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Análisis y solución de problemas en Sistemas Eléctricos de Distribución. Diego A. Vásquez F.1 1
Escuela Politécnica Politécnica Nacional Nacional
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Resumen En los sistemas eléctricos de distribución se tienen — — En algunos problemas, que son difíciles de determinar en corto tiempo debido a la extensión o complejidad que pueden presentar, por lo que es necesario utilizar sistemas inteligentes o herramientas de inteligencia artificial para solucionar dichos problemas. Ín di ce de Té Té r m i n os Problemas en Sistemas Eléctricos de — Problemas Distribución, sistemas inteligentes, inteligencia artificial.
I. I NTRODUCCIÓN AS tecnologías de la información actualmente en nuestro mundo forman parte importante en las empresas, porque tienen la capacidad de producir, transmitir, manipular y almacenar la información de una manera muy eficiente, lo que permite analizar los procesos, evaluando la calidad de los servicios o productos, y buscando soluciones rápidas y viables para determinados problemas incluyendo el análisis para reducir costos. A esto se suma el crecimiento de la demanda energética para bastecer las necesidades de residencias, alumbrados, calentamiento de agua, transporte, crecimiento comercial e industrial en numerosas ciudades, lo que obliga a las empresas distribuidoras de electricidad a mejorar sus sistemas, siendo necesario realizar varios estudios del estado actual y de las proyecciones de expansión conforme al crecimiento de la carga para evitar e vitar los típicos problemas en los sistemas de distribución.
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II. SISTEMA ELÉCTRICO El sistema eléctrico es el mayor sistema industrial [1] creado por la humanidad y se divide en sistemas más pequeños como el de generación, transmisión, compensación, transformación, sub-transmisión, distribución y suministro de energía eléctrica. Cada sistema, tiene subsistemas y estos a la vez tienen componentes y en cada componente se pueden encontrar diversos problemas técnicos y no técnicos, algunos autores consideran más sub-sistemas o componentes según la especificidad que se requiera tener. Un esquema típico del sistema eléctrico de potencia se describe e n la figura 1.
Fig. 1. Sistema convencional desde la generación hasta la distribución distribución de energía eléctrica.
Los generadores o centrales de producción [2] son las fuentes de la energía en el sistema de potencia, y es muy importante considerar la capacidad de entrega y absorción de potencia reactiva de los generadores, que vienen dados por su curva de capacidad y sus zonas seguras de operación. Los subsistemas de transmisión y sub-transmisión [3] son los medios de transporte de la energía eléctrica, pudiendo tener configuraciones de tipo radial o de tipo mallado. Los subsistemas de compensación [4] pueden ser de dos tipos, la compensación reactiva inductiva y la compensación reactiva capacitiva, siendo los reactores inductivos los más económicos, en cambio los reactores capacitivos son fuentes pasivas de potencia reactiva que pueden compensar el déficit de dicha potencia en la red de transmisión, se conectan en paralelo para aportar potencia reactiva al subsistema, mientras que se conectan en serie para reducir la impedancia equivalente entre barras. Los transformadores [5] elevan o disminuyen los niveles de voltaje según el requerimiento, y se puede controlar el voltaje manualmente o automáticamente automáticamente con el cambio de posición de tomas (TAPS) sin carga y bajo carga Los sistemas de distribución se pueden tratar como sistemas de transmisión pero en niveles adecuados de voltaje ya que se encuentran dentro de las áreas pobladas. Las cargas son la razón de ser de un sistema eléctrico y existen básicamente dos tipos de cargas: las motorizadas y las no motorizadas. Las cargas motorizadas no varían significativamente con la magnitud del voltaje, de tal manera que operan normalmente entre un rango aproximado de 90% a
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perturbaciones eléctricas. L as interrupciones as interrupciones se definen como la pérdida total de la se fuente de voltaje o de la corriente de carga, dependiendo de su duración se categoriza en instantánea, momentánea, temporal o sostenida, a continuación se presenta el rango de duración para los tipos de interrupciones interrupciones::
Instantáneas Momentáneas Temporales Sostenidas
Fig. 2. Comportamiento de la carga respecto al voltaje.
III. PROBLEMAS COMUNES EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE DISTRIBUCIÓN
En la distribuidora EMELNORTE los problemas que se presentan en los sistemas eléctricos de potencia son mala distribución del flujo de carga en redes radiales, descompensación en la distribución débilmente mallada y en redes de transmisión, inestabilidad de la tensión, inestabilidad del voltaje, baja fiabilidad de la generación, mínima capacidad de carga, incremento de perdidas, desbalance de cargas, alimentadores mal configurados, falta de monitoreo en las alimentadores, transitorios en el sistema de distribución, potencias reactivas altas, variaciones de frecuencia, distorsión armónica, cortocircuitos, interrupciones por eventos externos y actualmente se ha incrementado el problema de la calidad del producto técnico en el servicio residencial por la introducción de cargas no lineales cual efecto tienen las cocinas de inducción.. De acuerdo corporaciones técnicas[7], se describe los tipos de problemas más comunes en las sistemas de potencia, sus causas, sus efectos y como cuidar de sus equipos, utilizando normas IEEE para la descripción de estos problemas de energía. Entre los principales problemas se describen los transitorios, las interrupciones, bajos de voltaje, sobre voltajes, distorsión de forma de onda, fluctuaciones de voltaje, y las variaciones de frecuencia. Los transitorios se categorizan en 1) Impulsos que son
repentinos y con picos altos sean positivos o negativos y se clasifican de acuerdo a la velocidad a la que ocurren (rápida, media, lenta) y pueden resultar en el orden de los nanosegundos [ns], un ejemplo habitual es la aparición de un transitorio positivo causado por la descarga descarga electrostática, y 2) oscilatorios que cambian repentinamente la condición de estado estacionario del voltaje y su frecuencia, otro ejemplo es el operación de banco de capacitores que están conectados automáticamente al sistema de distribución, estos transitorios tienen un alto potencial de daños en los tipos de
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de 0.5 ciclos a de 30 ciclos a de 2 segundos a mayores a dos minutos
30 ciclos 2 segundos 120 segundos
Generalmente se deben al daño en las líneas de transmisión o distribución por causas de choques con postes, caída de rayos en las líneas, contacto con árboles que han crecido lo suficiente para llegar a las líneas, temblores, etc. A lo que es normal que se produzcan la operación de fusibles seccionadores. L os bajos bajos voltaj es son la reducción de la amplitud de la
señal de corriente alterna a una frecuencia dada para la duración de 0.5 ciclos de tiempo en un minuto. Generalmente se presentan cuando se cambian las cargas con corrientes de arranque muy altas. L os sobre sobre voltaj es producen que la corriente de alterna se producen
incremente por un duración de 0.5 ciclos en 1 minuto, suceden generalmente cuando se tiene una reducción de carga en largos tramos del sistema, o cuando falla una fase en el sistema trifásico de una red. Las consecuencias en un análisis amplio de los incidentes en los sistemas de potencia, se traducen totalmente en pérdidas económicas [8] tanto de las empresas eléctricas como de las empresas relacionadas a la industria, y en cierta escala a las personas productivas productivas que utilizan el sistema de energía. Como se ha mencionado que las tecnologías de información son parte importante y se dice que el análisis de los requisitos es la primera fase del ciclo de un software que permite identificar las necesidades del usuario, y si no se lo realiza correctamente, se vuelve un problema, como por ejemplo el diseñar un software que no cumple con lo que el usuario necesita, es una perdida tiempo y dinero, lo mismo ocurre cuando se decide por la compra de un dispositivo, debe conocerse eficazmente el requisito y definirse exactamente el problema. Las estrategias estrategias recomendadas para la especificación especificación de los requisitos requisitos del software [9] [9] están descritas descritas en la norma IEEE 830-1998. De una encuesta realizada a personal técnico en la empresa eléctrica Regional del Norte, se tiene que la coordinación de protecciones y la estabilidad de voltaje es uno de los problemas más comunes y del cual se requiere conocer más, para su efectiva efectiva solución.
> PROGRAMA DE MAESTRIA INGENIERIA ELÉCTRICA EN DISTRIBUCIÓN - EPN < Coordinación de protecciones.- es el estudio en el cual se organiza el tiempo y la corriente de todos los dispositivos en serie desde la carga hasta la fuente, que en este caso pueden ser las subestaciones de distribución. En el estudio se compara el tiempo que le toma a cada dispositivo individualmente operar cuando ciertos niveles de corriente, voltaje o frecuencia pasa de estado normal a un estado no normal. Es normal que se considere la sensibilidad, selectividad, simplicidad, confiabilidad, velocidad y economía como característica funcional de una protección. Es necesario precisar el área donde el dispositivo de protección debe actuar ante cualquier falla, las aéreas normalmente son las líneas de alta tensión, barras de alta tensión, transformadores de potencia, barras de media tensión, circuitos de media tensión, transformadores de distribución, circuitos alimentadores de distribución, alimentadores secundarios, acometidas y medidores. La protección primaria es la primera línea de defensa y actúa para operar el dispositivo más cercano a la falla, mientras que la protección secundaria es utilizada como respaldo, y opera independiente de un componente específico en el sistema de protección primaria. De manera general general en los sistemas de distribución se tienen que proteger los alimentadores que son de tipo rural, urbano e industrial y en cualquiera de ellos se presentan desconexiones imprevistas y problemas como los descritos en los párrafos anteriores. Estabilidad en sistemas de potencia.- puede definirse como aquella propiedad del sistema sistema de potencia que que permite a este, mantenerse en un estado de operación equilibrado bajo condiciones normales y recuperar un estado aceptable de equilibrio luego de ser sujeto a una o varias perturbaciones. Ahora el problema es la inestabilidad en el sistema de potencia y se puede manifestar en muchas formas dependiendo de la configuración y modo de operación del sistema, generalmente este problema se da en el mantenimiento de la operación sincronizada de los generadores. Este aspecto es influenciado por la dinámica de los ángulos rotores y las relaciones potencia-ángulo, otra forma es el colapso del voltaje de la carga alimentado a través de una línea de transmisión o distribución, y la preocupación principal es el control del voltaje voltaje en las líneas. líneas. Para realizar el análisis y evaluación de la estabilidad el comportamiento del sistema es el principal objeto de interés, cuando está sujeto a una perturbación grande o pequeña, pero transitoria. Por lo tanto se quiere que las respuestas del sistema operen y se ajusten satisfactoriamente a las numerosas y severas perturbaciones, y esto dependerá mucho del equipamiento que se tenga. Un ejemplo es el cortocircuito en un elemento crítico de la red, el cual es aislado o despejado por los relés de protección lo que causaran variaciones en la potencia transferida, en la velocidad de rotores en las maquinas, y en los voltajes de
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barra. Estas variaciones de voltaje actúan al regulador de voltaje del generador, como la regulación en el sistema de trasmisión. PROBLEMAS DE SISTEMAS ELÉCTRICOS ELÉCTRICOS DE IV. A NÁLISIS A LOS PROBLEMAS DISTRIBUCIÓN
Para el análisis de los problemas mas comunes en los sistemas de distribución se tiene la metodología de simplificar el sistema a través de modelos geométricos y matemáticos, también es recomendable realizar circuitos equivalentes simplificados, realizar las evaluaciones sobre el problema, y para esto es necesario de la ayuda de equipos que registren la operación del sistema durante un periodo determinado, luego se tomarán los registros para ser analizados, evaluados y buscar la causa del problema, se recomienda utilizar la asistencia de sistemas inteligentes para la modelación de parte del sistema y del problema, para que este mismo sistema inteligente pueda sugerir la solución o conjunto de soluciones y al final el grupo de ingenieros deberán decidir su aplicación. En este punto se debe delimitar el problema que se quiere analizar ya que dependiendo de su naturaleza se debe escoger un modelo de teoría que integre y cumpla con las leyes ordenantes, sus características, requerimientos, restricciones, límites, rutas, especificaciones existentes, especificaciones futuras, y minimizar los costos Se estructura el modelo del sistema y se formula el problema, determinando determinando cuales son los datos, las variables, variables, las restricciones, los procedimientos, algoritmos y la función objetivo que trata directamente al problema. Cabe mencionar que se debe presentar una terminología que sea de fácil conocimiento. Se utilizan los algoritmos que se han desarrollado para el problema tratado, en la actualidad muchos sistemas son analizados con algoritmos genéticos [10], que son técnicas de búsqueda adaptiva que emulan la teoría biológica evolutiva. evolutiva. En la mayoría de departamentos técnicos en las empresas se realizan análisis rápidos y no muy detallados de los problemas que se presentan a menudo, lo que causa que se mantengan y no se eliminen completamente los problemas. Esto sucede cuando las áreas de una distribuidora tienen tantas tareas asignadas en el servicio, y la exigencia de presentar registros operativos de la distribuidora que son solicitados frecuentemente por las entidades rectoras del sector, y la falta de un sistema inteligente de gestión, no dan tiempo para realizar un profundo análisis de cada problema que se presenta. DISTRIBUCIÓN V. SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS DE DISTRIBUCIÓN
Convencionalmente se busca solucionar los problemas mediante tareas de mantenimiento preventivo y en algunos
> PROGRAMA DE MAESTRIA INGENIERIA ELÉCTRICA EN DISTRIBUCIÓN - EPN < casos hasta el mantenimiento predictivo, coordinando con áreas creadas de especialidad para resolución de problemas, utilización de equipos especiales para determinar problemas puntuales y la realización de metodologías metodologías dispuestas utilizando programas o sistemas computacionales que pueden adquirir las empresas. Existen algunas soluciones tecnológicas [11] que ya se han definido y probado a lo largo de su desarrollo y fabricación, los cuales buscan proteger equipos, datos, productividad, inventarios, y hasta la vida de las personas, todo dependerá del nivel de protección que se requiera alcanzar en el sistema, la complejidad y facilidades que se tendrán en su operación y del presupuesto que se destine a este ámbito del sistema, de manera intuitiva y empírica las personas tienden a colocar equipos ya probados en otras empresas para problemas similares, sin embargo es necesario realizar una análisis muy detallado del problema, para lograr encontrar la solución más eficiente, viable viable y económica, económica, para detener completamente completamente o minimizar el problema. Las soluciones más eficientes están dadas por sistemas inteligentes que han sido desarrollados por empresas dedicadas a la investigación de dichos problemas, ya que simulan todas las posibilidades en tiempos increíblemente cortos, considerando todos los parámetros posibles que se requieran en el sistema. Las redes inteligentes [12] en Ecuador es el nuevo reto, y se busca tener una red más eficiente y flexible, con alta disponibilidad y calidad en el suministro de energía, sustentada en los beneficios que brindan las tecnologías de la información y comunicación, a través del establecimiento de un marco de referencia para la gestión y ejecución de las diferentes iniciativas asociadas a programas de redes inteligentes. Sin embargo esto requerirá realizar estudios de la infraestructura, personal, tecnología y situación actual de nuestro sistema nacional desde la generación hasta el despacho de energía a cada consumidor. El tiempo para lograr desarrollar un plan de esta magnitud está propuesto para 17 años, con 4 millones de usuarios que se sirven del Sistema Nacional Interconectado, y una inversión muy elevada que no se ha especificado aun [13].
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EFERENCIAS VII. R EFERENCIAS
[1] F. A. C. A. C. C. J. C. A. C. C. A. F. F. G. J. G. A. G. J. M. J. M. J. U. Ali abur, Análisis y operación de sistemas de energía eléctrica, Madrid: Mc Graw-Hill/Interamericana de España S.A.U., 2002. [2] G. Enriquez Enriquez harper, Elementos de centrales centrales eléctricas eléctricas I, Mexico: Limusa, 1982. [3] G. Enriquez Enriquez Harper, Lineas de transmisión transmisión de redes redes de distribucion de potencia eléctrica, T.1, Mexico: M exico: Limusa, 1978. [4] J. Coto Aladro, Análisis Análisis de Sistemas Sistemas de Energía Energía Eléctrica, Oviedo: Universidad de Oviedo, 2002. [5] G. Enriquez Enriquez Harper, Curso de transformadores y motores motores trifásicos de inducción, Mexico: Limusa, 1973. [6] J. J. Antonio Antonio Ortiz, "Análisis de Estabilidad Estabilidad de Voltaje en Estado Estable del Sistema de Subtransmisión de la EEQ," Repositorio Digital de la EPN, pp. 1-8, 2012. [7] J. Seymur, Seymur, "The Seven Seven Types of Power Problems," Schneider Electric - Data Center Sciencie Center, vol. White Paper 18, no. Rev 1. [8] David Lineweber, Lineweber, Shawn McNulty, McNulty, "The Cost of Power Disturbances to Industrial & Digital Economy Companies," Primen, vol. submitted to: EPRI´s Consortium for Electric INfrastructure for a Digital Society (CEIDS), no. 1, pp. 1-6, 2001. [9] P. U. C. R. H. C. H. T. M. Pytel, Pytel, "INGENIERÍA DE REQUISITOS BASADAS EN TÉCNICAS DE INGENIERÍA DEL CONOCIMIENTO," Buenos Aires, 2011. [10] R. S. H, "Aplicacion de algoritmos geneticos al problema de planificacion de sistemas electricos de distribucion," distribucion," Red de revistas cientificas de America Latina y el Caribe, Espana y Portugal, vol. 1, p. 3, 1999.
[11] A. D. H. P. C. M. M. J. B. B. B. -J. a. H. N. Poul Sørensen, in Simulation and Verification of Transient Events in Large Wind Power Installations , Dinamarca, Pitney Bowes Management, 2003, pp. 9-11. [12] M. d. E. y. E. Renovable, "Acuerdo ministerial ministerial No.301," Registro Oficial del Ecuador, Quito, 2013. [13] M. d. Electricidad, "Fases de desarrollo del REDIE," 25 01 2013.
VI. CONCLUSIONES En la actualidad se busca que las redes inteligentes transformen la forma de producir, distribuir y consumir la energía eléctrica, ya que a través de ella se busca replica la operatividad de la red de información cibernética en una gran red eléctrica de productores, distribuidores y consumidores que maximicen la eficiencia en todas sus etapas y niveles, por lo que es necesario estar preparados para estos nuevos retos. .
Diego A. Vásquez F.
nació en Ibarra, Imbabura en 1978. Recibió su título de Ingeniero en Electrónica y Control de la Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, en el 2005, cursa su primer nivel de estudios de maestría en Sistemas eléctricos de Distribución en la Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, en el 2016. Realizó sus primeras actividades profesionales en el hospital Eugenio Espejo en la ciudad de Quito, donde se
> PROGRAMA DE MAESTRIA INGENIERIA ELÉCTRICA EN DISTRIBUCIÓN - EPN < destacó en el área de mantenimiento de equipo biomédico de quirófanos. Técnico de campo de generadores de combustión interna en el Bloque 15 de Petrobras, operador de generadores de combustión interna en el Bloque 15 de Petrobras, jefe de estación generadora en el campo Sacha de Petro-Ecuador, profesional 1 en la Dirección de Supervisión y Control en e n el Consejo Nacional de Electricidad, docente de medio tiempo en la Facultad de Educación Ciencias y Tecnología de la Universidad técnica del Norte, actualmente trabaja en ejercicio libre en la ciudad de Ibarra y desarrolla sus estudios en la maestría de Distribución de la Facultad de Ingeniería Eléctrica en la Escuela Politécnica Nacional con el fin de aplicar nuevas tecnologías existentes en los sistemas de distribución en las empresas eléctricas del país.
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