO COMPARADOR

MOTOR ACTIVADOR

CIRCUITO COMPARADOR

MOTOR ACTIVADOR




FIG. No. 1

TIE LINE I TELEMETERCONVERTER

MW

TIE LINE 2 TELEMETERCONVERTER

MW

SPDX W/L 2 PEN REC’S

TIE LINE INPUT CARD

TIE LINE INPUT CARD

0A

M W

MVAR

NET INTERCHANGE TOTALIZING

TIE LINE I TEL. CONV.

MVAR

TIE LINE 2 TEL. CONV.

MVAR

SHEDULE INTERCHANGESETTER

SUBSTITUTE INTERCHANGE

SETTER

SPDX W/L 2 PEN

RECORDER

ACTUAL NET. INTG

SHEDULE NET. INTG

ACE MODE

CF

CNI

TLB

AREA CONTROL ERROR

EMERGENCY A SSIT

SPDX W/L ONE PEN

REC

E A C CRACE

CONTROL

ATENUATOR

DIAT MASTER CONTROLLER

COMP H

NIS COMPARTOR

SHEDULE LOGIC

RATER OF CHANGE SETTER

SHEDULE INTEGRATING

LINE PRECISION FRECUENCY

TRANSDUCER

LOW V

DET

FRECUENCY STANDARD

FREQ BASE SETTER

FREQ. BIAS SETTER

SPDX W/L 2 PEN

MAGNETIC FRECUENCY

TRANSDUCER

M W

MVAR

0A

0A COMP H

0A

COMP H

NARROW RANGE

WIDE RANGE

FRECUENCY STANDARD

FREQ. DEV.

28

APENDICE A

EQUIPO DE CONTROL DE LA FRECUENCIA Y LA GENERACION INSTALADO ACTUALMENTE

El equipo de control de la Frecuencia y la generación (LFC LOAD FREQUENCY CONTROL),Instalado actualmente, es de cuatro estaciones remotas y una estación central.

La estación central esta ubicada en la Oficina de Operación Sistema (Centro de Control de Áreas Noroeste), la primera y segunda estación están ubicadas en la planta Monterrey controlando, una las Unidades 1,2 y 3 y la otra las Unidades 4, 5 y 6, la tercera estación remota está instalada en la planta Altamira controlando las Unidades 1 y 2, por último la cuarta estación remota está instalada en la Planta Mazatlán II para controlar la Unidad No. 2 (Ver mapa)

El LFC fue diseñado para regular los enlaces con la CPL (Central Power Light), estos enlaces son los de Falcón, Nuevo Laredo y Piedras Negras, pero debido a la interconexión con el sistema interconectado sur (sis) para formar el sistema interconectado Nacional, se encuentra pendiente de resolver. Si se regulara el enlace con el SIS a través de la línea A490 (Altamira – Poza Rica), o si se trata de regular Frecuencia del Sistema Interconectado Nacional, dada la capacidad instalada para control secundario que existe en el Sistema Nacional (Ver Tabla No. 1)

Y que es exclusivamente de la máquinas que hemos mencionado anteriormente, resulta impráctico tratar de regular la frecuencia del Sistema Nacional con este equipo, la posibilidad más factible es la regulación del intercambio con la línea Altamira Poza Rica, o sea con nuestro enlace del Sistema Interconectado Sur, esta posibilidad esta en estudio por parte del CENACE para definir si la aplicación es conveniente.

Actualmente se está utilizando parte del equipo para telemedición de las generaciones de las Unidades y para la vigilancia de los intercambios con el Área Norte, a través de Saltillo y con el Sistema Interconectado Sur a través de la Línea Altamira – Poza Rica.

También, cuando por razones de emergencia, se enlaza el SIN con COL, se tiene la telemedición de los enlaces en Nava, Nuevo Laredo y Falcón. Adicionalmente, en el caso anterior se utiliza el equipo para el disparo automático de carga (DAC).

PLANTA Monterrey Altamira MazatlánUNIDAD U1 U2 U3 U4 U5 U6 U1 U2 U2

CAPACIDAD 75 75 75 84 84 84 158 158 158Rango de Control 15 15 15 15 15 15 30 30 30

Velocidad MW/MIN 3 MW/ MIN 3 MW/ MIN

B I B L I O G R A F I A

1.- REDES ELECTRICAS, TERCERA PARTE: OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ENERGIA ELECTRICA JACINTO VIQUEIRA LANDA, REPRESENTACIONES Y SERVICIOS DE INGENIERIA, S.A.

2.- PROPUESTA TECNICA PARA EQUIPOS DE CONTROL DE FRECUENCIA Y CARGA. HONEYWELL, S.A. MEXICO.

3.- PROPUESTA TECNICA PARA EQUIPOS DE ONTROL DE FRECUENCIA Y CARGA. LEED´S & NORTHRUP COMPANY

4.- OPERACIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA ELECTRICA ING. SALVADOR CISNEROS CHAVES. CFE

5.- SERVOMECANISMOS. CAPITULO 11- SIMULACION. FRANCIS MILSANT. EDITORES

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curso regulación secundaria

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