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Análisis y Soluciones de Problemas en Sistemas Eléctricos de Distribución Antonio de Jesús Ortiz L., Herramientas de Inteligencia Artificial, Maestría en Ingeniería Eléctrica en Distribución, EPN
Resumen—La solución de varios problemas presentes en los Sistemas Eléctricos de Potencia, SEP, y Sistemas Eléctricos de Distribución, SED, necesitan de mucho análisis y de herramientas potentes que permitan alcanzar la solución óptima a dichos problemas. Una de estas herramientas es la aplicación de Inteligencia Artificial, por lo cual, en este documento se mencionan algunos de los problemas en los SEP y SED y algunas herramientas de IA que pueden ser aplicadas para lo solución de estos problemas. Previo a esto, se realiza un análisis de algunas de las configuraciones que tiene un SED y los elementos que conforman el mismo.
potencia, las cuales están directamente relacionados con el usuario final, por lo que, se requiere mantener altos niveles de confiabilidad en el suministro y en la calidad de la energía. Los requerimientos de calidad son cada vez más exigentes, significando mayores retos para los profesionales encargados de la planificación, operación y mantenimiento [2]. Para ubicar el sistema de distribución obsérvese el esquema de un sistema de potencia de la Fig. 1.
Índice de Términos—Inteligencia Artificial, Problemas en Sistemas Eléctricos de Potencia, Problemas en Sistemas Eléctricos de Distribución. I. INTRODUCCIÓN n sistema eléctrico de potencia incluye las etapas de generación, transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica, y su función primordial es la de llevar esta energía desde los centros de generación hasta los centros de consumo y por último entregarla al usuario en forma segura y con los niveles de calidad exigidos. Aproximadamente las 2/3 partes de la inversión total del sistema de potencia, están dedicados a la parte de distribución, lo que implica necesariamente un trabajo cuidadoso en el planeamiento, diseño y construcción y en la operación del sistema de distribución, lo que requiere manejar una información voluminosa y tomar numerosas decisiones, lo cual es una tarea compleja pero de gran trascendencia [1], de ahí que, los sistemas de distribución son parte importante del sistema de
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Fig. 1 Ubicación de un Sistema de Distribución en un Sistema Eléctrico de Potencia [1]
El sistema de distribución a su vez está conformado por: A. Subestaciones Receptoras Secundarias Donde se transforma la energía recibida de las líneas de subtransmisión y dan origen a los circuitos de distribución primarios. B. Circuitos Primarios Que recorren cada uno de los sectores urbanos y rurales suministrando potencia a los transformadores de distribución a voltajes como13.8 kV, 11.4 kV, 7976.87 V, etc. C. Transformadores de Distribución Se conectan a un circuito primario y suministran
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servicio a los consumidores o abonados conectados juego de barras. Existen diferentes tipos de arreglo al circuito secundario. sobre este sistema, la elección del arreglo está sujeta a las condiciones de la zona, demanda, D. Circuito Secundario confiabilidad de continuidad en el suministro de Encargados de distribuir la energía a los usuarios energía, costo económico y perspectiva a largo con voltajes como 120/208 - 120/240 V y en plazo. general voltajes hasta 600 V. B. Sistema Anillo II. TIPOS DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN [3] Es aquel que cuenta con más de una trayectoria Existen tres tipos de sistemas básicos de entre la fuente o fuentes y la carga para proporcionar el servicio de energía eléctrica. Este distribución, los cuales son: sistema comienza en la estación central o - Sistema radial subestación y hace un “ciclo” completo por el área a - Sistema anillo abastecer y regresa al punto de donde partió. Lo - Sistema en malla o mallado Estos tipos de sistemas, son los más comúnmente cual provoca que el área sea abastecida de ambos utilizados, por lo que en los siguientes temas se dará extremos, permitiendo aislar ciertas secciones en una explicación de su funcionalidad, características, caso de alguna falla. Este sistema es más utilizado para abastecer ventajas, desventajas y particularidades que tiene cada uno de ellos. Al utilizar un sistema de grandes masas de carga, desde pequeñas plantas distribución este estará expuesto inevitablemente a industriales, medianas o grandes construcciones un buen número de variables tanto técnicas como comerciales donde es de gran importancia la locales y ante todo una variable económica por lo continuidad en el servicio. que los sistemas de distribución no tienen una uniformidad, es decir, que un sistema eléctrico será una combinación de sistemas. A. Sistema Radial Es aquel que cuenta con una trayectoria entre la fuente y la carga, proporcionando el servicio de energía eléctrica. Un sistema radial es aquel que tiene un simple camino sin regreso sobre el cual pasa la corriente, parte desde una subestación y se distribuye por forma de “rama”, como se ve en la siguiente Fig. 2.
Fig. 3 Sistema en Anillo [2] Cualquier variante del sistema en anillo, normalmente provee de dos caminos de alimentación a los transformadores de distribución o subestaciones secundarias. En general, la continuidad del servicio y la regulación de tensión que ofrece este sistema son mejor que la que nos da el sistema radial. La variación en la calidad del servicio que ofrecen ambos sistemas, depende de las formas particulares en que se comparen. Regularmente, el sistema anillo tiene un costo inicial mayor y puede tener más problemas de crecimiento que el sistema radial, particularmente en las formas utilizadas para abastecer grandes Fig. 2 Sistema Radial de Distribución [2] Este tipo de sistema de distribución tiene como cargas. Esto es principalmente porque dos circuitos característica básica, el que está conectado a un sólo deben ponerse en marcha por cada nueva
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subestación secundaria, para conectarla dentro del anillo. El añadir nuevas subestaciones en el alimentador del anillo obliga a instalar equipos que se puedan anidar en el mismo. C. Sistema Red o Malla Una forma de subtransmisión en red o en malla provee una mayor confiabilidad en el servicio que las formas de distribución radial o en anillo ya que se le da alimentación al sistema desde dos plantas y le permite a la potencia alimentar de cualquier planta de poder a cualquier subestación de distribución. Este sistema es utilizado donde la energía eléctrica tiene que estar presente sin interrupciones, debido a que una falta de continuidad en un periodo de tiempo prolongado tendría grandes consecuencias, por ejemplo: en una fundidora.
Fig. 4 Sistema de Distribución Red o Malla [2] III. PRINCIPALES PROBLEMAS EN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA Los problemas que se pueden presentar en un SEP, están directamente relacionados con los equipos que forman parte de la red y la complejidad de la misma, ya que, mientras más equipamiento tenga un sistema, menos lineal se convierte la red para su análisis. A continuación se menciona los problemas que se pueden tener en varios de los equipos de un SEP. A. Generadores Un control inadecuado en la generación de energía eléctrica, puede ocasionar que sobrepase los límites superior e inferior de entrega, establecidos en la curva de capabilidad del generador, por tal motivo, es de suma importancia tener los controles
adecuados, ya sea reguladores de velocidad y reguladores de voltaje, y así evitar que el generador salga de servicio por la violación de estos límites y la subsecuente operación de los equipos de protección. La salida intempestiva de un generador, puede ocasionar la operación de los relés de frecuencia de varios alimentadores, ocasionando la suspensión de energía eléctrica a los usuarios, además, esta salida de generación, sin un deslastre de carga adecuado, puede originar la oscilación de generadores entre sí, causando una estabilidad transitoria, dicha oscilación, puede motivar al colapso total del SEP. Otra problema que su puede mencionar es el que se origina por potencia inversa, operando el relevador 32, esto se genera cuando al estar un generador trabajando, suceden fallas en su red eléctrica asociada (por ejemplo de fase a tierra) cercanas al generador eléctricamente, el generador en ese instante deja de aportar parte de su potencia eléctrica por presencia de falla y a medida que pasa el tiempo, el generador llega a absorber potencia, si el tiempo de liberación de falla tarda en liberarse, el generador tiende a ir cada vez más absorbiendo potencia y puede el relevador 32 llegar a su valor de disparo y desconectar el generador. B. Transformadores Muchos de los problemas en transformadores, están relacionados con la parte constructiva, puesto que, puede darse una falla en el aislamiento de las bobinas, del núcleo y respecto a tierra, subsecuentemente se tendría la salida de este equipo, ya sea por la operación de su protección eléctrica o mecánica. Otro de los problemas que se tiene, no solo en los transformadores de potencia, sino también en los transformadores de distribución, es la sobrecarga temporal, esto ocasiona que con el tiempo, se reduzca la vida útil del transformador y se vaya deteriorando el aislamiento internos del transformador. Una ubicación inadecuada del intercambiador de tomas del transformador, puede ocasionar problemas en el control de voltaje en la red, esto es, bajos o sobre voltajes, fuera de los límites establecidos por las Normas Nacionales o
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Internacionales, en Ecuador, establecidas por el CONELEC.
las
normas
C. Líneas de Transmisión Los problemas más comunes en líneas de transmisión, son los cortocircuitos ocasionados por árboles, descargas atmosféricas, ruptura de conductores y perdida de la distancia de aislamiento, esto genera la salida de líneas por la actuación de sus equipos de protección, subsecuentemente, se realiza una redistribución de carga en el SEP, en el peor de los casos, esta nueva distribución causaría la sobrecarga de otras líneas de transmisión, originando la operación de sus equipos de protección por sobrecarga, lo cual provocaría una nueva distribución de carga. Otro problema que se puede presentar en las L/T es la sobrecarga temporal del conductor, puesto que, muchas de las veces, las L/T están obligadas a transportar corrientes más elevadas que su límite superior. Estas sobrecargas se presentan ocasionalmente y son de corta duración, pero producen un aumento de temperatura, como consecuencia de esto, la línea tendrá variaciones en temperatura y corriente alterando las características eléctricas y mecánicas. D. Subestaciones Eléctricas Los problemas más comunes en una subestación eléctrica, están relacionados con puntos calientes que se generan en uniones o conexiones entre conductores, estos puntos calientes pueden ser detectados y corregidos a tiempo con un adecuado mantenimiento predictivo, ya sea por termografía o por inspección visual. IV. PRINCIPALES PROBLEMAS EN SISTEMA ELÉCTRICO DE DISTRIBUCIÓN El problema de la distribución es diseñar, construir, operar y mantener el sistema de distribución que proporcionará el adecuado servicio eléctrico al área de carga a considerarse, tomando en cuenta la mejor eficiencia en operación. Desafortunadamente, no cualquier tipo de sistema de distribución puede ser empleado económicamente hablando en todas las áreas por la diferencia en densidad de carga, por ejemplo, no aplica el mismo sistema para una zona industrial
que una zona rural debido a la cantidad de carga consumida en cada uno de ellos; también, se consideran otros factores, como son, la planta de distribución existente, la topografía, etc. Para diferentes áreas de carga o incluso para diferentes partes de la misma área de carga, el sistema de distribución más efectivo podría tomar diferentes formas. El sistema de distribución debe proveer servicio con un mínimo de variaciones de tensión y el mínimo de interrupciones, debe ser flexible para permitir expansiones en pequeños incrementos así como para reconocer cambios en las condiciones de carga con un mínimo de modificaciones y gastos. Esta flexibilidad permite guardar la capacidad del sistema cercana a los requerimientos actuales de carga y por lo tanto permite que el sistema use de manera más efectiva la infraestructura. Además y sobre todo elimina la necesidad para predecir la localización y magnitudes de las cargas futuras [3]. Algunos problemas puntuales que se tiene en los SED son: - Bajo nivel de voltaje en el punto de entrega.- El nivel de voltaje en el punto de entrega, es decir, en el medidor de energía de un usuario, es de suma importancia, puesto que, este debe estar dentro de la banda de voltaje permitido, de no ser así, problemas de sobrecarga en conductores pueden presentarse cuando se trate de una carga de característica potencia constante, también puede que muchos equipos electrónicos no funcionen adecuadamente. - Perdidas de energía en el SED.- Las pérdidas de energía en la red afectan directamente a la distribuidora puesto que, esa energía de perdidas, no puede ser facturada, representando perdidas económicas para la empresa, además, estas pérdidas pueden ocasionar caída de voltaje. - Bajo factor de potencia en instalaciones industriales.- El factor de potencia en instalaciones industriales es un parámetro que debe ser controlado por las empresas distribuidoras, puesto que, esto representa un alto consumo de potencia reactiva de la red, afectando los niveles de voltaje en el punto de
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entrega de usuarios residenciales e incrementados las pérdidas en el SED. Fallas de alta impedancia.- Este tipo de fallas se presenta cuando un conductor energizado cae sobre una superficie con alta impedancia, es muy difícil para los relés de protección convencionales detectar esta anomalía, por lo cual, la única fuente de información de este evento, es los usuarios, al reportar al Centro de Llamadas dicha anomalía. Existen relés de protección que ya tienen la función de detección de fallas de alta impedancia, sin embargo, por la complejidad de este tipo de fallas, no todas las fallas de este tipo pueden ser detectadas al 100%. Falta de selectividad en la operación de equipos de protección.- Cuando ocurre una falla en un alimentador, el primer equipo de protección que debe operar es el re conectador, teniendo como respaldo al relé de protección de cabecera del alimentador, una operación selectiva garantiza la continuidad de servicio para la zona no afectada por la falla. Sobrecarga de transformadores y conductores del SED.- Al igual que en los transformadores de potencia y conductores de las L/T, una sobrecarga en un transformador causa la reducción de la vida útil del transformador y deterioro del aislamiento interno, en un cable, ocasiona que se pierda las características eléctrica y mecánica. Armónicos [4].- La presencia de armónicos en una instalación, o red de distribución eléctrica puede acarrear innumerables problemas, tales como sobrecalentamientos en los conductores especialmente en el neutro de las instalaciones, debido al efecto pelicular, disparos intempestivos de Interruptores Automáticos y Diferenciales, disminución del factor de potencia de una instalación y envejecimiento e incluso destrucción de las baterías de condensadores utilizadas para su corrección debido a fenómenos de resonancia y amplificación, vibraciones en cuadros eléctricos y acoplamientos en redes de telefonía y de datos, deterioro de la forma de onda de la tensión, y consiguiente
malfuncionamiento de los aparatos eléctricos, calentamientos, degradaciones en los aislamientos, embalamientos y frenados en motores asíncronos. - La planificación tanto de la operación y expansión de los SED en el largo plazo es una tarea altamente compleja, que involucra altos costos de inversión y una gran diversidad de alternativas posibles. Razón por la cual se han desarrollado numerosos algoritmos matemáticos y computacionales capaces de resolver problemas de estas magnitudes. - Bajo condiciones normales de explotación, la topología de la red puede ser modificada con el objeto de reducir las pérdidas, mejorar el perfil de tensión del alimentador y aumentar su confiabilidad, mientras se satisfagan todos los requerimientos de carga y se mantenga la operación del sistema en forma radial. Estos requerimientos conducen a un complejo problema de optimización que, planteados en términos matemáticos, resulta entero nolineal. La solución óptima exacta puede ser obtenida al examinar todas las posibles combinaciones de apertura o cierre de interruptores de un SD, demandando su resolución un excesivo tiempo de operación computacional. V. PROBLEMAS DEL SEP Y SED QUE PODRÍAN SER RESUELTOS CON HERRAMIENTAS DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL Muchos de los problemas en los SEP y SED mencionados anteriormente, podrían ser solucionados aplicando herramientas de inteligencia artificial, sin embargo, previo a la aplicación de esta herramienta, es primordial definir que método se va a emplear para la solución del problema, ya que, se podría cometer el error de utilizar un método robusto aplicado a un problema q puede ser resuelto óptimamente con un método sencillo y convencional, de ahí la importancia de determinar y analizar el método a ser utilizado. A continuación se menciona algunos de los problemas en los SED que podrían ser resueltos con las herramientas de IA. - Mantener un nivel de voltaje dentro de los límites máximos y mínimos establecidos por
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la normativa del CONELEC, se podría lograr con la posición optima de los cambiadores de tomas de los transformadores y con la ubicación optima de banco de capacitores, para lograr esto, se podría utilizar un algoritmo de optimización meta heurístico, ya sea un PSO (Particle Swarm Optimization) o un GA (Genetic Algorithm). - Para reducir las pérdidas de energía en un SED, se podría plantear como una función objetivo o una restricción en la aplicación del PSO o GA en la ubicación optima de banco de capacitores y posición del cambiador de tomas de los transformadores, logrando a la vez, tener niveles óptimos de voltaje en el punto de entrega y reduciendo las pérdidas de energía en el SED. - Frente a la presencia de una falla de alta impedancia, la onda de voltaje y corriente se ven distorsionadas por el efecto de arco eléctrico generado por el contacto del conductor sobre la superficie de alta impedancia, este patrón podría ser almacenado en una base de datos, tanto en condiciones normales como en fallas de alta impedancia, una red neuronal podría ir aprendiendo de estos patrones, a tal punto que, al presentarse una falla de alta impedancia, caracterizada por la distorsión de onda, tanto de corriente como de voltaje, y condiciones normales de operación, esta herramienta de IA sea capaz de enviar una alarma al Centro de Control de Carga o enviar un disparo al interruptor asociado al alimentador fallado. - La aplicación de un meta heurístico para el estudio de coordinación de protecciones, dependerá de la configuración de la red, ya que, coordinar una red mallada no es igual que coordinar una red radial, por tal motivo, la aplicación de esta herramienta de IA, dependerá estrictamente de la configuración de mi SED, de las restricciones establecidas y de la función objetivo, a pesar de lo robusto que sería utilizar un meta heurístico, no siempre va a ser conveniente utilizar esta herramienta.
- Frente al problema de la planificación se han desarrollado diversos modelos basados en técnicas de optimización numérica, programación dinámica, programación entera mixta, métodos heurísticos entre otros, orientándose recientemente a la aplicación de Algoritmos Evolutivo. Esto a causa de las limitaciones de los modelos antes citados en cuanto a las capacidades computacionales, tamaño de redes a modelar, calidad de los datos y número de simplificaciones principalmente [5]. - Tomando como base las bases de datos históricas con que cuenta una empresa dedicada a la distribución de energía eléctrica, tanto a nivel regional como local, se investiga un modelo de IA que permita establecer una forma de realizar el mantenimiento de los sistemas, en donde se establezcan los costos mínimos de este mantenimiento teniendo en cuenta como parámetro básico la confiabilidad del sistema [6]. - Se puede utilizar un GA para la configuración optima de la red de energía eléctrica, esto gracias a que la mayoría de alimentadores son de forma radial, de tal manera que, mediante interruptores de enlace, yo puedo realizar maniobras de transferencia de carga entre alimentadores y mejorar los niveles de voltaje y reducir pérdidas en el SED, la configuración optima se logra con la aplicación de dicho GA [7].
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VI. REFERENCIAS S. Ramírez, “Redes de Distribución de Energía”, 3ra ed., Ed. Colombia: Centro de Publicaciones Universidad Nacional de Colombia, 2004. http://www.tecsup.edu.pe/especializacion/2013/ PEP-sistemas-distribucion-energia-electrica.pdf http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitst ream/handle/132.248.52.100/784/A4%20SISTE MAS%20DE%20DISTRIBUCION.pdf?sequenc e=4 http://blog.gesternova.com/los-armonicoscausas-consecuencias-y-soluciones/
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[5] http://web.ing.puc.cl/power/paperspdf/montagn on.pdf [6] O. Robledo, “Optimización del Costo de Mantenimiento de Sistemas de Distribución Eléctrica”. [7] O. Anaut, F. di Mauro, G. Meschino, A. Suarez, “Optimización de Redes Eléctricas Mediante la Aplicación de Algoritmos Genéticos”. VII. BIOGRAFÍA Antonio De Jesús Ortiz López: Nació el 01 de junio de 1986 en la ciudad de Ambato, cursó sus estudios de bachillerato en el Instituto Tecnológico Superior Bolívar de la ciudad de Ambato y sus estudios superiores de Ingeniería Eléctrica en la Escuela Politécnica Nacional. Su proyecto de titulación trata sobre el Análisis de Estabilidad de Voltaje en Estado Estable del Sistema de Subtransmisión de la Empresa Eléctrica Quito. Actualmente se encuentra trabajando en la “Empresa Eléctrica Ambato S.A.” en donde se desempeña en al área de Subestaciones y Líneas de Subtransmisión como Jefe de Área.
