Transcript Algoritmo de Cálculo - cidel argentina 2010

INSTITUTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de San Juan - ARGENTINA
Congreso Internacional de Distribución Eléctrica
Buenos Aires - Argentina, Septiembre 2010
Trabajo Técnico Nº 247, Sesión 5
Evaluación de la Calidad del Servicio Técnico
en Redes Radiales de Distribución
Autores: Mauricio Samper
Alberto Vargas
Disertante: Marcos Facchini
Objetivo
 La red de distribución debe suministrar electricidad a los clientes
acorde a reglamentaciones de calidad exigidas por el regulador
Desde el punto de vista de la “calidad del servicio técnico” o “confiabilidad”
específicamente se refiere a la frecuencia y duración de las interrupciones
El incumplimiento de las reglamentaciones implica penalizaciones a la distribuidora
sobre la base de la valoración de la Energía No Suministrada (ENS)
 La evaluación de la calidad del servicio técnico es un cálculo que cuantifica
el nivel de confiabilidad que se espera de un sistema
En este trabajo se presenta un algoritmo de cálculo basado en la técnica “Modos de
Falla y Análisis de Efectos” para evaluar de forma sencilla índices de confiabilidad
El algoritmo contempla la posibilidad de transferir carga entre alimentadores,
evaluando la capacidad de transferencia de los vínculos
Finalmente, con el algoritmo propuesto se evalúan diferentes esquemas de protección
en redes de distribución primaria, con el fin de estimar el impacto de los diferentes
dispositivos de protección y/o maniobra existentes
2
Contenido
Introducción
Algoritmo de Cálculo
Hipótesis de Cálculo
Caracterización de los Elementos
Estados de los Elementos
Cálculo Matricial de Índices de Confiabilidad
Casos de Aplicación
Tres Esquemas de Protección
Tres Redes Típicas de Argentina
Conclusiones
3
Introducción
 Evaluar confiabilidad tiene como objetivo medir la continuidad del suministro,
en base a la topología del sistema e información de sus componentes y demanda
Así como un cálculo de flujo potencia puede evaluar el estado eléctrico de un sistema de
distribución, un cálculo de confiabilidad puede evaluar la capacidad del mismo
sistema de proveer electricidad de forma continua (sin interrupciones) y segura
 La evaluación de confiabilidad es útil para realizar diversos estudios:
analizar y mejorar la performance del sistema, satisfacer requerimientos regulatorios,
como herramienta de planeamiento expansión, para identificar zonas con problemas,
para el diseño de sistemas que puedan ofrecer diferentes niveles de confiabilidad, etc.
 Matemáticamente existen ppalmente. 2 métodos para evaluar confiabilidad:
 Métodos SIMULATIVOS: estiman índices de confiabilidad mediante procesos de
simulación del comportamiento estocástico de los componentes de la red
El más conocido es el método de Monte Carlo
 Métodos ANALÍTICOS: representan la red mediante un modelo matemático y evalúan
índices de confiabilidad usando soluciones numéricas directas
Estos pueden ser divididos en modelamientos de Markov y de Redes, siendo este último
el más empleado en confiabilidad de redes de distribución
4
Introducción…
En este trabajo se presenta un algoritmo de cálculo matricial y automatizado
para evaluar confiabilidad en redes radiales de distribución
 Para el análisis, la red es dividida en zonas acorde a la cantidad de aparatos de
protección y/o maniobra existentes
 El algoritmo es una extensión del método analítico de cálculo Modos de Falla y
Análisis de Efectos (FMEA - Failure Mode and Effect Analysis)
 Tiene en cuenta la posibilidad de transferir carga entre alimentadores vecinos,
evaluando la capacidad de los vínculos de poder transferir la demanda que se requiera
en cada caso o tipo de falla
 Contempla además la posibilidad de evaluar beneficio de instalar reconectadores
en pro de aislar las fallas de carácter transitorio
 El algoritmo es propuesto con el objetivo de evaluar de forma sencilla
diferentes esquemas de protecciones en redes de distribución primaria,
particularmente en líneas aéreas de MT
Sobre algunas redes típicas de distribución se evalúan tres esquemas de protección,
estimando 3 índices de confiabilidad más usuales y representativos: SAIFI, SAIDI y ENS
5
Algoritmo de Cálculo
•
6
La red se modela mediante descripción topológica de “tramos” o “elementos”
separados en zonas por aparatos de protección y/o maniobra
Porque consumidores conectados a tramos en una misma zona de red sufrirán idénticas
consecuencias ante las contingencias que pueden tener lugar en los tramos de esa zona
Cada tramo o elemento de red se caracteriza por los siguientes indicadores:
 Tasa de fallas λ: indica las veces que, en promedio, un elemento de red se ve
sometido a alguna condición de falla, durante un cierto período de tiempo
 Tiempo de restauración Tr: tiempo total de interrupción de un elemento fallado,
necesario para reparar tal elemento fallado y restablecer el servicio eléctrico normal
 Tiempo de switching Ts: tiempo necesario para realizar maniobras en el propio
alimentador del elemento fallado, necesarias para aislar la falla en pro de restablecer el
servicio a los tramos donde sea posible
 Tiempo de transferencia Tt: tiempo de maniobras necesarias para transferir carga a
alimentadores vecinos, para restablecer el servicio a tramos donde sea posible
Nota: en redes distribución aérea entre 50% y 80% de fallas son del tipo transitorias
λ de líneas ubicadas aguas abajo de un Reconectador cambia por una tasa prima λ’ que
tiene en cuenta la “probabilidad psi (ψ) de que la falla sea de carácter transitorio”
ψ = λ trans. / λ
;
λ’ = λ · (1 - ψ)
Algoritmo de Cálculo…
•
El método FMEA consiste en determinar el estado de todos los elementos de la
red en estudio cuando cada uno de ellos presenta una falla
•
En función de aparatos de protección y/o maniobra existentes, así como de las
posibles alternativas de alimentación, cada elemento de red “j” tendrá un
comportamiento dado ante una falla en sí mismo o en otro elemento “i” de red
Este comportamiento define el Estado de los Elementos ante una falla:
 Normal (N): un tramo “j” se define como normal cuando su operación no se ve
afectada por falla en otro elemento “i” del mismo alimentador
 Irrestablecible (I): aquellos tramos “j” que sufren la falla y todos aquellos que no
pueden ser transferidos a otra fuente de alimentación mediante maniobras
 Restablecible (R): cuando el servicio del tramo “j” puede volver a la normalidad antes
de reparar el elemento “i” fallado en el mismo alimentador (aislando “i”)
 Transferible (T): cuando existe alguna alternativa para re-energizar el tramo “j”,
transfiriendo carga a alimentadores vecinos, antes de reparar el elemento “i” en falla
Nota: no siempre es factible transferir toda la carga a otro alimentador, porque
puede existir alguna restricción (e.g. que la falla ocurre durante período de pico, o
porque el vínculo de transferencia tiene capacidad limitada)
7
Algoritmo de Cálculo…
8
CD
D2
L5
L1
I
OP
L3
L2
S
F
R
L6
L4
D1
D3
Matriz de Estados [ME]
FM \ EA
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L1
I
T
T
I
T
T
L2
R
I
T
R
I
T
L3
R
R
I
R
R
I
L4
N
N
N
I
N
N
L5
R
I
T
R
I
T
L6
R
R
I
R
R
I
Algoritmo de Cálculo…
•
9
Procedimiento Automatizado para Construir la Matriz de Estados
CD
L1
I
OP
2. Dividir red en Zonas por APM
L3
L2
S
F
1. Continuidad Eléctrica aguas abajo de c/elemento
D2
L5
3. Armar matriz de Estados por Zonas
R
L1
L2
L3
L4
L5
L6
Z.APM
L1
1
1
1
1
1
1
I
L2
0
1
1
0
1
1
S
L3
0
0
1
0
0
1
R
L4
0
0
0
1
0
0
F
L1
L2
L3
L4
L5
L6
Z.APM
L1
1
1
1
1
1
1
I
L2
0
1
1
0
1
1
S
L3
0
0
1
0
0
1
R
L4
0
0
0
1
0
0
F
L5
0
1
1
0
1
1
S
L6
0
0
1
0
0
1
R
L6
L4
D1
D3
4. Analizar Transferencia de Carga acorde, si existe
alguna vía alternativa alimentación (OP-“Open Point”)
 Por zona de transferencia evaluar capacidad del OP
Falla Config. Dem.
L1
L2
L3
L4
L5
L6
3.3.I 0.560 1 MW
0
0
1
0
0
1
3.3.II 1.200 1 MW
0
1
1
0
1
1
Zona 2 3.3.III 0.560 1 MW
0
0
1
0
0
1
Zona 1
COP
Z.APM
I
S
L1
L2
L3
L4
L5
L6
Z.APM
L1
0
0
1
0
0
1
I
L2
0
0
1
0
0
1
S
L3
0
0
0
0
0
0
-
L4
0
0
0
0
0
0
-
5. Sumando estas matrices y mediante sencillas
reglas “if-then” se obtiene la Matriz Estados [ME]
L5
0
0
1
0
0
1
S
Si “=1” 
“I”
;
Si “=0” y zona “F” 
L6
0
0
0
0
0
0
-
Si “=2” 
“T”
;
Si “=0” y zona “≠F” 
“N”
“R”
Algoritmo de Cálculo…
•
10
Cálculo Matricial de Índices de Confiabilidad, a partir de Matriz de Estados [ME]
1. Armar matriz Tiempos de Restauración [R]:
Si “=N”
 0
Si “=I”
; Si “=R”
 Tr = 4
 Ts = 0.5
; Si “=T”
 Tt
=1
2. Con datos de red armar matrices de carga conectada
[L] por tramo o elemento, de cantidad de clientes [C]
y de tasas de falla [λ]
[L]
[C]
[λ]
L1
0
0
0.30
L2
0
0
0.15
L3
0
0
0.135
L4
0.800
250
0.45
L5
0.640
100
0.10
L6
0.560
50
0.045
Ntc = ∑ Ci =
400
Nota: si hay Reconectador
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L1
4.0
4.0
1.0
4.0
4.0
1.0
L2
0.5
4.0
1.0
0.5
4.0
1.0
L3
0.5
0.5
4.0
0.5
0.5
4.0
L4
0
0
0
2.0
0
0
L5
0.5
2.0
1.0
0.5
2.0
1.0
L6
0.5
0.5
2.0
0.5
0.5
2.0
la tasa falla es: λ’ = λ·(1-ψ)
3. Armar una matriz auxiliar de estados [Eaux],
mediante reglas “if-then”, que contiene sólo 0 y 1
Si [ME] “=N”
 0
;
 1
Si “≠N”
4. Calcular matrices [U] y [λT] para cada tramo “i”
Indisponibilidad: [U] = [λ] T · [R]
Tasas de falla total: [λT] = [λ] T · [Eaux]
L1
L2
L3
L4
L5
(interr./a)
L6
[U] = 1.415 2.090 1.180 2.315 2.090 1.180
5. Calcular Índices de Confiabilidad:
SAIFI = [λT] · [C] / Ntc = 1.011
(interr./a)
SAIDI = [U] · [C] / Ntc = 2.117
(horas/a)
ENS = [U] · [L] = 3.850
(horas/a)
(MWh/a)
[λT] = 0.730 0.730 0.730 1.180 0.730 0.730
Casos de Aplicación
•
11
Se evaluaron 3 esquemas de protecciones en 3 redes diferentes de distribución primaria
con líneas aéreas de MT (típicas de Argentina):

Esquema A: sólo se considera un Interruptor en salida de cada alimentador de MT

Esquema B: ídem pero agregando Fusibles en las derivaciones de alimentador troncal

Esquema C: ídem, agregando 2 Seccionadores y 1 Reconectador en troncal, considerando además
transferencia de carga (sin restricción del OP)
Redes
km Líneas
Demanda
Usuarios
Red 1
3.6
1.21 MW
10
Red 2
4.1
1.25 MW
18
Red 3
39.3
2.00 MW
997
Parámetros adoptados:

Tasa de falla λ: 0.25 fallas/km-año

Probabilidad ψ de fallas transitorias: 0.70 pu

Tiempo de restauración Tr: 5 hs

Tiempo de reconfiguración Ts: 1 hs

Tiempo transferencia Tt: 1 hs
Casos de Aplicación…
12
SAIFI
CASOS EVALUADOS
SAIDI
ENS
Esq.A : 1 Interruptor en salida alimentador
01_A: Red 1
0.91
4.55
3.68 MWh/a
02_A: Red 2
1.03
5.17
4.30 MWh/a
03_A: Red 3
9.83
49.14
65.55 MWh/a
Esq.B : ídem + Fusibles en derivaciones
01_B: Red 1
0.53
2.64
2.35 MWh/a
02_B: Red 2
0.98
4.92
4.14 MWh/a
03_B: Red 3
3.33
16.64
22.62 MWh/a
Esq.C : + 2 Seccionadores y 1 Reconectador (con transferencia)
01_C: Red 1
0.53
2.64
2.35 MWh/a
02_C: Red 2
0.98
4.18
3.24 MWh/a
03_C: Red 3
3.29
10.43
13.37 MWh/a
Beneficio de transferencia de carga y reconectador, e.g.
Esquema C de Red 3 (caso 03_C)

reducción del 41% ENS y 37% SAIDI
respecto misma red con Esquema B (caso 02_C)
Conclusiones
•
Se ha presentado un algoritmo de cálculo matricial y automatizado para
evaluar confiabilidad en redes radiales de distribución
Tiene en cuenta la posibilidad de transferir carga entre alimentadores
vecinos, evaluando además la capacidad de los vínculos de poder transferir la
demanda que se requiera en cada caso o tipo de falla prevista
•
Mediante el algoritmo propuesto se evaluaron 3 redes típicas de distribución
primaria de MT con 3 esquemas de protecciones diferentes
Se demostró que, técnicamente, es muy favorable considerar la posibilidad de
transferencia de carga (mediante los correspondientes aparatos de maniobra)
e incorporar reconectadores para aislar fallas de tipo transitorias
13
INSTITUTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de San Juan - ARGENTINA
¡Gracias por su atención!
Autor de Referencia:
Mauricio Samper
[email protected]
www.iee-unsj.org